Beyond the Space

흔히들 우주는 무중력의 매우 고요한 상태를 유지하고 있기 때문에 우주에 올라가 있는 인공위성들은 어떠한 힘도 받지 않을 것이라고 생각합니다. 분명 거시적으로 본다면 인공위성에 가해지는 힘은 크게 지구의 중력과 인공위성의 궤도 속도로 인한 원심력이 거의 평형을 이루고 있기 때문에 그러한 생각이 맞습니다. 하지만 미시적으로 본다면 실상 굉장히 많은 종류의 힘이 인공위성에 가해지고 있습니다. 이 힘들은 인공위성의 자세를 흐트러뜨리고 궤도를 떨어뜨리는 등의 영향을 미치기 때문에 통틀어서 '외란'이라는 명칭으로 부릅니다.

인공위성은 이러한 외란의 영향으로 추위에 떠는 것 처럼 몸을 부르르 떱니다. 이것은 jitter라는 특수한 형태의 진동 때문인데요. jitter는 인공위성에 가해지는 고주파의 진동을 말하는 것이지요. 쉽게 말하면 약하지만 굉장히 빠르게 인공위성이 흔들리는 것입니다. 지금 자신의 컴퓨터 본체를 손으로 만져보세요. 그러면 손에 아주 미세한 진동이 느껴지실 겁니다. 지금 느끼신 진동도 jitter의 일종인 셈이지요.

컴퓨터 본체에서 느껴지는 진동의 원인은 무엇이겠습니까? 아마도 대부분은 컴퓨터 내부에서 열심히 돌아가며 자기 할 일을 충실히 수행하고 있는 냉각 팬의 영향일 것입니다. 이 냉각 팬의 회전 축과 그 질량 중심이 이론적으로 완벽하게 일치한다면 진동이 발생하지 않습니다. 하지만 세상 일이란 것이 그렇게 쉽게 돌아갈 일은 없는 것이며 덕분에 회전축과 질량 중심 사이에 작지만 분명한 오차가 존재합니다. 이 오차가 크면 클수록 진동은 더 커지고 나아가서는 웅웅 거리는 소음까지 발생시키지요.

인공위성에서도 마찬가지 입니다. 인공위성의 jitter 원인은 여러가지가 있지만 그 중에서도 인공위성에 탑재되는 모터 종류나 momentum/reaction wheel이 가장 큰 역할을 합니다. momentum/reactoin wheel은 간단히 말하면 회전하는 작은 디스크 입니다. 이 디스크에 모터를 달아서 수천 rpm의 속도로 회전시키면 그 결과로 인공위성의 자세를 제어할 수 있는 힘을 발생시킬 수 있지요. 그런데 아주아주 정밀하게 만들어지는 이 wheel 조차도 어쩔 수 없이 회전축과 질량 중심 간의 오차를 가집니다. 따라서 컴퓨터 냉각 팬과 같이 미세한 진동을 일으키고 이것이 인공위성 jitter의 가장 큰 원인이 됩니다.

jitter라는 것은 앞에서 말씀드렸 듯이 미세하지만 빠른 진동입니다. 진동의 세기 자체는 그리 크지 않지요. 그렇다면 이게 왜 문제가 되는 걸까요? jitter는 보통 관측위성에 상당한 고민거리를 안겨줍니다. 관측 위성은 지구를 0.01도 수준으로 정밀하게 바라봐야 하는데 이 미세한 진동이 사진의 질을 흐려버리니까요. 우리가 디카 찍을 때 손이 떨리는 역할을 jitter가 담당하는 것입니다.

디카에 손떨림 보정 기능이 있는 것 처럼 인공위성에도 jitter를 극복하기 위해 다양한 방법들을 사용합니다. wheel과 위성사이의 장착면에 적절한 완충재를 끼워넣어서 진동을 감쇠시키기는 방식은 저렴하고 쉽게 적용할 수 있기 때문에 예전부터 인공위성에 널리 사용되었습니다. 하지만 이러한 방법은 진동의 감쇠 효과에 한계가 있고 예측 하지 못한 진동의 경우에는 대처할 수 없기 때문에 요즈음에는 제어기를 사용하여 능동적으로 진동을 분리시켜버리는 방식이 많이 연구되고 있습니다. wheel이 흔들리는 만큼 역으로 흔들어줘서 wheel의 진동이 위성체까지 전달되지 않도록 하는 방식이지요. 여기에는 지능형 구조물이나 음성 코일 구동기를사용한 진동 분리 장치가 있습니다.