우주 임무를 유지하는 고대 기술

우주 임무를 유지하는 고대 기술에 대해 알아보겠습니다.

두 개의 보이저 탐사선을 포함한 우주 탐사 임무의 태양계 탐험 - 예상과 다른 공중 부양 기술

1996년 6월 4일, 프랑스령 기아나의 유럽 우주센터...
유럽의 네 개의 동일한 클러스터 위성을 설계하고 건설하는 데 10년 이상이 걸렸고, 거대한 화염구에서 모두를 잃는 데 단지 39초가 걸렸습니다.
아리아나 5 로켓이 궤도에서 벗어나 폭발함에 따라 그들의 잔해가 남미 정글 위로 내리쏘게 되었습니다. 잠시 전까지 야외 전망 갤러리에서 샴페인을 마시던 VIP들은 떨어지는 잔해로 인해 부상을 피하기 위해 다시 실내로 안내되었습니다.
이 재앙은 유럽 우주 기구(Esa)의 가장 눈에 띄고 장엄한 실패 중 하나였습니다. 그러나 몇 달 만에, 클러스터 II 대체 임무에 대한 작업이 시작되었습니다.

태양으로부터의 전하 입자인 태양 풍과 지구를 둘러싼 자기 구형체인 지자기권 간의 상호 작용을 조사하기 위해 진형 비행하는 것이 목적인 클러스터 II는 역사상 가장 성공적이고 오래된 과학 임무 중 하나로 평가됩니다. (묻는다면, Rumba, Salsa, Samba 및 Tango로 명명된 위성들이 방금 궤도 상에서 23주년을 기념했습니다.
독일 담슈타트에 있는 유럽 우주 운용 센터(Esoc)의 클러스터 임무 운영 매니저 브루노 수자는 말합니다. "이 임무는 단 3년간만 지속될 것으로 설계되었습니다. 이 임무에 참여한 매우 열정적인 과학자 그룹이 있습니다. 그들 중 일부는 마침내 임무가 종료되어 은퇴를 즐길 수 있을 것을 기다리고 있습니다."
클러스터는 공학 및 과학 팀의 기술과 창의력 덕분에 오늘날까지 여전히 살아 있는 여러 임무 중 하나입니다. 그들은 고장, 오작동 및 거의 재앙적인 실패를 통해 문제를 해결했습니다. 원래의 사용 기한 이후에도 우주선을 유지하는 이러한 도전은 최근 컨트롤러가 잠시 동안 보이저 2와의 연락을 잃었을 때 강조되었습니다.
1977년에 거의 46년 전에 발사된 쌍둥이 보이저 탐사선은 태양계를 넘어서부터 계속 데이터를 송신하고 있습니다.
나사와 확인한 결과, 2017년에 방문한 자신이 작성한 "임무 중요 하드웨어 - 만지지 마십시오"라는 집에서 만든 CARDBOARD 표지가 붙은 JPL의 부속 건물의 같은 베이지색 작은 작업실에서 여전히 우주선을 제어하고 있다고 확언했습니다. (여기에서 이 임무의 전체 이야기를 읽을 수 있으며, 여기에서 제작한 라디오 프로그램을 들을 수 있습니다.)

클러스터 임무 컨트롤러들에게는 익숙한 설정일 것입니다. 그들은 구식 운영 체제에 기반을 둔 20세기 지상 제어 소프트웨어와 싸워 왔습니다.
수자는 말합니다. "우리는 현대적인 리눅스 서버가 구식 운영 체제의 에뮬레이터를 실행하는 가상 환경을 갖춘 복잡한 설정을 개발했습니다. 소프트웨어를 실행하는 사람은 원래 팀의 일원이며, 임무가 끝나면 은퇴할 것입니다."

전원도 문제였습니다. 클러스터 위성에는 전기를 위한 태양 전지판이 장착되어 있지만, 매년 두 번씩 지구 그림자에 들어가 배터리가 필요합니다.

수자는 말합니다. "배터리는 단 5년간만 지속될 것으로 설계되었으며, 6년이 지나면 용량이 감소하기 시작했습니다. 그 후 균열이 발생하고 결국 누설이 발생하여 완전히 사용할 수 없게 되었습니다."
해결책은 위성이 일식에 접근할 때 위성의 전원을 차단하고 자동 순서대로 재부팅 신호를 보내는 것이었습니다. 이것은 클러스터에게 매년 두 번의 공장 초기화를 주는 것과 같습니다. 사실, 우주선 사후 관리에 있어서는 제조업체들이 종종 개입하도록 요청됩니다.

예를 들어, 에사의 10m(33ft) 길이의 XMM-Newton 우주 망원경을 살펴보겠습니다. 에어버스에서 건설되었으며 먼 은하로부터의 엑스레이 방출을 조사하기 위해 설계된 이 거대한 망원경은 24년 동안 흑구들을 관측하고, 별의 탄생과 죽음을 목격하며 보이지 않는 우주에 대한 우리의 이해를 변화시켰습니다. 그러나 임무가 시작된 지 10년이 지난 시점에서 이 망원경은 나이를 드러냈습니다.
많은 인공위성들과 마찬가지로, XMM-Newton은 조종용 스러스터를 갖추고 안정성을 유지하기 위해 반동 바퀴를 사용합니다. 태양 전지판으로 전원을 공급받아 이 바퀴들은 빠르게 회전하여, 이 동력에 의해 위성이 반대 방향으로 회전하도록 합니다. 이 망원경은 세 개의 바퀴와 네 번째를 백업으로 운영되도록 설계되었습니다. 그러나 컴퓨터 하드 드라이브와 같이, 10년이 지나면 이러한 이동 부품들이 마모되기 시작했습니다.
반동 바퀴가 완전히 멈출 때까지 기다리는 대신, 임무 컨트롤러들은 네 번째 바퀴를 활성화하되 모든 바퀴를 더 느린 속도로 작동시키는 아이디어를 가졌습니다.
"우리는 세부적인 알고리즘과 소프트웨어를 설계하고, 이를 2013년에 우주선에 업로드했습니다,"라고 영국에 거주하는 에어버스 엔지니어인 패트릭 차프먼이 설명합니다. 그는 1995년부터 XMM-Newton에 참여한 경력이 있습니다. "아직도 건강하며, 심지어 연료도 절약하고 있습니다."
"많은 경보가 울렸고 위성에는 남은 전원이 3시간밖에 없었습니다." - 리처드 사우스워스

망원경을 구한 수정 방법을 개발하는 것은 여러 달 동안 진행되었지만 때로는 시간이 선택의 여지가 없습니다.
2021년 9월 22일 오전 10시 30분, 에사의 ESOC(Integral 임무 제어실)에서 경보가 울렸습니다. 19년 된 감마선 망원경에서 반동 바퀴가 작동을 멈추었고, 위성을 안전 모드로 전환시키면서 더 나쁜 일로 위성이 천천히 제어에서 벗어나고 있었습니다."많은 경보가 울리고 위성에는 남은 전원이 3시간밖에 없었습니다,"라고 임무 운영 관리자인 리처드 사우스워스가 말합니다.우주선 운영 엔지니어인 그레타 데 마르코가 덧붙입니다. "태양으로부터 멀어져서 전원이 부족했습니다."
사우스워스는 어떤 면에서 운이 좋았다고 말합니다. "아침이었고, 모두 직장에 있었으며 우연히도 저는 약 100명의 에어버스 엔지니어들과 함께 줌 회의에 참석하고 있어서 이상 현상을 공유할 수 있었습니다."

데 마르코는 말합니다. "팀은 위성이 어디를 가리키는지 알아내는 방법을 찾기 위해 시간을 벌어야 했습니다. 우리는 기기들의 전원을 차단하는 결정을 내렸습니다."
"배터리가 다 죽어가고 있었고, 한 번 더 회전해야 한다면, 우리는 끝난 것입니다,"라고 사우스워스가 말합니다. "그 순간에는 좀 비관적이었습니다."
결국, 회전으로 인한 간헐적인 통신 문제에도 불구하고, 팀은 다른 반동 바퀴의 속도를 조절하는 데 성공했습니다.
"그 순간에, 이것이 동작해야 한다고 생각했습니다. 그렇지 않으면 우리는 망한 것입니다,"라고 사우스워스가 말합니다.
"시간이 지나며, 많은 사람들이 싸우고 있었지만,"라고 데 마르코가 말합니다. "우리는 위성을 다시 제어 아래로 가져왔습니다."

선박 내비게이션 시스템의 일부에 대한 원래 소프트웨어는 누구도 암호를 찾을 수 없는 Windows 98 PC에서 실행되고 있었습니다.

이후, Integral은 잘 작동하고 있습니다. 그러나 고령의 우주선이 1억 5천만 km(9천3백만 마일) 떨어진 먼 세계 주변에 있을 때 뭔가 잘못되면 어떻게 될까요?
2003년에 발사된 에사의 마스 익스프레스는 두 해 동안 화성을 공전하기 위해 설계되었습니다. 거의 20년이 지난 지금까지 이 임무는 화성 대기를 조사하고 화성 표면의 멋진 이미지를 제공하며, Nasa 로버들을 위한 중계 역할도 수행했습니다.
동료들과 마찬가지로 컨트롤러들도 고령의 컴퓨터 시스템을 다루어야 했습니다. 예를 들어, 내부 컴퓨터에 문제가 발생한 후 엔지니어들은 우주선의 2MB RAM 메모리에 명령어를 새롭게 로딩하는 새로운 방법을 찾아내었습니다.
또한, 우주선의 일부 내비게이션 시스템에 대한 원래 소프트웨어가 누구도 암호를 찾을 수 없는 Windows 98 PC에서 실행되고 있는 것을 발견했으며, 결국 하드 드라이브를 추출하기 위해 볼트 커터를 사용해야 했습니다. 그러나 가장 큰 도전은 다섯 년 전에 발생했으며, 다시 한 번, 임무를 빠르게 종료할 위기에 처한 기계적 고장이었습니다.
마스 익스프레스에는 회전을 측정하기 위한 여섯 개의 자이로스코프가 장착되어 있습니다. 두 개의 카메라와 함께 이 자이로스코프들은 우주선이 우주에서의 방향을 결정할 수 있도록 합니다. 그러나 2017년에는 자이로스코프들이 고장나고 있는 것으로 나타났습니다.
우주선 운영 엔지니어인 사이먼 우드는 말합니다. "우주선의 상태를 논의하기 위한 대규모 회의가 있었고, 그 결과 2년 뒤에 이 우주선이 살 수 있는 시간이 남아있다고 결론이 내려졌습니다. "우리가 나온 회의는 상당히 우울했습니다."
다행히도, 이 우주선은 로제타를 포함한 다른 임무에도 사용된 표준 디자인으로 제작되었습니다. 비록 마스 익스프레스는 자이로스코프 없이 운영되도록 설계된 것은 아니었지만, 로제타의 소프트웨어를 사용하여 그 자이로스코프를 끌 수 있었습니다. 그래서, 20년 전에 로제타를 위해 설계된 코드를 해킹하여 마스 익스프레스에서 작동시킬 수 있을까요?
우드는 말합니다. "우리 대부분의 동료들은 이렇게 하려는 것이 거의 들리지 않은 우주선 내 소프트웨어 소스 코드에 손을 대는 것을 생각하니 우리가 미친 짓을 한다고 생각했습니다. 그러나 우리는 계속해서 진행했습니다."
2018년, 그들은 소프트웨어를 업로드하고 우주선을 재부팅하기로 결정했습니다. "우주선은 12년 동안 차가운 상태에서 재시작된 적이 없었으므로, 이에는 위험이 따랐습니다," 우드는 말합니다. "우리가 희망했던 것보다 더 잘 작동하고 있으며, 우리는 이제 2028년까지의 임무 연장을 가지고 있습니다."
"많은 것들이 기존의 지식에 기반을 두고 만들어졌습니다." - 조셉 헌트
"Mars 주변의 궤도에서 가장 오래된 운영 중인 우주선인 Nasa의 오디세이가 95,000개의 궤도를 돌고 있습니다. "현재 단계를 '황금 시대'로 칭하는 미션 프로젝트 과학자 제프리 플라우트는 "마스 탐사의 '황금 시대'라고 부르며 "이런 강력한 로봇이 마스에 있다는 것에 대해 매우 운이 좋다고 생각합니다. "이 임무는 단 몇 년 동안만 지속될 것으로 예상되었으며, 우리가 기대하지 않았던 과학을 할 수 있게 해주어 매우 만족스럽습니다. 특히, 마스의 날씨와 기후를 장기간 모니터링하는 것입니다. 이것은 정말 놀랍습니다."
플라우트는 2001년에 마스의 궤도에 도착한 이래로 오디세이에서 일해왔지만, 현재의 운영 팀인 패서디나의 JPL에 소속된 팀은 이전 담당자가 은퇴하고 지혜의 수십 년을 전달한 후에 18개월간만 미션에 참여했습니다.
미션 매니저 자레드 콜은 우주선을 최대한 오래 유지하는 것에 대한 책임이 있습니다. 이상적으로는 그들의 Esa 라이벌보다 더 오래, 공정하게 말해서는 파트너보다 더 오래 운영될 수 있기를 희망합니다. "저는 [마스 익스프레스와의] 경쟁을 모르겠지만, 만약 그렇다면 우리가 이기길 바랍니다,"라며 콜이 웃었습니다.
그러나 결국, 두 마스 운영자는 연료가 바닥날 것입니다. "우주선에는 연료 게이지가 없습니다,"라고 콜이 말합니다. "추진제를 추정하는 데 필요한 예술은 아마도 예술 세 부분, 수학 두 부분, 그리고 공학과 물리학 한 부분일 것입니다."
그러나 미션 컨트롤러들이 얼마나 많은 예술을 쓰든, 이 모든 미션은 결국 종료될 것입니다. 단, 한 가지 미션은 제외될 수 있습니다. 그들의 지구로부터의 메시지가 골든 디스크에 달려있는 채로, 쌍둥이 보이저 우주선은 우리가 사라진 후에도 수백만 년 동안 여행을 계속할 것입니다. 이것은 우리가 우주에 남긴 유산입니다.

 우주선 배터리

우주선 배터리는 우주 탐사 임무에서 필요한 전력을 제공하는 중요한 구성품입니다. 이러한 배터리는 우주 환경에서 장기간 동안 안정적으로 전력을 공급할 수 있어야 합니다.
우주선 배터리는 일반적으로 리튬이온 배터리 기술을 기반으로 하며, 이는 높은 에너지 밀도와 낮은 자체 방전 속도를 가지고 있어 우주 환경에서 이상적입니다. 리튬이온 배터리는 상대적으로 가벼우면서도 큰 에너지 저장 용량을 가지고 있어, 우주선의 무게와 용량 제한에 부합합니다.
또한, 우주선 배터리는 우주 환경에서의 극한 조건에 대응할 수 있도록 설계되어야 합니다. 이러한 조건에는 극한의 온도 변화, 고진공, 우주 복사선 등이 포함됩니다. 따라서 배터리의 내부 구조와 재료는 이러한 환경에서 안정적으로 작동할 수 있도록 강화되어야 합니다.
우주선 배터리는 주로 태양 전지판을 통해 충전되며, 이를 통해 우주선이 태양광을 통해 에너지를 얻을 수 있습니다. 또한, 일부 우주선은 충전을 위해 원자력 발전기를 사용하기도 합니다.
이러한 우주선 배터리는 우주 탐사 임무에서 핵심적인 역할을 수행하며, 우주 환경에서의 안정적인 운영을 보장합니다. 따라서 배터리의 설계와 제조는 우주 탐사 임무의 성공에 매우 중요한 요소입니다.