로켓 과학이 그렇게 힘든가요? "이것은 로켓 과학이 아니다"라는 속담이 그렇게 믿게 만듭니다. 미리 말씀드리자면, 항공 우주 엔지니어에게도 이는 사실입니다. 로켓 과학은 우주에서 일어나며, 위성을 아주 어렵게 만듭니다. 이 문서에서는 우주가 전자 시스템이 존재하기에 극히 어려운 공간인 이유를 살펴봅니다. 우주를 향해 가고, 우주에 존재하는 일 중에서 가장 어려운 몇 가지 부분을 어떻게 극복했는지 살펴보고, 검증된 일부 우주용 부품을 집중적으로 살펴보겠습니다.
우주로 가기
일부 부품에 있어서 항공 우주의 가장 힘든 부분은 실제로 우주에 가는 일 자체입니다. 인간은 여기 지구에서 이동 속도 및 편의성을 최적화하는 멋진 작업을 완수했습니다(예: Rolls Royce 서스펜션 및 고급 전용 제트기 좌석). 하지만 우주 여행은 아직 "편의성"을 갖추지 못했습니다. 궁극적으로 우주로 가는 가장 큰 어려움은 로켓 발사와 관련된 진동과 가속입니다. 많은 부품이 현재 로켓 기술로 지구에서 최대 14Grms으로 테스트되었습니다. 로켓 발사와 관련된 엄청난 힘, 움직임, 진동 및 소리를 견딜 수 있도록 하기 위함입니다. 현재 모든 위성은 로켓 발사를 통해 우주로 가기 때문에 위성 자체를 로켓과 동일한 극한의 힘을 견딜 수 있도록 설계해야 합니다. 본질적으로 위성 과학은 최소한 동등하게 로켓 과학보다 어렵습니다.
반도체와 같은 많은 부품은 극한의 진동과 가속 상황에서 놀랍도록 잘 작동합니다. 하지만 이러한 부품을 고정할 때 특별한 고려가 필요합니다. 이 연결은 격렬한 진동으로 인해 고장의 원인이 될 수 있습니다. 반면 전기기계식 부품은 특히 발사 진행 중에 문제가 되는 경우가 많고 우주에 도착하면 대부분 큰 문제가 발생하지 않습니다. 대신 항공 우주 커넥터에 사용할 상호 연결을 선택할 때 특별한 고려가 필요합니다. 지구에 있는 대부분의 커넥터보다 훨씬 더 격렬한 환경을 견딜 수 있어야 합니다. 최첨단 항공 우주 커넥터의 좋은 예는 Amphenol Aerospace의 MIL-DTL-38999 Series III로, 초고온 진동 하에서 200degC까지 작동할 수 있습니다. 이 외에 많은 내공성 기능도 촉진합니다. 다행히 이러한 진동은 엔지니어가 걱정해야 하는(몇 분만에 궤도 속도에 도달할 수 있도록 가속) 영구적인 설계 요소는 아닙니다.
우주로 가는 것과 관련된 다른 설계 고려사항은 부품의 열 충격 저항입니다. 미국에서 로켓을 발사하는 맑고 습한 플로리다에서 온도가 -100degC(-148degF)인 몹시 차가운 공간으로 이동하는 일은 열전도성이 높은 물질의 경우 특히 어려울 수 있습니다. 이것이 문질 내에서 온도가 급격하게 변하고 극심한 압박이 생성될 수 있는 이유입니다.
우주 환경
위성이 우주에 도달하면 위성이 머무를 환경에 대해 전혀 다른 설계를 고려해야 합니다. 아이슬란드의 생태계가 프랑스령 폴리네시아의 생태계와 다른 것처럼 우주 환경은 지구와의 거리에 따라 크게 다릅니다. 우주에서 전자 시스템이 있게 될 위치에 따라 기존 환경에 존재하는 문제를 해결하려면 매우 다른 사항을 고려해야 합니다.
우주의 압력
우주는 진공 상태입니다. 지구 기압에 비해 상대적으로 압력이 없습니다. 위성에 있는 모든 것은 지구에서 만들었기 때문에 자연적으로 제조 과정에서 경험한 기압에 적응합니다. 하지만 해당 부품이 진공 상태가 되면 기압 상태일 때와 크게 다르게 작동할 수 있습니다. 해당 부품이 우주에서 잘 작동하도록 각 부품은 우주의 온도와 무압 조건을 시뮬레이션하는 TVC(Thermal Vacuum Chamber)에서 테스트를 거쳐야 합니다. 예를 들어 제조 결함으로 인해 커넥터의 단열 포팅 고무 자체에 작은 기포가 압축되면 진공 상태에서는 이 에어 포켓이 대규모 폭발로 이어질 수 있습니다.
또한 진공 상태에서는 모든 물질이 가스를 배출하면서(상대적으로 상당한 양의 기체 물질) 주변 부품을 크게 방해할 수 있습니다. 예를 들어 가스를 배출한 물질이 열이나 태양 전지 배열기를 덮을 수 있습니다. 이는 효율성에 부정적인 영향을 미치고 센서나 광학 부품에 김이 서리게 할 수 있으며 인접 물질의 필수 열 속성을 손상시킬 수도 있습니다. 우주에 배출되는 가스배출 물질의 양을 줄이기 위해 우주로 가기 전에 위성 소재 및 전기 부품의 가스를 TVAC 챔버에서 배출시킵니다.
UV 저하
국제 우주정거장을 포함한 대부분의 저궤도 위성은 열권 내에 존재합니다. 이러한 영역에서는 UV 저하가 전기 부품의 소재 속성에 부정적인 영향을 미칩니다. UV 저하는 특히 산소가 포함된 물질에서 산소 원자를 제거하여 물질의 분자 조성까지 바꿀 수 있습니다. 결과적으로 열 제어 하위 시스템이 제대로 작동하지 않고 광학 기능이 저하되며 태양 전지 배열기의 효율성이 저하될 수 있습니다. 저궤도에 존재하는 위성은 전자 시스템을 위한 특수 UV 차폐를 활용해야 합니다. 그래야 UV 저하가 발생하지 않고 부품을 제대로 사용할 수 있습니다.
미립자 존재
열권은 지구 표면에서 약 85km~500km 사이이지만 전체 중립 환경은 100km~1000km이고 열권과 외기권이 모두 포함됩니다. 이런 환경에는 산소, 질소 및 헬륨 분자 부하가 존재합니다. 하지만 위성 소재에서 동일하게 UV 저하를 유발하는 태양의 UV 에너지도 산소, 질소 및 헬륨 분자 저하를 유발하여 개별 분자 형태를 형성합니다. 산소 원자는 우주선을 산화시켜 궁극적으로 물질의 부식을 유발할 수 있습니다. 따라서 부품 선택 시 우주 환경 노출 정도에 따라 특별한 예방 조치를 취해야 합니다.
이온 존재
지구 근접 우주의 특정 두 영역에는 밴 앨런대(Van Allen Radiation belt)라고 불리는 지구 자기장의 특정 영역에 전자와 이온이 몰려 있는 곳이 있습니다. 이러한 벨트는 500km~6000km에 걸쳐 존재하며 지구 표면에서의 거리는 13000km~60000km입니다. 이러한 조건은 분자와 상호 작용하는 태양 전하를 띤 입자에 의해 형성되는 플라즈마 환경을 만들고 이온과 자유 전자를 생성합니다. 지구 자기장에 이러한 전하를 띤 입자가 무리를 이루면 위성에 붙어 전하가 쌓일 수 있습니다. 이는 카펫에 발을 문지르면 발생하는 정적 에너지와 유사합니다. 이렇게 위성의 외딴 영역에 전하가 쌓이면 전기적 기울기가 생기게 되고 결국 쌓인 에너지가 호 형태를 만들 수 있습니다. 많은 전자 부품이 아칭에 매우 민감하기 때문에 대규모 아칭 현상이 발생하지 않도록 하려면 전자 부품 배치에 특별한 예방 조치를 취해야 합니다.
방사선 환경
지구에서는 보통 대기의 입자에 의해 태양 방사선이 흡수되며 특정 대기층이 특정 방사선 대역을 흡수합니다. 하지만 특정 위성 궤도는 매우 높은 방사선 환경에 노출됩니다. 이로 인해 단일 양자나 중성자 또는 태양이나 은하 우주선에서 방출된 전자가 물질을 통과할 수 있는 원치 않는 조건이 생성될 수 있습니다. SEU(Single Event Upset)의 가장 일반적인 원인은 은하 우주선이지만 이러한 하전 입자에 노출되는 다른 형태도 있을 수 있습니다. 지구 자기권 밖에 있는 위성은 특히 이러한 자유 입자 방사선 환경에 쉽게 노출됩니다. 일반적으로 자기권은 이러한 방사선으로부터 지구를 보호합니다. 고도가 더 낮고 경사가 완만한 위성은 자기권이 보호해 주기 때문에 태양 현상 효과에 노출될 위험이 더 적습니다.
안타깝게도 이러한 자유 입자는 SEU(Single Event Upset, 바이너리를 0에서 1로 전환)를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 센서가 실제 신호를 정확히 반대로 읽을 수 있고 프로그램에 나쁜 영향을 미칠 수 있습니다. 또한 이러한 전하를 띤 입자는 프로세스 창 래칭 중에 CPU 메모리에 저장된 데이터를 손상시킬 수 있습니다. 이는 CPU에 돌이킬 수 없는 손상을 유발할 수 있습니다. 지구의 거의 모든 프로세스에서 CPU 속도가 증가한 이후 우주 CPU에서는 높은 클럭 속도를 거의 발견할 수 없습니다. 이는 속도가 증가하면(래치 창이 많아지면) CPU가 더 취약해지기 때문입니다. 과학자들은 반도체 소재를 "강화"하여 이 문제를 완화합니다. 사파이어 또는 갈륨 비소로 반도체를 제작하는데, 둘 다 실리콘보다 방사선에 덜 민감합니다. 하지만 이런 식으로 반도체를 강화하려면 반도체 천문학적인 비용을 들여 공장을 완벽하게 정비해야 합니다.
다른 방법으로는 RHBD처럼 표준 CMOS 제조를 구현하고 중복성을 구축하여 방사선에 대한 저항력을 키우는 것입니다. 예를 들어 TMR(Triple Modular Redundancy)은 메모리 내에서 모든 비트의 동일한 복사본을 3개 만듭니다. 읽는 동안 3개의 복사본이 모두 읽고 다수결로 ‘올바른’ 복사본이 선택됩니다. 이렇게 하면 단일 입자가 메모리를 손상시킬 위험이 줄어듭니다. 두 입자는 칩의 사로 다른 위치에서 2개의 서로 다른 동일한 비트 복사본과 동시에 상호 작용하여 위상 판독 중에 거짓 양성을 생성합니다.
결론
우주의 다양한 영역에는 아주 많은 환경적 요인이 있으며 이 때문에 전자 기기는 거의 사용하기 어렵습니다. 위성에 있는 시스템이 고장 나지 않게 하려면 광범위한 예방 조치를 취해야 합니다. 항공 우주 엔지니어링으로는 배치된 위성을 "정비소"로 옮길 수 없기 때문에 특히 중요합니다. 모든 위성을 최대한 전문화하려면 거의 모든 엔지니어 관여하는 추적, 설계 고려 및 세심한 정확도가 필요합니다.
