宇宙放射線遮蔽로 超小型衛星壽命 늘린다

東亞닷컴
入力 2024年 5月 14日 18時 09分

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지난 2024年 5月 7日, 科學技術情報通信部(以下科技情通部)와 韓國航空宇宙硏究院(以下航宇硏)이 오는 24日까지 누리號 4次發射에 搭載할 不搭載衛星 6期에 對한 公募를 進行한다고 發表했다. 來年下半期(2025年 11月豫定)에 發射할 豫定인 누리號 4號의 駐搭載衛星은 ‘次世代重刑衛星 3號’다. 駐搭載衛星과 함께 公共活用 및 國內産業體技術力量提高를 위해 衛星開發力量을 保有한 國內産業體 및 硏究機關을 對象으로 副搭載衛星을 公募한다.

副搭載衛星은 約 3週間의 公募期間 동안 衛星 및 發射體分野專門家로 構成된 評價委員段이 ‘任務 및 開發計劃’, ‘共謀機關의 衛星開發力量’, ‘品質 및 安全性’ 等을 綜合評價해 選定할 豫定이다. 不搭載衛星選定規模는 國內企業 및 硏究機關開發한 超小型級 큐브(Cube) 衛星 6期(6U 3期, 3U 3期豫定)이며, 公共活用目的의 任務를 갖출 境遇發射費用을 免除 받을 수 있다.

누리호 4차 발사 부탑재위성(산·연) 공모, 출처=한국항공우주연구원 — 누리號 4次發射不搭載衛星(山·硏) 共謀, 出處=韓國航空宇宙硏究院

지난 2023年 5月, 누리號 3次發射當時에는 駐搭載衛星으로 次世代小型衛星 2號를 搭載하고, 副搭載衛星으로 公募를 통해 韓國天文硏究院의 도요샛, 壘미르의 LUMIR-T1, 카이로스페이스의 KSAT3U, 져스텍의 JAC 等總 7基를 選定해 搭載하고 發射한 바 있다.

지난 2023년 5월 25일 성공한 누리호 3차 발사 모습, 출처=한국항공우주연구원 — 지난 2023年 5月 25日成功한 누리號 3次發射 모습, 出處=韓國航空宇宙硏究院

누리號 4次發射副搭載公募發表와 함께 이창선 科技情通部巨大公共硏究政策官은 “누리號發射同伴搭載는 國內産業體와 硏究機關에게 있어 超小型 큐브衛星 플랫폼의 宇宙技術檢證과 헤리티지 確保를 위한 좋은 機會가 될 것”이라며 “누리號不搭載衛星發掘을 통해 國內宇宙航空分野 산·학·연 主體의 技術競爭力强化 및 販路開拓에 寄與하는 든든한 플랫폼을 提供할 것”이라고 말했다.

뉴스페이스 時代가 다가온다

뉴스페이스(New Space)는 民間企業이 宇宙開發을 主導하는 時代를 일컫는다. 過去政府主導로 宇宙를 開發한 時代를 '올드 스페이스(Old Space)'라고 부르는 것에 對比되는 槪念이다. 宇宙開發은 莫大한 投資費用對比 낮은 經濟性으로 인해 主로 政府主導下에 軍事的目的이나 科學的探究를 目的으로 進行했다. 政府가 國家豫算을 바탕으로 宇宙開發하고 民間大型業體가 關聯 프로젝트에 參與하는 方式이 週였다.

하지만, 人工知能, 事物인터넷, 3D 프린터 等의 4次産業革命과 宇宙開發經驗이 融合되며 民間企業들도 宇宙産業開發領域에 進出, 새로운 機會를 創出하고 있다. 遠隔感知, 海上 내비게이션, 地球觀測, 災難管理 서비스 等에 活用할 수 있는 觀測 서비스, 大型衛星의 短點을 補完한 衛星情報와 低遲延超高速通信環境을 具現하는 通信 서비스 等이 代表的이다.

출처=초소형위성 및 6G 위성통신기술 개발 방안, 비상경제 중앙대책본부 겸 혁신성장전략회의 — 出處=超小型衛星 및 6G 衛星通信技術開發方案, 非常經濟中央對策本部兼革新成長戰略會議

뉴스페이스의 主導的役割을 해온 企業中의 하나가 스페이스X다. 스페이스X는 再活用할 수 있는 宇宙發射體를 開發해 以前보다 低廉한 費用의 衛星搭載 및 發射 서비스를 提供하고 있으며, 低軌道群集人工衛星을 利用한 ‘스타링크’ 通信事業을 提供한다. 지난 2019年부터 스타링크 衛星을 쏘아 올린 스페이스X는 現在低軌道에 約 5500基의 衛星을 配置했고, 오는 2027年까지 1萬 2000期까지 늘릴 計劃이다. 2023年末基準世界 60國 200萬名이 스타링크 衛星通信 서비스를 使用하고 있다.

2020년 6월 22일 기준 지구 상공에 떠 있는 스타링크 인공위성 궤도, 출처=한국천문연구원 — 2020年 6月 22日基準地球上空에 떠 있는 스타링크 人工衛星軌道, 出處=韓國天文硏究院

우리나라도 뉴스페이스에 對備하고 있다. 지난 2024年 4月 24日, 國內 첫 量産型超小型群集衛星 ‘네온셋 1號’ 發射에 成功했으며, 오는 2027年까지 10基를 追加發射해 11基를 同時에 運用할 計劃이다. 超小型衛星 11基를 連結해 活用하는 群集衛星은 各各의 超小型衛星이 서로 補完하며 同一한 任務를 遂行할 수 있도록 돕는다. 마치 戰鬪機가 編隊飛行을 하며 作戰을 遂行하는 것과 같다. 群集衛星을 모두 確保하면 하루 3番以上 준 實時間水準으로 韓半島全域을 觀測할 수 있다.

누리號發射成功以後政府는 民間宇宙産業을 키우기 위해 努力中이다. 民間이 主導하는 宇宙開發, 뉴스페이스 生態系活性化다. 超小型衛星發射 및 搭載機會를 꾸준히 提供하는 理由다.

超小型衛星으로 열리는 뉴스페이스 時代

一般的으로 무게 100kg 以下의 衛星을 超小型衛星이라고 말하며, 가로·세로·높이 10cm의 六面體에 質量 1.3kg 水準의 超小型衛星을 큐브衛星(큐브샛, Cubesat)으로 區分한다. 比較的定型化된 形態로 製作되는 큐브衛星은 1U(Unit), 2U, 3U 크기와 質量等을 規格化하고 있다. 이러한 規格化以後 스타트業等民間企業의 參與는 活潑해졌다.

特히, 超小型衛星의 가장 큰 長點은 費用이다. 中大型衛星과 比較해 開發期間도 짧고 開發費用도 싸다. 스타트업과 같은 民間企業이 宇宙衛星製作 및 開發에 參與하는 理由中 하나다. 예전처럼 衛星을 반드시 多目的으로 무겁고 크게 만들 必要가 없어진 만큼, 다양한 서비스 需要에 對應하는 超小型衛星, 큐브衛星을 製作할 수 있다.

조선대 연구진이 큐브위성을 점검하고 있는 모습, 출처=과기정통부 — 朝鮮大硏究陣이 큐브衛星을 點檢하고 있는 모습, 出處=科技情通部

다만, 큐브衛星의 壽命은 比較的 짧다. 10年程度의 任務壽命으로 製作하는 多目的中大型衛星과 比較해 超小型衛星의 任務壽命은 3年程度에 不過하다. 1年以內故障率은 58%에 達한다. 故障나면 빠르게 製作해 다시 發射할 수 있지만, 낮은 任務壽命은 改善할 必要가 있다.

超小型衛星의 높은 故障율 發生環境 1位는 宇宙放射線 때문이다. 宇宙放射線(64%), 原因不明(21%), 太陽風(8%), 磁氣暴風(3%), 儒城(2%), 日蝕(2%) 巡이다(A Study of on-orbit spacecraft failures, Siamak Tafazoli, 2009). 宇宙放射線 때문에 衛星의 電子裝備(45%), 構造體(32%) 等이 故障나는 境遇가 大部分이다. 宇宙放射線이 衛星에 미치는 影響은 半導體累積損傷(性能低下), 하나의 高에너지 重이온이 半導體를 貫通하면서 內部元素들의 位置가 變化해 發行하는 誤謬(元宵位置變化), 宇宙放射線이 電子部品에 浸透해 回路에 펄스 信號를 發生시키는 現象(瞬間誤謬) 等이 있다.

超小型衛星任務壽命을 늘릴 수 있다

스페이스앤빈은 超小型衛星의 壽命을 늘리기 위해 努力하고 있는 企業이다. 衛星의 株故障原因人宇宙放射線과 같은 宇宙環境을 미리 分析해 對備할 수 있도록 ‘超小型衛星常用電子部品(코츠, COTS) 搭載 솔루션(시뮬레이션을 통한 任務別 맞춤型宇宙環境分析 서비스)’을 開發했으며, 宇宙放射線을 遮蔽할 수 있는 遮蔽 하우징과 큐브衛星을 製作하고 있다.

초소형위성 상용 전자부품 탑재 분석 솔루션, 출처=스페이스앤빈 — 超小型衛星常用電子部品搭載分析 솔루션, 出處=스페이스앤빈

民警令 스페이스앤빈 代表(以下 민 代表)는 “超小型衛星은 旣存中大型衛星對比低廉한 價性比가 强點이다. ‘더 많이, 더 가볍게’ 製作해야 한다. 짧은 任務壽命을 勘案해 製作하고 開發하더라도 1年內 58%라는 높은 故障率은 낮춰야 하는 宿題다. 事實 짧은 壽命도 改善할 수 있다면 고쳐야 하지 않겠나”라며, “中大型衛星은 10年이라는 任務壽命을 갖추기 위해 宇宙級電子部品을 使用하지만, 그만큼 비싸다. 性能도 좋지 않다. 이를 商用電子部品으로 代替한다면, 低費用에 高性能을 갖출 수 있다”라고 말한다.

實際로 海外衛星開發社의 境遇衛星의 任務 및 要求機能에 따라 商用電子部品을 活用하는 事例는 繼續 늘어나고 있다. 쉽게 말해, 비싸고 무거우며 부피가 큰 펜티엄級性能의 宇宙級 CPU를 一般的으로 使用하는 高性能 PC의 常用 CPU로 代替하는 일이다. 이처럼 常用電子部品을 宇宙放射線等宇宙環境에 活用할 수 있다면, 超小型衛星과 같은 衛星의 製作費用을 낮추고 開發期間도 劃期的으로 줄일 수 있다.

민 代表는 “優先的으로 年內 시뮬레이션을 선보인다. 衛星搭載裝備, 運用軌道, 遮蔽要求度에 맞춰 要求性能을 分析해 提供하는 시뮬레이션이다. 衛星運用高度別放射線은 種類가 다르다. 때문에 遮蔽素材의 種類와 遮蔽順序를 다르게 使用해야 한다. 高度別放射線量이 다르므로 衛星運用種類(高度)別로 遮蔽性能(무게)를 다르게 해야 한다”라며, “遮蔽素材別放射線吸收線量을 分析하고, 常用電子部品을 活用할 수 있는 솔루션을 提供할 計劃이다”라고 說明했다.

이 같은 計劃에 맞춰 스페이스앤빈은 製品性能立證 프로세스를 갖췄다. 半導體放射線評價方法, 半導體故障율 分析, 半導體構造分析等을 提供하고, 宇宙級半導體試驗認證機關과 專門家를 活用해 誤謬率試驗, 信賴性試驗, 構造分析等을 提供한다. 시뮬레이션 結果導出한 遮蔽素材와 積層方法에 따라 最適의 遮蔽를 위한 製品도 製作해 提供할 豫定이다.

IT東亞 권명관 記者(tornadosn@itdonga.com)