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과학기술 전문자료/인공위성 (satellite)

인공위성 자세제어용 구동기 (Actuator)


구동장치(Actuator)는 자세 조정(attitude adjustment)과 우주에서의 이동 (travel in space)을 함께 결정하며 이것은 구동장치가 위성에 토크 혹은 추진력을 부여함을 의미한다. 자세 구동기는 임무와 탑재체의 요구조건에 따라 사용될 수 있도록 여러 가지가 있다. 한편 인공위성의 자세제어용 구동기로서는 자장 토커(Magentic torquer), 모멘텀휠(Momentum wheel), 반작용휠(Reaction wheel), 추력기(Thruster) 등이 있다. 이중에서 자장 토커는 지구 자기장을 이용한 자석의 원리에 바탕을 두고 있고 반작용 휠은 모터 축에 달린 관성체(Inertia)의 회전과 위성체 동체 사이의 작용/반작용 법칙을 이용하여 자세기동을 위한 제어 토크(Torque)를 얻는다.



  자장 토커 (Magnetic torquer)  

▲ 자장 토커, 코일형, 막대형 (왼쪽부터)


자장 토커는 코일로 감겨진 원통형 봉이다. 자장 토커는 기준 축으로부터 비뚤어진 각도에 위치할 경우, 자기 쌍극자 모멘트를 발생시켜 지구의 자기장과 상호작용하여 제어 토크를 발생시켜 위성체를 회전시키는 장치이다. 자장 토커는 가볍고 저렴한 반면, 반응이 느리고 정확도가 1-2도 정도로 다른 작동기에 비해서 성능이 뒤지며, 주로 저궤도에서만 사용이 가능하다는 단점이 있다. 정지 궤도 위성의 경우 발생 토크가 적어서 효과가 상대적으로 감소된다.



  모멘텀 휠과 반작용 휠  

모멘텀 휠과 반작용 휠은 모두 고속으로 회전하는 휠을 이용하여 위성체의 자세를 제어한다. 예를 들어 자전거를 타고 이동할 때에는 잘 넘어지지 않지만 가만히 서있을 때에는 넘어지는 현상을 알고 있을 것이다. 이것은 자이로스코픽 강성이라는 특성에 의한 것인데 회전하는 물체에는 자신의 운동 상태를 유지하려는 힘이 작용한다. 따라서 자전거 바퀴가 회전하고 있으면 넘어지려고 바퀴가 기울어도 반대 방향으로 힘이 작용하게 된다. 이것이 바로 모멘텀 휠과 반작용 휠이 작동하는 원리이다.

▲ 반작용 휠(Reaction wheel)


반작용 휠과 모멘텀 휠은 자이로스코픽 강성을 이용하여 인공위성의 자세를 제어한다. 이들은 인공위성의 회전속도를 가변적으로 제어 할 때 사용이 가능하며, 빠르고 정확하게 위성의 자세를 제어하거나 안정화시키기가 용이하다는 장점이 있다. 그러나 고속으로 회전하는 부분의 유지와 마찰로 인한 문제가 발생할 수도 있다는 단점이 있어, 2차적으로 전체 각 운동량을 제어할 장치가 요구되기도 한다. 10내지 15년 정도의 수명을 요하는 정지궤도 위성의 경우 휠에 대한 마찰력, 진동, 윤활에 관련한 부분이 특히 문제가 된다. 일반적으로 휠은 진공으로 밀폐된 용기 속에서 회전하고, 회전 원심력을 이용하여 가해지는 미세한 양의 윤활유로 수개월간의 윤활이 가능하도록 특수하게 설계되어 있다.

▲ 모멘텀 휠(Momentum wheel)


모멘텀 휠은 위성체 내부에 정속으로 회전하는 휠을 장착하여 회전 안정화 방법을 통해 위성의 자세를 유지하는 방법으로 회전 안정화 방법의 단점을 극복하고 안테나, 센서 등이 관성목표를 지향 할 수 있도록 할 수 있는 것이 장점이다. 반작용 휠은 휠의 회전속도의 변화를 통해서 제어 토크를 발생 시키는 방식으로 높은 자세 지향 정밀도를 가지며 주기적인 외부 교란토크를 흡수하여 위성의 안정성을 제공한다. 또한 회전기둥(Slew Maneuver)을 실행하는데 적합하고 다양한 크기의 모멘텀(Momentum)을 발생할 수 있는 자세제어용 구동기로 천문위성이나 지구관측위성과 같이 비교적 정밀한 자세 변환을 요구하는 위성에 많이 사용된다.

모멘텀 휠의 경우 0.1 정도, 반작용 휠은 0.01 정도의 자세지향 정확도를 얻을 수 있다.



  추력기 (Thruster)  

▲ Hall Thruster


가스제트 추력기는 가스제트의 방출에 의한 반작용을 통해서 힘을 얻고, 질량 중심으로부터 추력기의 모멘튼 암과의 곱에 의한 토크를 발생시켜 인공위성을 수평이동 시키거나 회전시킬 수 있도록 하는 작동기이다. 추력기는 일반적으로 임무궤도에서의 위성체 자세제어, 전이 궤도에서의 위성체 회전율 제어, 세차운동 제어, 모멘텀 휠의 속도 제어, 그리고 궤도수정 등에 사용된다. 추력기의 온도나 연료탱크의 압력 등은 원력측정 장치를 통하여 지상 관제소로 연속적으로 송신되어 운용정보로서 이용된다.

▲ 이온 추력기

추력기를 사용하여 자세를 제어하는 경우 0.1도 정도의 정확도를 얻을 수 있으며 빠른 기동을 수행할 수 있다는 장점이 있으나, 탑재 연료를 사용하므로 소모성이고 고가의 장비라는 단점을 갖는다. 대부분 위성의 경우 제한된 탑재 연료량이 위성의 수명을 결정하는 가장 주된 원인이 된다. 마이크로 추력기는 미세한 추력을 가지는 소형 추력기로서 연료가 분사되는 반작용으로 자세를 제어한다. 하이드라진 추력기와 이온 추력기, 펄스 플라즈마 추력기, 홀 추력기 (Hall Thruster)등이 있다.


  전문 자료  

더욱 자세한 내용을 알고싶다면 서울대학교 항공우주공학과 김유단 교수, 충남대학교 항공우주공학과 방효충 교수, 인하대학교 항공우주공학과 김진호 교수가 공동집필하여 제어, 자동화, 시스템 공학회지 (제 3권, 제 2호, 1997년 5월)의 [계측 및 제어기기 기술 특집]에 게재된 "인공위성 자세제어용 센서와 구동기" 학술지를 참고하길 바란다. 학술지 바로보기 클릭



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