이게 카이스트 학생 기술력?…누리호에 실린 ‘꿈’ 지상국 도착

“첫 신호 수신이 확인됐을 때 기쁨은 10초 정도밖에 가지 않았어요. 신호 수신은 큐브위성 여정의 ‘시작’일 뿐이니까요. 지상국에서 보낸 신호를 큐브위성이 잘 받아야 하고, 앞으로 임무 수행도 잘 돼야하는 과제도 남았습니다. 긴장의 끈을 놓지 않고 있어요.”

김태호 한국과학기술원(KAIST·카이스트) 항공우주공학과 박사과정생은 직접 제작한 큐브위성(꼬마위성)이 우주에서 ‘생존 신고’를 보낸 순간의 심정을 기자와의 통화에서 이같이 전했다.

카이스트 대학원생들이 중심이 돼 제작한 큐브위성 ‘랑데브(RANDEV)’는 지난달 21일 누리호 2차 발사체에 실려 우주로 향했다. 성능검증위성에 탑재된 랑데브는 1일 오후 4시38분 성공적으로 사출됐다. 카이스트 내 마련된 지상국이 랑데브가 보낸 신호를 처음으로 수신한 시점은 2일 새벽 3시42분이다.

과학기술정보통신부(과기정통부)와 카이스트에 따르면 랑데브가 보낸 상태정보(비콘신호)는 첫 수신 때 20초 주기로 10차례 이상 지상국에 닿았다. 카이스트 학생팀이 비콘신호를 분석한 결과, 랑데브는 현재 전압·온도 등이 모두 정상 상태다. 태양전지판과 안테나 역시 정상적으로 전개됐다. 랑데브는 큐브위성이 가장 많이 실패하는 구간인 ‘첫 신호 수신’이란 산을 넘고 순조로운 출발을 알렸다.

이 같은 성과는 카이스트 항공우주공학과 항공우주시스템 및 제어연구실(방효충 지도교수) 소속 대학원생들이 만들었다. 김 박사과정생은 카이스트 큐브제작팀 팀장을 맡아 지도교수와 함께 전반적인 제작을 이끌었다. 김 박사과정생은 이와 함께 큐브위성의 ‘구조 및 열 제어계’를 담당했다. 그는 “첫 수신 전 ‘큐브위성이 성능검증위성에 끼진 않을까, 신호가 오지 않으면 어떻게 하지’ 등 많은 걱정이 있었지만 랑데브가 순조롭게 출발해서 다행”이라며 “취미로 인공위성의 신호를 받아서 공개하는 사이트나 회사·기관이 운영하는 지상국 데이터를 봐도 랑데브가 보낸 정보는 세계 곳곳에서 문제없이 잡히고 있는 상태”라고 설명했다. 

카이스트의 이번 성과가 나오기까진 다양한 ‘전제 조건’이 필요하다. 먼저 누리호가 목표궤도(상공 700km)에 올라 목표속도(초속 7.5km)로 성능검증위성을 분리해야했다. 누리호 2차 발사체는 이 조건에 맞는 비행을 해 성공으로 기록될 수 있었다. 또 한국항공우주연구원(항우연)을 중심으로 제작한 성능검증위성이 정상작동에 들어서야 큐브위성의 사출이 진행되는 구조다. 성능검증위성 역시 목표궤도에서 정상적으로 운용되고 있다.

사출도 쉽지 않다. 인공위성(성능검증위성)에서 다른 인공위성(4기의 큐브위성)을 사출하는 건 세계에서 처음으로 시도되는 방식이기 때문이다. 사출로 인한 반동은 성능검증위성의 무게중심 변화로도 이어질 수 있는데, 이 때문에 자세 안정화에 고도의 기술력이 필요하다.

이를 달리 말하면 앞선 사출에서 문제가 발생할 경우, 다음 차례의 큐브위성은 분리되지 않을 수 있단 의미다. 카이스트 큐브위성의 사출은 앞서 6월29일 오후 4시50분께 조선대 큐브위성 사출 이후 성능검증위성이 정상적으로 다시 자세를 안정화해 이뤄질 수 있었다. 남은 사출 일정은 △서울대 7월3일 △연세대 7월5일이다.

사출에 성공하더라도 큐브위성이 정상 작동할지는 미지수다. 크기가 매우 작아 ‘꼬마위성’으로도 불리는 큐브위성은 구조적인 측면에서 상업용 위성에 비해 신뢰성이 떨어지기 때문이다.

실제로 카이스트 큐브위성에 앞서 사출된 조선대 큐브위성 ‘STEP Cube Lab-Ⅱ(스텝큐브랩2)’은 첫 수신에서 목표(10회 반복 수신)보다 적은 두 차례의 신호만 지상국에 닿았다. 이후 진행된 양방향 교신 시도에서도 긍정적인 결과를 내지 못했다. 조선대 학생팀은 큐브위성이 빠르게 회전(텀블링)되고 있다는 점을 원인으로 보고 자세안정화를 위한 다양한 시도를 진행 중이다. 

이번에 누리호를 타고 우주로 향한 큐브위성 4기 모두 국내 대학원생들이 중심이 돼 제작한 결과물이다. 2019년 개최한 제5회 ‘큐브위성 경연대회’에서 카이스트·서울대·연세대·조선대가 선정돼 이번 도전을 수행하고 있다. 선정된 학생팀은 2년간 직접 큐브위성을 제작해 누리호에 본인들의 ‘꿈’을 실어 보냈다.

누리호 2차 발사를 통해 우주로 향한 큐브위성은 3U 크기 큐브위성 3기와 조선대에서 만든 6U 크기 1기로 구성된다. 1U 큐브샛은 가로·세로·높이 10cm에 질량 1.3kg 수준의 초소형 인공위성을 말한다. 첫 수신에 성공한 랑데브는 가로·세로 10cm, 높이 30cm 크기의 직육면체 형상으로 질량은 3.2kg이다.

과기정통부는 설계·제작·관제에 이르는 인공위성 운용 전 과정을 직접 수행할 ‘실전 기회’를 제공하고자 이번 사업을 기획했다. 국내 우주인재 양성이 목적이다. 과기정통부 관계자는 “큐브위성을 누리호에 실어 보내는 것 자체가 도전적인 과제였지만, 학생들에게 인공위성 운용의 전반적인 과정을 경험할 기회를 제공한다는 교육적 측면에서 의의가 있다”며 “큐브위성은 세계적으로도 실패 사례가 많지만 인재 육성이란 긍정적 측면을 고려해 계속해 장려할 것”이라고 강조했다. 정부는 누리호 4차 발사에서도 국내 대학에서 만든 큐브 위성을 우주로 보낼 기회를 제공할 계획이다. 

랑데브는 소형 지구관측 카메라를 활용, 지상 촬영을 수행하는 것을 목적으로 개발됐다. 촬영된 영상을 지상국으로 전송하는 게 핵심 기능이다. 이와 함께 인공위성의 3축 자세제어 기능도 검증한다.

카이스트 학생팀은 구체적으로 △지상국과 극초단파·초단파(UHF·VHF) 주파수를 활용한 통신 △S밴드의 고속 영상 전송을 포함한 큐브위성 시스템의 임무와 본체의 정상적인 운용을 검증을 목적으로 삼았다.

랑데브가 지상에 ‘생존 신고’를 보내왔지만 정상 운용 전까지 △자세 안정화 △지상국이 보낸 신호를 큐브위성이 받아(업링크) 명령대로 움직이는 과정 등이 남아있다. 카이스트 학생팀은 큐브위성이 우리나라 상공을 지날 때마다 임무수행을 위한 절차를 진행할 방침이다. 

다음 랑데브와의 교신 예정 시간은 2일 오후 3시35분, 오후 5시13분이다. 위성 상태가 안정화될 경우, 카이스트 학생팀은 이 교신에서 큐브위성 메모리에 미리 저장해 놓은 이미지를 다운받는 명령을 보낼 계획이다.

카이스트 측은 이번 성과에 대해 “큐브위성의 임무 설계·탑재·소프트웨어·지상국 등 주요 임무를 학생 연구진들이 직접 참여함으로써 우주기술 역량을 확보하고 향후 큐브위성을 실용적인 임무 목적으로 활용할 수 있는 계기를 마련할 수 있을 것으로 기대된다”며 “이번 누리호 발사체를 이용한 큐브위성의 성공적인 전개와 교신을 통해 카이스트가 국내 우주 연구와 교육을 선도하고 나아가 글로벌 우주 교육 기관으로서 위상을 확립할 것”이라고 전했다.

랑데브를 제작한 카이스트 연구실은 지난 2017년과 2019년에 걸쳐 총 2회 큐브위성을 발사한 바 있다. 2017년 발사한 LINK 큐브위성은 지상국과의 성공적인 교신과 운용 성과를 통해 큐브위성 경연대회 대상을 받기도 했다.

김 박사과정생은 “현재 위성의 자세 결정에 관한 연구를 진행하고 있는데 이 분야에서 전문성을 갖춰 향후 위성 항법 영역에서 활약하고 싶다”며 “랑데브를 정상 운용해 성과를 낼 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다. 

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