Application Story - Spaceworthy(우주耐航性)

청정실 내부 : CHEOPS 위성의 구조 모델을 갖춘 열려 있는 열 진공 챔버.

파라오 케옵스(pharaoh Cheops)를 기념하기 위해 건설된 기자(Giza)의 대형 피라미드는 고대의 세계 7대 불가사의 중에서도 가장 오래된 것이다. 그러나 스위스의 베른에 있는 케옵스라는 명칭은 현대의 불가사의와 관련되어 있다. 이 CHEOPS 프로젝트는 태양계 외행성 특성화 위성(CHaracterising ExOPlanet Satellite)의 약자로서, 유럽 우주 기구와의 동반자 관계 하에서 우주 거주성 센터(Center for Space and Habitability)에 의해 주도되고 있다. 수 년 이내에 위성에서 탄생된 광 측정 관측소가 생명을 유지할 수 있는 능력을 갖춘 행성을 찾아내는 데 귀중한 지원을 제공하게 될 것이다. 시스템의 우주 내항성은 고급 B&R 기술을 사용하여 수행되는 자동화된 시험을 통해 평가된다.

2015년 3월에 스위스에서 관측된 일식은 아직도 사람들의 기억에 생생하다. 일식은 달이 지구와 태양 사이를 통과할 때마다 일어난다. 개기 일식 중에는 달이 태양 표면의 약 70%를 가린다. 어떤 외계 행성이 지구에서 보았을 때, 그의 항성 앞을 통과할 때도 같은 일이 일어난다. 그러나 이 경우에는 항성 표면의 1%에도 훨씬 못 미치는 부분만이 가려지게 때문에 항성의 광도가 살짝 떨어지는 정도에 불과하다. CHEOPS 망원경은 이 편차를 측정하고 그것을 이용하여 통과하는 행성의 직경을 계산하도록 설계되어 있다. 어느 인공위성이든 발사하기 전에 우주와 반드시 유사한 조건 하에서 철저히 시험되어야 한다. 스위스의 베른에 있는 우주 거주성 센터는 B&R과 긴밀히 협력하며 이러한 목적을 위한 완전 자동화된 열 진공 시험 챔버를 건설했다.

내부, (흑색) 차열관이 열 유체로 가득 차 있는 것이 보이는 이동 가능한 챔버 부분.

청정실 내의 화면에서 기술 도면 검토

CHEOPS 프로젝트

CSH에서는 20명의 직원으로 구성된 팀이 Willy Benz 교수와 프로젝트 관리자 Christopher Broeg 박사의 지도하에 CHEOPS를 개발하고, 건설하고, 시험하기 위해 열심히 일하고 있다. CHEOPS 프로젝트는 책임이 스위스 사람에게만 맡겨진 최초의 위성 프로젝트이다. 여러 대학과 우주 기구들이 다양한 자격으로 여기에 참여하고 있다. 

예를 들어 독일 항공 우주학 협회(DGLR)와 오스트리아의 Graz에 있는 우주 연구소(IWF)는 전기 서브시스템을 담당한다. 망원경의 목적은 우리 태양계로부터 멀리 떨어진 항성 주변을 공전하는 알려져 있는 행성에 대해 조사하는 것이다. 이들은 태양계 외행성이라고 알려져 있으며, 도플러분광법이라는 기법을 이용하여 미리 지상 관측에 의해 식별된다. 

CHEOPS에 의해 생성되는 추가적 크기의 데이터는 연구원들로 하여금 그 행성의 밀도와 기체, 암석 및 얼음의 가능한 조성을 추론할 수 있도록 할 것이다. 이것은 어느 행성이 가장 생명을 유지할 수 있는 가능성이 있는지를 식별하게 될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 미래의 망원경으로 언젠가는 구체적인 생명의 징후에 대한 가장 가능성이 높은 후보자를 보다 정확히 찾아내는 것이 가능해질지도 모른다. CHEOPS 위성은 2017년에 발사될 예정이다.

열 진공 챔버

위성을 궤도에 올려놓기 전에 위성이 그의 임무에 적합한지를 입증할 필요가 있다. 결국 위성은 상당히 극단적인 조건에 처하게 될 것이다. 망원경과 망원경을 실어 나를 위성은 10-7밀리바의 진공과 -80°C에서 +165°C 범위의 온도를 견뎌내야 한다. 이러한 조건의 시뮬레이션을 위해 베른 대학은 열 진공 챔버를 개발했다. 2 x 4 미터 크기의 챔버는 전체 위성 플랫폼과 망원경을 내장할 수 있다.

러핑 펌프(roughing pump), 터보 펌프, 차열관(thermal shroud), 후버(Huber) 서모스태트, 태양 시뮬레이터 및 액체 질소 방열기와 같은 진공 챔버의 다양한 구성품은 시험 과정 전체를 통해 반드시 빈번하게 새로운 세팅으로 재설정되어야 한다. 또한 시험되는 기기를 보호하는 것도 엄청나게 중요한 일이다. 현재 시험되는 위성의 구조 모델만도 가격이 50만 달러가 넘는다.

요건

열 진공 챔버는 민감한 광학 요소들을 보호하기 위해 청정실에 설치된다. 고도로 정화된 공기를 오염시키지 않고는 청정실에 들어가는 것이 불가능하기 때문에, 인간의 개입 필요성을 최소화하기 위해 시험 챔버는 가능한 한 최대로 자동화할 필요가 있다.

자동화 구성품의 선정에 있어서 초점은 신뢰성, 안전성, 청정도 및 유연성에 맞춰졌다. 또한 장래의 확장을 위해 개방된 인터페이스를 남겨두어야 할 뿐 아니라, 더 높은 수준의 SCADA 시스템에 연결해야 할 필요도 있다. 성공적인 동반자 관계를 확립하기 위해서는 또한 공급자가 양질의 지원을 제공하고 과학적 주제에 관해 관심을 갖는 것도 중요했다. 다양한 공급자들을 평가한 끝에 B&R이 선정됐다.

시험실

열 진공 챔버의 스위치가 켜지면, 첫 번째로 할 일은 진공을 발생시키는 것이다. 챔버는 모든 해당 밸브를 개방하고 10-2밀리바의 초기 진공을 만드는 러핑 펌프(roughing pump)를 가동함으로써 이것을 수행한다. 이후에는 2대의 터보 펌프가 진공을 강화한다. 일단 충분한 진공이 확립되면 차열관과 태양 시뮬레이터를 이용하여 필요한 온도를 발생시킨다. 대략 150개의 온도 센서가 챔버 내부와 시험 대상물의 표면의 온도 분포에 관한 정보를 제공한다.

대상물이 지나치게 뜨거워지면 위성과 그의 전자 구성품들에 대한 손상을 방지하기 위해 반드시 온도를 낮춰야 한다. 이제 챔버는 극단적인 온도 변화에 의해 야기되는 시험 대상물의 변형을 시험할 준비가 갖춰진 것이다. 망원경 거울은 유리로 만들어지기 때문에 기계식 지지대와 같은 방식으로 팽창하지 않는다. 이것은 심각한 손상을 초래할 수 있다. 그러므로 적절히 보상할 수 있는 방법을 결정하기 위해서는 거울 주변의 구역이 우주 조건에 의해 어떻게 영향을 받는지를 측정하는 것이 대단히 중요하다. 온도 또한 열 진공 챔버 외부 케이싱에서 감시된다. 케이싱은 응축을 방지하기 위해 가동될 수 있는 가열 시스템을 갖추고 있다.

자동화 솔루션은 구성품의 최적의 배치를 가능하게 하고 필요한 케이블의 수를 감축시킨 6개 서브시스템으로 구분된다.

인공위성이 우주에 배치될 준비가 갖춰져 있는지 여부를 결정하기 위해, 위성은 수동 열 진공 챔버에서 시험된다. 이 챔버는 B&R의 X20 시스템으로부터의 컨트롤러와 그 밖의 모듈을 사용하여 작동된다.

B&R 자동화 솔루션의 구조

B&R의 자동화 솔루션은 X20CP3586 CPU를 갖춘 X20 시스템과 함께 이중화된 케이블, 온도와 밸브 감시를 위한 표준형과 안전 입출력 모듈의 조합 및 터보 펌프를 위한 인터페이스를 갖춘 X20SL8100 SafeLOGIC 컨트롤러로 구성된다. OPC UA 프로토콜을 사용하면 더 높은 수준의 SCADA 시스템과의 연결이 가능하다. 솔루션을 6개 서브시스템으로 구분함으로써, 자동화 구성품 부분이 청정실 옆의 기계실에 배치될 수 있도록 하고 필요한 케이블의 수를 줄였다.

청정실 내의 구성품의 수를 현저히 감축시키는 것도 또한 공기 청정도 수준에 기여한다. 컨트롤러 이외에도 청정실 내의 제어 캐비닛은 또한 직렬 케이블과 이더넷 케이블 그리고 직렬 인터페이스를 통해 수신된 압력 측정값을 평가하기 위한 장치도 내장한다. 컨트롤러 자체는 팬 없이 작동하기 때문에 먼지를 전혀 발생시키지 않는다. 구성품들은 또한 제어 캐비닛 내에 필터를 포함시킬 필요가 없을 정도로 청정함이 입증되었다. 

시스템은 청정실 내의 B&R 단자를 이용하여 작동된다. 여기에서 온도가 설정되고 결과가 평가된다. 최근에는 각 시리즈가 시작될 때 자동화 시스템을 점검하기 위한 B&R의 유닛 시험 솔루션이 추가되었다. 프로그래밍은 연구소에서 가장 널리 사용되는 언어인 C 또는 C++로 수행된다.

미래의 실험실 장비

“B&R의 자동화 솔루션에 의해 제공되는 모듈화, 유연성 및 실시간 능력은 학계에서 높게 평가되고 있는 이유입니다.” 베른 대학에서 열 진공 챔버의 자동화 시스템을 담당하고 있다는 Severin Oeschger는 말한다. “B&R의 신뢰할 수 있는 서비스, 적극적인 연구 개발 협력 및 과학 연구 분야에 대한 높은 관심도 또한 이 프로젝트와 그 밖의 프로젝트에서 B&R과 팀을 구성하게 된 결정적인 요인이었습니다.”

베른 대학의 우주 거주성 센터와 우주 연구 및 행성 과학부는 간접비를 최소화하기 위해 구조를 표준화하고 공급자를 통합하는 것을 목표로 새로운 시험소 기기와 장래의 확장에서 가능한 한 B&R 구성품을 사용하게 될 것이다. 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - Application Story - Spaceworthy(우주耐航性)