Research Highlight

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이번 Research Highlight에서는 방효충 교수님의 항공우주 시스템 및 제어 연구실(ASCL)에서 수행하는 연구에 대하여 소개하겠습니다. 해당 연구실에서는 인공위성 궤도/자세 유도 및 제어, 심우주 탐사, 무인기 유도 및 제어 등의 연구를 두루 수행하고 있으며, 무인기, 초소형 인공위성 등의 시스템을 직접 개발하기도 합니다. 이번 Research Highlight에서는 위에 나열된 항목 중 초소형 인공위성 개발에 대하여 설명하도록 하겠습니다.

 

 

 

 

초소형 인공위성, 큐브샛 (CubeSat)

큐브샛은 직육면체 형태의 초소형 인공위성을 통칭하여 부르는 말로, 무게가 10kg 이하이기 때문에 나노위성(nano satellite)으로 구분하기도 합니다. 큐브샛의 단위는 U(unit)으로, 10x10x11.35cm, 약 1.33kg의 정육면체 형태가 1U입니다. 해당 형태는 큐브샛을 처음 개발한 Cal Poly에서 개발한 발사장치(P-POD)에 맞추어 표준화된 것입니다. 큐브샛은 크기가 큰 상용위성들에 비해 개발 비용 및 시간, 발사비용 등이 저렴하다는 장점이 있어, 초기에는 주로 관련 분야 학생 교육 목적으로 활용되었습니다. 크기는 작지만 위성을 구성하고 있는 서브시스템의 구분은 큰 위성과 거의 동일하기 때문에, 큐브샛 개발은 개발비용이 큰 상용위성 개발 과정을 익히기에 좋은 대안입니다. 하지만 최근에는 위성에 탑재되는 전기·전자, 기계 및 소재 기술이 발전함에 따라서 큐브샛을 교육용이 아니라 실제 지구관측 및 우주탐사 임무에 활용하는 사례가 점점 더 늘어나고 있는 추세입니다. 한 예로 NASA에서 개발한 GeneSat-1은 박테리아를 탑재하여 우주환경에서의 데이터를 지구로 전송하기 위해 개발되었습니다. 또한 위성 편대비행 등 검증이 필요한 신기술을 시험하는 데에도 활용이 가능합니다.

 

그림 1 Ncube-2, 노르웨이 큐브샛(L), 미국 NASA GeneSat-1(R)

 

QB50 프로젝트

ASCL에서는 국제 공동 프로젝트인 QB50 프로젝트의 일환으로 2U 큐브샛 LINK를 개발하였습니다. QB50는 50개의 큐브샛을 동시에 지구 저궤도로 발사하여, 대기항력이 커서 상대적으로 관측이 적었던 구간의 데이터를 수집하기 위한 프로젝트입니다. 임무 초기고도는 400km로 일반 저궤도 인공위성에 비해 낮습니다. 과학임무를 위해 이온/중성자 질량 분광기, 플럭스 프로브, 랑뮈어 탐침 등이 대기관측을 위해 큐브샛들에 탑재되었습니다.

 

그림 2 QB50 임무 고도(L), LINK에 탑재한 이온/중성자 질량 분광기(R)

 

LINK (Little Intelligent Nanosatellite of KAIST)

LINK는 ASCL에서 개발한 첫 번째 큐브샛으로, 크기 10x10x25cm, 무게 2.3kg의 2U 큐브샛입니다. QB50 탑재체 중 이온/중성자 질량 분광기(Ion/Neutron Mass Spectrometer, 이하 INMS)를 탑재하고 있으며, 이와 함께 우리 학교 물리학과 우주과학 연구실(민경욱 교수님)에서 자체 개발한 소형 랑뮈어 탐침이 함께 탑재되었습니다. INMS는 지구 대기 중 N2와 O2의 국지적인 구성 및 입자 밀도 등을 측정할 예정이며, 이를 통해 얻은 데이터는 대기 모델을 보다 정밀하게 발전시키기 위한 필수 변수 값들을 얻는 데 도움이 될 것입니다. 함께 탑재되는 랑뮈어 탐침은 전자의 밀도 및 온도를 측정하는 장비인데, INMS와 함께 탑재하면 데이터 해상도를 높이는 효과가 있을 것으로 기대됩니다.

 

그림 3 LINK 외관(L) 및 내부 배치도(R)

 

LINK는 임무탑재체 외에도 탑재컴퓨터(및 비행 소프트웨어), 통신계, 전력계, 구조계, 자세제어계 등 상용위성과 동일한 서브시스템을 포함하고 있습니다. 자세제어계는 자세 결정(attitude determination)을 위해 태양센서와 지구센서, 자기장센서를 사용합니다. 자세제어를 위해서는 탑재체 요구조건에 맞춰 피치 축을 속도 벡터에 정렬시키기 위해 1축 리액션 휠을 포함하며, 이 외에도 자장토커를 탑재하고 있습니다. 해당 시스템들은 임무와 관계없이 모든 인공위성에 포함되는 것이므로, 향후 연구실에서 추가로 개발할 큐브샛에도 활용이 가능합니다.

 

그림 4 조립 완료한 LINK

 

ASCL에서는 2013년 Preliminary Design Review(PDR), Critical Design Review(CDR), 2014년 Assembly, Integration and Test Readiness Review(AITRR), 2016년 Flight Readiness Review(FRR) 등의 리뷰를 거쳐 LINK의 설계를 확정하였으며, 2016년 7월에 최종 조립 후 열진공시험, 진동시험을 수행하여 발사 및 우주환경에서 문제가 없다는 것을 검증하였습니다.

 

그림 5 LINK 열진공시험(L) 및 진동시험(R)

 

완성된 큐브샛은 2016년 8월 센서 캘리브레이션 및 발사장치에의 탑재를 위해 네덜란드로 배송되었고, 11월에 발사장치인 NanoRacks에 탑재 완료되었습니다.

 

그림 6 INMS 최종 캘리브레이션(L) 및 NanoRacks에의 탑재(R)

 

LINK는 이후 미국으로 배송, 2017년 4월 18일 NASA OA-7 미션(Atlas V 발사체)을 통해 국제우주정거장으로 발사되었습니다. 큐브샛은 우주인에게 전달할 물품들과 함께 국제우주정거장에서 보관하고 있다가, 5월 18일 NanoRacks에서 사출되어 궤도에 진입하였습니다. ASCL에서는 같은 날 연구실의 지상국을 통해 비콘 수신에 성공하였습니다. 현재까지 확인한 위성의 상태는 양호하며, 세계 곳곳의 아마추어 무선통신 종사자들이 비콘 수신 소식을 전하고 있습니다. 앞으로 LINK는 한 달 동안 위성의 서브시스템 정밀점검 및 자세 안정화를 수행하게 되며, 자세 안정화 이후 두 달에 걸쳐 과학임무 데이터를 수집할 예정입니다. 자세한 소식은 LINK 트위터 계정(@KR01_LINK)를 통해 확인하실 수 있습니다

 

그림 7 NanoRacks 큐브샛 사출 장면 (credit: NASA/NanoRacks)

 

 

그림 8 LINK 신호 수신 장면

 

 

 

 

원문        임이랑[yeerang@kaist.ac.kr]

편집         정병학[byeonghak92@kaist.ac.kr]