300300킬로의 거리의 동전을 조준, 허블 우주 망원경
▣ 주제의 인공 위성의 이야기-(9)
(그림 1)허블 우주 망원경 http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Hst_sts82.jpg
신비스럽고 푸른빛을 발하는 수많은 은하들. 몇 개인지 셀 수 없는 토성의 아름다운 고리. 목성의 위성 여러 형태의 성단과 성운들 수십 억광년 밖의 크에이사ー( 준 항성체). 어쩌면 블랙 홀일지도 모른다 여러 후보들. 이 모든 천체의 신비적이고 맑은 모습을 영상으로 찍어 지구로 전달하는 역할을 10년 이상 수행하고 온 인공 위성이 허블 우주 망원경입니다.
천문 관측용 인공 위성에는 허블 우주 망원경 외에도 미국의 코비(COBE)오 에이 오(OAO)가 렉스(GALEX), 유럽의 XMM, 아이라스(IRAS)일본의 아스트로(Astro)시리즈 등 많은 위성이 있지만 가장 널리 알려졌으며 많은 활약을 펼침을 꼽으라면 단연 허블 우주 망원경이 최고죠.
우주의 팽창을 발견한 미국의 천문학자 에도윈·허블(1889년~1953년)의 이름을 따서 명명된 허블 우주 망원경은 1990년 4월 우주 왕복선 디스커버리호에 따른 지구 상공 약 570km지점의 우주 궤도에 태웠습니다.
긴 원통형으로 길이가 약 13.2m, 태양열 집적판을 포함한 폭이 약 4.2m이지만 양측에 붙어 있는 태양 전지판을 제외하면 고속 버스의 크기 정도 될 겁니다. 두개의 태양 전지 패널로 생산되는 전력은 약 2800와트에서 100와트 전구를 28개 붙이는 것에 맞먹는 전력입니다.
차의 배터리 20개의 우주용 배터리를 쌓고 전체 무게는 약 11톤, 지구 주위를 한바퀴 도는 데 걸리는 시간은 1시간 37분입니다. 시속은 약 28000km/h, 초속에서는 7.8km/s의 매우 빠른 속도로 지구 주위를 회전하고 있습니다.
허블 우주 망원경이 갖는 특징 중 다른 인공 위성에 비해서 가장 눈에 띄는 것이 있다면 뭐래도 관측 목표를 오랫동안 정확하게 볼 수 있는 지향 정확도와 안정도요.
(그림 2)허블 우주 망원경의 내부 구조 http://www.spacetelescope.org/images/screen/instruments.jpg
지향 정확도는 얼마나 세세한 방향을 구분하는지를 말하며 안정도는 망원경이 얼마나 흔들리지 않고 한 지점을 고정적으로 바라볼 수 있는지를 의미합니다. 허블우주망원경은 지금까지 발사된 어떤 위성보다도 가장 뛰어난 지향 정확도와 안정도를 자랑합니다.
허블 망원경의 지향 정확도는 각도로 약 0.007초인데 이는 약 1.6㎞ 거리에서 머리카락 두께 정도의 틈새를 구별할 수 있다는 의미입니다. 그리고 안정도도 뛰어나서 만약 300 킬로미터 밖에서 망원경의 지향점의 흔들림을 측정한다면 그 흔들림의 정도가 10엔 동전 이상은 벗어나지 않을 정도입니다. 거의 흔들림이 없다고 할 수 있습니다.
그렇다면 이처럼 허블 우주 망원경을 안정적이고 정밀하게 목표로 하는 것은 어떤 원리에 의한 것일까요? 그것은 허블우주망원경에 장착되어 있는 자세제어장치가 매 순간 망원경의 지향 방향을 매우 정밀하고 안정적으로 조정해주기 때문에 가능한 일입니다.
허블 망원경뿐만 아니라 모든 인공위성에는 자세제어장치가 탑재돼 있어 통신용 안테나 또는 지구관측용 카메라의 방향이 흔들림 없이 원하는 방향으로 향하도록 조정하는 기능을 담당하고 있습니다.
인공위성 자세제어장치는 현재 자세를 감지하기 위한 센서, 감지된 자세측정치의 잡음을 제거하고 목표치와 비교하여 자세오차와 보정값을 계산하는 소프트웨어, 그리고 보정치만큼의 자세오차를 직접 수정하는 구동장치로 구성됩니다.
우선 현재 자세가 어떤 상태로 되어 있는지를 감지하기 위해서는 인공위성의 지향 방향이 어디로 향하는지 알아야 하는데 이때 사용되는 것이 자이로스코프, 지구센서, 태양센서, 별센서입니다. 보통 자이로스코프는 반드시 장착되고 나머지 지구, 태양, 별 센서는 필요에 따라 한두 개를 장착하게 됩니다.
자이로스코프는 아이들이 과학 실험에 사용하거나 장난감을 가지고 노는 우주 팽이와 비슷합니다. 즉, 원형틀 안에 주변과 분리되어 회전하는 무거운 원반이 들어있고, 틀 즉 인공위성본체의 자세가 바뀌어도 원반의 회전방향은 변하지 않는 원리를 이용하여 위성본체의 자세가 얼마나 어긋나는지를 판단하게 됩니다.
지구, 태양, 별 센서는 각각의 천체를 기준으로 위성이 어디를 지향하는지 측정하는 원리입니다. 이때 정확도는 태양 센서가 가장 낮고 별 센서가 가장 높습니다. 그에 따라 가격 역시 태양 센서가 가장 낮고 별 센서가 가장 비싸죠.
태양센서나 지구센서의 정확도가 별센서보다 낮은 이유는 태양이나 지구는 천구상에 하나밖에 없고 인공위성으로 봤을 때 기준 목표물이 너무 크기 때문에 기준점(태양이나 지구 중앙)이 어딘지 명확하지 않기 때문입니다.
반면 별 센서는 기준 목표인 별이 우주 공간에 무수히 많을 뿐 아니라 그 각각이 이 점에 불과하기 때문에 정밀한 각도 측정이 가능해집니다. 다만 센서에 포착된 별이 목록상의 수백 내지 수천 개의 별 중 어느 것인지를 순간적으로 정확하게 판단해야 하기 때문에 이를 개발하기 위해서는 그만큼 어려운 기술이 필요해집니다. 물론 그에 따라 센서의 가격도 올라가는 것이군요.(그림 3) 인공위성에 사용되는 반작용 휠
둘째, 자세측정치와 지향하고자 하는 목표와의 오차를 계산하여 보정값을 계산하는 소프트웨어를 만들기 위해서는 ‘제어이론’이라는 분야의 기술이 필요합니다.
이는 공학계열에서 대학 수준 이상의 학업을 이수하고 오랜 경험을 가진 전문가들이 각각의 위성에 맞는 제어 알고리즘을 개발해 적용함으로써 인공위성마다 본체의 크기와 모양, 센서 종류와 구동장치의 특성이 모두 다르기 때문에 각 위성이 각기 다른 ‘제어 소프트웨어’를 탑재하게 됩니다. 보통 복잡한 수식과 다양한 절차를 밟아 보정값을 계산하게 됩니다.
마지막으로 자세 오차를 보정하기 위해 사용되는 구동기에는 대표적인 것으로 반작용 휠(Reaction Wheel)과 추력기(Thruster)가 있습니다. 반작용 휠과 추력기는 모두 작용/반작용 원리를 이용한 것입니다. 반작용 휠은 고속으로 회전하는 무거운 원반의 회전 속도를 조절함으로써 위성 본체의 각도를 바꾸는 장치입니다.
(그림4) 허블우주망원경의 자세제어장치 http://www.thetech.org/exhibits_events/online/hubble/direction.html
수천RPM(Round Per Minute)에서 회전하는 원반의 속도를 올렸다 내렸다 하면 원반의 속도 변화에 따른 운동량 변화가 위성 본체의 회전을 가져오는 원리를 이용한 것입니다. 이때 원반의 회전속도 변화가 위성의 한 축에만 영향을 미치기 때문에 세 축의 모든 변화를 위해 세 개의 반작용 휠이 세트로 장착되고 거기에 예비로 한 개의 휠이 추가로 장착되며 통상 반작용 휠 네 개가 한 시스템으로 되어 있습니다.
그리고 추력기는 위성에 탑재된 하이드라이진 연료를 짧은 순간에 연속적으로 필요한 만큼 분사하여 위성의 자세를 바꾸는 장치입니다. 연료 사용을 줄이기 위해 대부분의 위성들이 평소 연료 소모가 필요 없는 반작용 휠을 주로 사용하고 크고 빠른 움직임이 필요할 때에는 추력기를 사용해 자세를 조정합니다. 세세한 움직임이 요구될 때에도 반작용 휠을 주로 사용합니다.
(그림5) 허블우주망원경 반작용 휠 교체장면 http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/5_rwa_04.jpg
(그림6) 태양전지판 교체작업 http://sm3b.gsfc.nasa.gov/art/image_gal/stills/mission/4_sa3_26.jpg
허블우주망원경에는 이렇게 4개의 반작용 휠, 3개의 별센서, 3개의 고성능 자이로스코프가 장착돼 있고 자세제어 소프트웨어가 1초에 15회씩 자세를 측정해 매 순간마다 오차를 수정하고 있기 때문에 앞서와 같은 고정밀, 고안 정도의 지향성을 유지할 수 있는 것입니다.
허블우주망원경의 내부 구조를 살펴보겠습니다. 허블우주망원경의 내부 구조는 일반적인 반사식 천체망원경과 비슷한 형태를 띄고 있습니다. 허블망원경에는 직경 2.4m의 주반사경과 30cm의 부반사경, 경통, 각종 관측장비, 전기공급장치, 보호커버, 통신장치, 자세 및 궤도조절장치 등이 장착되어 있습니다. 각 장치의 부품이 낡아 고장이 나거나 성능이 저하되면 우주왕복선에 새 부품을 싣고 올라가 수리하거나 교체하기도 합니다.
(그림7) 외부 은하 M84에 있는 블랙홀 후보 http://imgsrc.hubblesite.org/hu/db/1997/12/images/a/formats/web_print.jpg
허블우주망원경은 지구 대기권 밖에 위치하기 때문에 지상에서 볼 수 없었던 예쁜 영상을 많이 보내주었습니다. 수많은 은하와 성단, 행성의 아름다운 영상을 볼 수 있었고 더 신비한 영상도 많이 볼 수 있었는데 그 중 하나가 블랙홀 후보를 촬영했다(그림 7)입니다.
M84 외부 은하의 중심부를 촬영한 것입니다만, 우측의 분광 사진으로 별이 큰 S자형으로 움직이는 것을 알 수 있습니다. 이는 이 별이 사진에는 찍히지 않은 중앙의 한 별을 중심으로 공전한 것을 의미합니다.
크고 밝은 별을 휘두를 정도의 중력을 가지면서도 사진에는 거의 찍히지 않은 무언가가 중심부에 있을 것으로 추측되는데, 혹시 그것이 블랙홀이 아닐까 추측되고 있습니다. 기술이 더 발전하면 언젠가는 블랙홀을 직접 관측할 수 있는 우주망원경도 등장하지 않을까요.