[SCIENCE] 숨어 있는 기술을 찾아라 ‘나로과학위성’

[산업일보]
’92년 발사 된 우리나라 최초의 위성인 우리별 1호에 이어 KAIST 인공위성연구센터에서 일곱 번째로 개발된 나로호 위성은 1, 2차 발사 당시 탑재된 과학기술위성 2호의 기술을 활용해 순수 국내기술로 개발돼 우주 과학시대를 열었다.

나로과학위성에는 나로호 궤도진입 확인임무 수행을 위한 레이저반사경, 우주과학임무를 수행할 우주방사선측정센서, 우주이온층 측정센서(랑뮈어탐침), 국산화 기술의 우주검증을 수행할 펨토초 레이저발진기, 반작용 휠, 적외선 영상 센서 등이 탑재돼 있다.

‘나로호 궤도검증, 우주환경 관측 등 우주과학실험, 국산화 기술 우주검증 등의 임무수행이 가능한 100kg급 소형위성 개발’을 목표로 2011년 2월부터 개발이 착수됐으며, 지난 7월 31일 발사장 이동 전 최종점검인 선적 전 검토회의(Pre-Shipment Review)를 성공적으로 완료해 나로호에 탑재될 준비를 마쳤다.

이에 앞서 교육과학기술부(장관 이주호)와 KAIST 인공위성연구센터(소장 이인)는 10월 전남 고흥 나로우주센터에서 발사예정인 나로과학위성의 발사준비를 완료했다. 이에 앞서 지난 8월 24일 국민들에게 위성발사 전 마지막 모습을 공개해 대한민국 과학의 우수성을 입증했다.

나로과학위성 개발사업은 교육과학기술부의 지원 하에 ’90년대 초부터 우리별 위성, 과학기술위성 등 소형과학기술위성을 개발하며 세계적으로 기술력을 인정받아온 KAIST 인공위성연구센터에서 개발을 주관했으며, 한국항공우주연구원, i3시스템, KAIST, 한국항공대학교 등 국내 연구소, 산업체, 대학 등이 참여했다.



펨토초 레이저발진기 기술검증 기대
나로과학위성의 우주과학탑재체는 우주환경 변화에 따른 방사선량 증감, 지구 이온층 변화 등을 측정함으로써 태양활동 극대기에 맞춰 우주방사선량 모델링, 우주방사선이 우주부품에 미치는 영향연구, 이온층이 통신시스템에 미치는 영향연구 등 우주과학 연구, 위성기술 연구개발 등에 기여할 예정이다.

또한 기술검증 탑재체를 통해 펨토초 레이저발진기 기술검증에 성공하면 세계 최초로 광섬유를 이용한 펨토초 단위의 정밀거리 측정 관련 기반기술을 확보하게 되며, 반작용 휠, 적외선 영상 센서 등을 통해 그간 수입에 의존하던 핵심부품들의 국산화율을 높이는데 기여하게 된다.

KAIST 인공위성연구센터 관계자는 우리 땅에서 발사되는 나로과학위성의 대국민 공개행사를 통해 우리나라의 위성 개발 능력에 대한 국민의 관심을 제고하고 관람객들에게 위성개발과정과 우리나라 위성개발 역사에 대한 설명을 제공해 국민들의 위성개발에 대한 이해를 제고할 수 있을 것이라고 밝혔다.


나로과학위성 제원 속 국내 기술
나로과학위성은 103분에 한 바퀴씩, 하루에 지구를 약 14바퀴 씩 회전하며, 나로호의 궤도 진입 후 비이콘 송출 및 레이저 반사경을 이용한 위성 레이저 레인징 등 정밀 궤도 측정 기술의 연구, 300~1,500km를 갖는 타원궤도 주변의 전자밀도와 우주방사선량 측정 등 우주환경의 관측 및 국가 우주기술사업 등을 통해 개발된 핵심기술을 우주에서 검증하기 위한 과학 실험을 수행하게 된다.
나로과학위성은 프레임타입의 위성구조체에, 반작용 휠, 펨토초 레이저 발진기, 적외선 센서, 태양전지판, 소형위성용 X대역 송신기, FPGA기반 탑재 컴퓨터, 태양전지판 전개용 힌지 등의 국산우주기술을 탑재하고 있다.

4기 안테나 보유, 위성 추적 및 신호 교신
나로과학위성의 운용이 수행되는 한국과학기술원 인공위성연구센터 지상국은 1992년 8월 우리별1호 발사와 함께 설치됐다. 위성을 관제·수신하는 지상국은 위성에 각종 명령이나 프로그램을 송신해 위성을 조정하고, 위성의 상태를 파악할 수 있는 원격검침 정보와 탑재체로부터 측정된 관측 자료를 수신한다. 또한 수신된 모든 자료를 저장, 처리 및 관리해 위성의 상태를 점검함으로써 지상국을 정상적으로 유지하고, 수신 자료를 사용자들에게 분배하는 역할을 한다.

한국과학기술원 인공위성연구센터는 총 4기의 안테나를 보유하고 있으며 안테나는 위성을 추적하고 위성과 신호를 교신하기 위해 사용한다.

소형위성 프로그램으로 ‘위성의 궤도 진입 검증’, ‘과학관측임무’, ‘핵심우주기술의 우주환경에서의 성능검증’ 등 세 가지 임무를 수행하게 된다.

궤도는 300~1,500km 의 타원궤도로 300km 주변의 초 저궤도에서의 궤도 천이 영향과 2013년 태양 활동 극대기에 따라 지구주변의 이온층 등 우주환경을 측정하기위한 우주과학 관측 임무를 수행한다. 이를 위해 이온층의 전자밀도 및 우주방사선량 등을 측정한다.

나로과학위성에는 과학기술위성2호에서 검증 하기로 됐던 소형위성탑재용 X대역 송신기, 탑재 컴퓨터 등이 보완돼 탑재됐으며, 국내 개발 위성으로는 처음으로 국산 반작용 휠을 사용해 자세제어를 수행하며, 광섬유를 이용한 펨토초 레이저 발진기, 국내에서 제작된 태양전지판 및 전개용 힌지, 적외선 센서 등이 탑재돼 우주검증시험과 적외선 지구관측 등 다양한 과학 실험도 수행하게 된다.

사실 나로과학위성은 나로호 발사체(KSLV-Ⅰ)의 3차 발사 시 탑재되는 100kg급 저궤도 과학기술위성으로, 2011년부터 사업에 착수해 총 20억원의 예산을 투자해 개발됐다.

순수 국내 기술로 개발된 나로과학위성은 발사체의 궤도진입 검증과 300km 초저궤도에서의 위성 운용, 우주환경 관측을 위한 탑재체 개발과 국가 우주핵심기술개발사업등을 통해 개발된 핵심기술을 우주에서 실증하는 성과를 얻게 된다.
프레임 타입의 위성 구조체, 태양전지판, Li-Ion 배터리 시스템, 마그네틱 센서 및 태양센서, FPGA 기반 탑재 컴퓨터, 소형위성용 X 대역 송신기, 태양전지판 전개용 힌지 등으로 구성된 위성본체를 순수 국내 기술로 개발했다.

과학이 숨어있는 탑재체 개발
나로과학위성은 이온층관측센서, 우주방사선량 측정센서, 펨토초 레이저 발진기, 반작용 휠, 적외선 센서, 레이저반사경 등 6개의 탑재체가 있다.

랑뮈어 탐침(Langmuir Probe)을 이용해 위성의 궤도면에 존재하는 전자 밀도 및 전자 온도 등 이온층의 변화를 관측하는 이온층관측센서(LP)에서부터 위성의 궤도면 상에 존재하는 우주방사선에 의한 반도체 오류 및 누적 방사선량을 측정하며, 고에너지 입자에 의한 전자부품의 오류 현상을 위성의 고도와 지역에 따라 살펴보는 우주방사선량 센서(SREM)가 내재돼 있다.

광섬유를 이용한 펨토초(10-15초 : 1000조 분의 1초) 레이저의 클럭 생성 기술을 우주에서 검증하는 펨토초 레이저 발진기(FSO)는 물론 반작용 휠(RWA)의 경우 3축 자세제어에 사용되는 모터로 축의 작용/반작용 법칙에 의해 발생되는 토크(Torque)의 회전 효과를 이용해서 위성의 자세를 조정하기 위한 국산 기술을 우주에서 검증받게 된다.

적외선 센서(IRS)를 통해서도 국산 적외선 소자 기술을 이용한 열 영상 카메라로 한반도를 포함해 지구의 적외선 열 영상 관측을 통해 국산 소자의 우주 검증과 적외선 영역의 지구관측 임무를 수행한다.

이외에도 레이저반사경(LRA)은 지상의 SLR(Satellite Laser Ranging) 관측소에서 보낸 레이저 신호가 위성에 부착된 레이저 반사경에 의해 반사돼 돌아오는 광자(photon)의 이동시간을 측정함으로서 위성의 정밀거리/궤도 측정에 나설 예정이다.

1992년 발사된 우리별 1호에서부터 3호까지
과학기술위성의 개발은 국가 우주기술 축적을 위한 소형위성 본체 및 탑재체 개발, 차세대 우주기술 확보를 위한 우주과학·지구과학 실험 및 우주기술 시험인증, 실용위성과 연계될 차세대 고성능 핵심기반기술 개발, 본체 및 탑재체 관련분야 전문인력 양성 등을 목표로 하고 있다.

우리별 1호는 우리나라 최초로 1992년 8월 11일 오전 8시 8분(한국시간)에 프랑스령 기아나 꾸르 우주기지에서 프랑스 발사로켓인 아리안 V-52 발사체에 실려 발사됐다. 1989년부터 KAIST 인공위성연구센터가 영국의 써리 대학(Univ. of Surrey)의 기술 지원으로 이루어진 위성 개발 및 인력 양성을 위한 교육프로그램을 통해 개발한 위성으로 352 x 356 x 670 mm 무게 48.6kg의 소형 위성이다. 지구 촬영 임무와 지구 주변의 방사선 측정 등 과학 실험을 성공적으로 수행했을 뿐만 아니라 이후 우리나라 위성 개발 기반을 마련하는 데 큰 힘이 됐다. 우리별 1호 개발을 통해 우리나라는 인공위성 제작 기술을 얻고 인공위성 관련 분야의 전문 인력을 키워내는 발판을 마련했다. 또한 우리별 1호는 우주과학에 대한 국민적 관심을 이끌어내고 우주 산업을 활발히 하는데 기여했다.

우리별 2호는 1993년 9월 26일 오전 10시 45분 아리안 V-59 발사체에 실려 발사됐다. 우리별 1호를 개발한 연구팀이 국내 연구팀과 함께 우리별 1호를 개발과 운용한 경험을 바탕으로 우리별 2호를 개발했다. 우리별 2호는 임무분석부터 설계, 제작, 시험에 이르는 과정을 국내 연구진의 힘으로 이뤄냈다. 이를 통해 국내 연구진은 위성개발 중에 발생되는 많은 문제점을 스스로 해결할 수 있다는 자신감을 갖게 됐다. 특히, 우리별 2호는 우리별 1호에서 발견된 문제점을 수정 보완하고, 위성 제작에 국산 부품을 사용해 우리나라의 인공위성 제작 기술 수준을 한 단계 끌어올리는 데 일조했다. 또한, 우리별 2호에는 우주관측, 지구관측, 통신을 위한 기초 기술 개발을 목적으로 한 장치가 탑재돼 다양한 관측과 과학실험이 수행됐다.

우리별 3호는 1999년 5월 26일 오후 3시 22분에 인도의 PSLV-C2 발사체에 실려 발사됐다. 무게 110kg으로 지상에서 730km 위를 돌면서 지구표면촬영실험(15m급 해상도), 우주실험의 임무를 수행했다. 우리별 3호는 기존의 우리별 1호와 2호의 경험을 바탕으로 순수하게 국내 연구진의 힘으로 설계해 개발된 우리나라 최초 독자 개발 인공위성이다. 성능 면에서 동급의 다른 나라 인공위성에 비해 손색이 없다는 평가를 얻는 등 세계의 주목을 끌었다. 우리별 3호는 앞으로 우리나라의 우주기술에 절대적으로 필요한 핵심 기술을 확보했다는데 큰 의의를 가지고 있다.

1998년 10월, 우리별 위성개발과정에서 확보한 위성기초기술을 바탕으로 과학기술위성 1호 개발이 시작됐다. 1998년 10월부터 2003년 12월까지 5년 3개월간의 개발을 마친 과학기술위성1호는 2003년 9월 27일 러시아 플레세츠크 발사장에서 COSMOS-3M 발사체로 성공적으로 발사됐다. 이 위성은 기존의 우리별 1,2,3호의 개발 경험을 바탕으로 얻은 기술을 최적화해 국내 위성 중 천문학적 관측을 시도한 최초의 위성이다. 하루에 지구를 14바퀴씩 돌면서 우주를 관측하는 등 우주과학 연구를 수행했다.


우주·지구 관측 업무 나선 과학기술위성 3호

과학기술위성 1호 사업은 기획 사업을 통해 KAIST 인공위성연구센터가 주관연구기관으로 사업을 수행했으나, 2000년부터는 한국항공우주연구원이 사업을 총괄하게 됐다. KAIST 인공위성연구센터는 본체 및 지상국 개발을 전담하고, 주 탑재체는 KAIST 인공위성연구센터와 한국천문연구원, 미국의 UC버클리 대학이 공동으로 개발했으며, 부 탑재체인 데이터 수집장치는 KAIST 인공위성연구센터와 남호주 대학이 공동으로 개발했다. 주 탑재체인 원자외선 우주망원경은 광범위한 지역에서 발생하는 원자외선 방출선의 영상과 스펙트럼을 동시에 관측할 수 있도록 설계됐고, 이를 이용해 은하에 분포하는 고온가스의 거시적인 공간분포에 대한 전천탐사 관측을 세계 최초로 수행했다.

과학기술위성 2호 개발은 2002년 10월에 착수했으며, 동 위성은 우리나라 최초의 우주발사체인 나로호(KSLV-I)에 탑재해 2009년 8월 25일과 2010년 6월 10일 발사됐으나 궤도 진입에 실패했다.

과학기술위성 2호는 성공적으로 발사되면 103분에 한 바퀴, 하루에 지구를 약 14바퀴씩 돌면서 대기 복사에너지 측정 등 지구온난화 및 기후변화에 대한 연구자료를 제공하는 임무를 수행할 예정이었다.

올 연말 발사예정인 과학기술위성 3호는 우주/지구 관측 임무를 목적으로 개발됐다. 주 탑재체인 근적외선 카메라를 이용한 은하면 근적외선 탐사 관측을 통해서 고온가스의 물리적 특성 및 기원을 연구, 지구관측을 통해 서 지표온도변화 및 산불을 탐지하며, 부 탑재체인 초소형 영상분광기는 영상분광을 이용해 수질오염 관측, 생태지도작성, 작황상태파악 등 다양한 용도에 이용될 예정이다. 또한, 고성능 레온 프로세서 탑재 컴퓨터 등 다양한 우주기술의 개발 및 검증 기능도 수행한다.