English : Small Satellite
日本語 : 小型人工衛星（コガタジンコウエイセイ）
1. 개요
인공위성의 분류법중 크기와 무게, 특히 무게를 기준으로 분류하는 경우 100kg이하의 인공위성을 가리킨다. 100kg이라는 무게가 절대적인 기준은 아니며 애매한 경우가 많다. 경우에 따라서는 10kg이하의 무게를 가지는 위성을 초소형인공위성이라 부르는 경우도 있다. 최근 유행하고 있는 큐브위성(CubeSat위키피디아)이 대표적인 초소형인공위성이다.몇년 전까지만 해도 교육용으로 개발되는 경우가 많았지만 최근들어서는 실용적인 목적으로도 개발되고 있다. 대형인공위성은 적게들어도 몇백억씩 개발비용이 필요한 경우가 많지만 소형인공위성의 경우에는
2. 역사
따지기 시작하면 스푸트니크부터 소형인공위성에 들어간다. 100kg을 넘지 않으니까. 그후에는 냉전시대의 돈지랄을 맞으면서 위성은 점점 커지기만 하고 어느샌가 톤단위로 위성무게를 말하는 것이 당연하게 되어벼렸다. 그러던 중에 몇몇 사람들이 이래서는 안될거야 아마라며 소형인공위성으로 방향을 틀기 시작했는데, 그중에 한 곳이 영국의 SSTL이다. 그런데 SSTL도 100kg정도는 가볍게 넘기고 200kg~300kg을 찍기 시작했다. 뭐 당연한 것이 위성에 들어가는 카메라만 조금 해상도를 높이려고 해도 모든 부품이 다 커지고 무겁게 되는지라.또 한 쪽에서는 스탠포드대학을 중심으로 해서, 캔사이즈로도 위성을 만들 수 있다는 대담한
2013년,
3. 어디에 쓰나?
역시 교육용으로 쓰이는 경우가 절대적으로 많다. 큐브샛도 그렇지만 일단 만드는 데에는 돈이 비교적 적게 드는지라 우리도 인공위성을 만들어 봤다능! 이라고 말은 할 수 있다... 그리고 만들다 보면 배우는 것도 많다. 인공위성이 기본적으로 어떻게 구성되는지 경험해볼 수 있다는 것은 교육목적으로는 충분한 일이다. 비용이 비교적 적게 들기 때문에 여러번 만들어 보는 것도 가능하다는 것도 큰 장점이다. 일본의 큐슈쪽에서는 50kg정도의 위성을 반복해서 만들고 있다. 언제 궤도에 올라갈지는 짐작하기 힘들지만... 실제로 궤도상에 위성을 올려보내서 운용까지 하게된다면 그보다 더 좋을 수는 없지만 실제로 위성을 쏘아올리는 것은 매우 힘든 일이기도 하다. 만드는 것보다 훨씬 더 힘들다.대형인공위성과 비교하게 되면 위성 자체의 성능은 넘사벽으로 차이가 나지만, 위성을 여러 개 사용해야 하는 경우에는 이야기가 조금 달라진다. GPS처럼 복수의 위성을 필요로 하는 미션에 만일 소형인공위성을 사용할 수 있게 된다면 비용절감 효과가 극대화 될 수 있다. 위성을 24개 사용해야 하는데 위성 하나당 1000억씩 절약할 수 있다면? 2조4천억원이 절감된다.
4. 쉬운 점은?
일단 크기가 작고 무게가 적게 나가니 다루기가 쉽다. 자리 한번 바꾸는데 대형 크레인을 사용해야 하는 대형인공위성에 비하면 아무 생각없이 손으로 번쩍 들어올려서 옮길 수 있는 큐브샛을 생각해보자. 실험장비도 저렴하게 사용할 수 있는 경우가 많다. 진동시험을 하나 생각해보자. 1톤짜리를 흔드는 게 쉽겠나 아니면 100kg짜리를 흔드는게 쉽겠나? 비용은 생각하지 않더라도 1톤정도 나가는 물건은 흔들 수 있는 곳도 정해져 있다.비용이 비교적 적게 나가니 쓸데 없는 잔일도 줄어든다. 비용이 산처럼 들어가는 대형인공위성의 경우는 한번 실패하게 되면 여럿이 다치는 지라... 뭐 하나 고치는데 검토하고 또 검토하고 문서를 산더미처럼 쌓을 필요가 생기게 된다.
실적이 없는 신형소자나 신설계를 시험해보는 방법으로 아주 유용한 활용방안이다. 조금이라도 실패확율을 줄이기 위해서 극히 보수적인 설계를 해야하는 대형인공위성에서는 신형? 다른데서 써보고 실적 생기면 와! 라는 반응이 흔하다. 실패에 대한 부담이 상대적으로 적은 소형인공위성에서는
5. 어려운 점은?
대부분의 경우 비용이 적게 드는 것이 최대의 미덕인지라 부품선정에 제약이 따라온다. 대표적인 경우가 방사선에 내성이 있는 부품을 사용하기 힘든 때이다. 방사선에 내성이 있는 우주용 부품은 그 가격이 입이 떡 벌어지는 지라... 하나씩 둘씩 그런 부품을 사용하기 시작하면 비용은 안드로메다로 가게 되고... 소형으로 개발하는 의미도 같이 따라가게 된다.크기와 무게가 적게 나가기 때문에 발사비용도 적게 들지만, 대형인공위성을 쏘아 올릴때에 곁다리로 올라가는 경우가 대부분이다. 즉, 원하는 궤도를 선택하는 것이 극히 힘들게 된다. 영원히 기다릴 것인가? 아니면 로켓을 통째 사버릴 것인가? 로켓을 통째 사버릴 정도면 뭐하러 조그맣게 만드나?
대형인공위성의 경우는 사용하는 곳도 대형인지라 각종 인허가가 비교적 쉽게 나온다. 왠 인허가? 라고 생각할 지 모르지만 대표적인 경우가 주파수 사용권이다. 이 세상에 존재하는 주파수에는 공짜가 없어서... 인공위성용으로 할당된 주파수건 아마추어용이건 주파수를 사용하려면 우선 중앙전파관리소를 뚫어야 하고, 최종적으로는 ITU에서 허가가 떨어져야만 한다. 이 주파수 문제가 크게 심각해서... 교육용으로 만들어 보기만 하는 경우에는, 실제로 통신을 할 일이 없으니, 별 상관이 없지만 실제로 통신기능을 사용해야 하는 경우에는 각종 애로사항이 꽃을 피우게 된다. 허가없이 사용하면 위법이다. 미안하다라는 말로 얼버무리는 것은 생각도 하지마라. 전파의 위법사용은 생각외로 중죄이다.
6. 어떻게 만드나?
일반적으로 다음과 같이 파트를 나누어서 개발을 진행한다.[1] 물론 이것은 어떤 위성을 만들지 개념설계가 끝나있다는 가정하에서 설명한다.6.1. 구조, Structure
뭔가 물리적인 구조가 있어야 시작을 할 수가 있다. 위성의 골격부터 시작해서 기기의 설치 및 조립방법을 결정한다. 가장 많이 다루는 재료는 알루미늄합금. 가볍고 비교적 입수하기 쉽기 때문에, 그리고 남들이 다 쓰고 있으니까.위성이 어떻게 설치될지 협의를 해야하기 때문에 로켓과의 인터페이스를 담당하게 되는 경우도 많다. 뭐, 위성이 아주 작으면 신경쓰지 않아도 되지만 조금 덩치가 있다던지, 실리는 카메라가 조금 정밀하다던지 하면 열팽창에 의한 구조변화도 고려하게 된다.
6.2. 전원, Power
뭔가 불이 들어와야 움직이기 시작한다. 키홀같은 대형위성에서는 플루토늄238등의 원자력 전지를 사용하는 경우도 있지만, 소형위성에서는 백이면 백 태양전지를 전원으로 사용한다. 달리 선택지가 없고 남들이 다 쓰고 있으니까.위성이 사용하는 전력을 고려해서 태양전지의 설치면적과 설치패턴을 정하고, 충전지의 충방전회로를 구성하고 각 기기에 대한 전원공급을 제어하게 된다. 기본중에 기본인 분야로, 전원에 문제가 생기면 그 위성은 자동빵으로 수명종료가 된다.
6.3. 통신, Communication
뭔가 신호가 잡혀야 위성이 어떻게 돌아가는지 알 수가 있다. 송수신 안테나 패턴 분석 및 설치방법을 정하고, 송수신기의 설계 및 제작을 담당하게 된다. 어차피 쌍으로 돌아가기 때문에 지상의 지구국도 같이 담당하게 되는 경우가 많다.무슨 내용을 전하고 받을지를 정해야 하기 때문에 CDH와의 인터페이스도 중요하게 된다. 그리고 그전에 주파수사용에 대한 허가때문에 탈모가 진행되는 곳이기도 하다. 인공위성(우주국 또는 아마추어국)에 대한 허가 및 사용전검사, 운영처(일반지구국 또는 아마추어국)에 대한 허가 및 사용전검사를 전부 통과해야 정상적으로 운용이 가능하다. 아마추어국이 아니라면 전파 사용료도 고려해야 한다.
6.4. CDH, Command and Data Handling
뭔가 신호를 보냈으면 그 신호를 해석하고 필요한 자료를 준비할 필요가 있다. 간단히 말해서 위성에 들어가는 컴퓨터(OBC, On Board Computer)를 개발하고 프로그래밍을 담당하게 된다. 대형위성에서는 처음부터 내성이 있는 소자들을 사용하기 때문에 덜하지만 일반소자로 작업해야 하는 소형위성은 OBC가 방사선때문에 뻗는 경우가 많기 때문에 그에 대한 대책이나 시험도 담당하게 된다.RAD750같은 물건를 사용하면 방사선 걱정이 줄어들어서 편하겠지만 예산도 문제고 소비전력도 큰지라 감당이 안된다. 그리고 무엇보다 우주용은 군사용과 거의 동일한 지라 돈이 많아도 손에 넣기가 힘들다. 위성궤도에서의 방사선에 대해서는 후술하기로 한다.
위성을 어떻게 운용할지를 실제적으로 정하는 분야. 편하게 만들면 나중에 운용에 애로사항이 꽃핀다. 설정치 하나를 고치는데 여기저기 몇단계를 거쳐야 한다던지, 운용미스를 한번이라도 하면 위성이 뻗는다던지 말이다.
6.5. 자세제어, ADCS(Attitude Determination and Control System)
뭔가 자세가 잡혀야 할 수 있는 일이 많다. 당장 위성에 카메라라도 하나 달아서 사진을 찍는 경우에 자세제어가 안되면 저 하늘에 깜깜한 우주만 주구장창 사진이 나오게 된다. 지구를 보고 있더라도 서울을 찍고 싶은데 나중에 보면 평양이 찍혀있다던지.사용하는 센서나 액츄에이터가 전력같은 자원을 많이 소비하는 데다가 정확한 제어는 나름 경험이 필요하기 때문에 소형위성에서는 아직 개발여지가 많이 남아있는 분야이기도 하다.
궤도 유지 또한 중요한데, 보통의 인공위성들은 제논 추진체 혹은 전자추진을 활용하여 궤도를 유지한다. 스페이스X의 인터넷 위성 스타링크는 크립톤 추진체를 사용한다.
6.6. 미션, Mission
뭔가 목적이 있어서 그 고생을 해가면서 위성을 만들게 된다. 한마디로 위성의 목표달성을 위한 분야. 카메라가 대표적인 미션시스템중 하나이며, 통신이라던지 그 밖에 여러 가지 경우가 존재한다.어떤 미션을 수행하는지에 따라서 다른 분야가 결정되게 된다. 그래서 미션시스템 이외의 분야는 위성에서 버스시스템이라 따로 뭉뜽거려서 부르는 경우가 많다.
6.7. 시스템통합, System Integration
뭔가 꿰어야 보물이 된다. 각각의 분야가 좋은 구슬을 만든다면 그 구슬들을 하나의 보물로 꿰는 분야. AIT(Assembly Integration and Test)를 담당하게 된다.따로따로는 잘만 움직이던 놈들도 모이기만 하면 말썽을 부리기 시작하는지라... 위성 하나가 거쳐야 하는 시험도 가지가지여서 애로사항이 꽃을 피운다. 뱀다리지만 해외의 위성관련 구인광고가 가장 많이 나오는 분야중 하나이기도 하다. 왜냐고 묻지말자.
6.8. 운용, Operation
뭔가 매일 매일 위성과 씨름하게 되는 분야. 소형위성에서 아직 많은 사람들이 오해하고 있는 분야중 하나이기도 하다. 대부분의 경우 만들고 쏘아올리는 것도 버겁기때문에 그 뒤에 어떻게 운용을 하게 될지는 깊이 생각하지 않는 경우가 많다. 아르바이트로 사람들을 고용해서 운용하자는 충공깽스러운 이야기마저 듣는 경우도 있다. 위성에 대한 기본지식이 어느정도 요구되면서 특히 이상이 발생했을 경우에 신속정확하게 대응할 필요가 있기때문에 운용담당인력은 쉽게 얻어지는 것이 아니다. 개발팀이 그대로 운용팀이 되어도 담당분야 이외의 경우는 따로 교육을 받아야만 한다. 즉, 개발단계에서 운용팀을 따로 구성할 필요가 있다.거기에다가 흔히 마주치게 되는 태양동기궤도에서 돌고있는 위성의 경우 평균적으로 하루 4회 매일매일 운용하게 된다. 한두명으로 가능한 일이 절대 아니다. NASA에서 괜히 미쳤다고 그 많은 인원으로 운용팀을 구성하고 있는게 아니다. 지구국의 안테나가 지름 3미터를 넘는 크고 아름다운 사이즈라면 통신 관련 자격증을 보유하고 있는 인원을 필수적으로 끼워 넣어야 하며, 그게 아니더라도 여러 가지 법적 제한을 충족시키는 인원이 상주해야 한다.
[1] 다만 이 설명은 사실 소형위성에만 국한되는 것이 아니라 거의 모든 위성 개발에서 적용되는 방식이다. 물론 규모의 차이라던가 세부적인 차이 정도는 있다.