한국항공우주연구원

※ 이 글은 한러 과학기술 협력센터 “러시아 항공-우주기술 동향지” 7호(2016.03)에 게재된 내용을 발췌·인용하였습니다.

  현대 정세에서 국가의 군사적, 사회경제적 및 과학적 목적의 해결수단으로서 우주사업의 의의와 역할은 날로 커지고 있다. 우주-로켓기술과 우주발사장의 지상기반시설의 신뢰성, 사고방지, 안전성과 관련한 요구사항은 증대되고 있다. 러시아연방은 우주사업에 관한 법률로서 우주-로켓기술과 지상기반시설의 안전을 기본적인 원칙으로 정하고 있다.
  잠재적 위험 요소 집합(추진제 급유 시스템을 포함하는 발사 복합체, 중화 가스 공급, 급유 스테이션 및 소형 우주선을 위한 급유 시스템, 통제소, 기술 복합시설, 발전설비, 계측시설 복합체 등)을 가지는 특수한 기준으로 플례셰츠크 우주발사장에 이러한 원칙을 적용하고 있다. 상기 열거된 요소들의 가능성에 대한 현대화, 재건, 강화의 작업에도 불구하고, 현재 전체적으로 장비의 많은 요소들의 기술적 수명이 끝나가고 있다. 운용 과정에서 기술-환경적, 인간적 실수의 결과 및 예기치 못한 상황의 결과를 제거하는 데에 드는 상당한 재정적 비용 부담과 관련하여 사고 발생 위험이 증가하고 있다. 현재 상황에서는 지상설비 요소에 대한 자연환경적 문제 및 테러 위협의 발현도 역시 배제할 수 없다.
  우주발사장 지상설비 요소의 신뢰도와 작동안전도 향상에 대한 문제는 우주-로켓기술과 지상 기반시설의 충실하고 안전한 운용을 보장하는 자동화 시스템의 구축으로서 해결될 것으로 보인다.
  Khrunichev state research and production space center사는 파트너 업체와 함께 무기관련 국가 프로그램의 일환으로 2009년부터 2013년에 이르는 기간 동안 유사한 시스템을 구축하였다. 그 작업은 국가 계약(2009년 10월 19일자부터 유효) 제K-29-03-09호에 따른 Rosaviakosmos 협의회와 우주군 군사위원회의 공동 해법(2003년 3월 5일부터 유효) 제3R호 및 연방 대통령령 제603호(2012년 5월 7일자부터 유효)에 의거하여 국방부에서 배포된 전술-기술 과제에 기반하여 수행되었다. 
  소유즈 과학기술 국가 프로그램("Kosmos-BR"(1999~2002년), "Kosmos-SG"(2004~2007년), "Kosmos-NT"(2008~2011년))과 흐루니체프사(막시모프 기념 우주시스템 연구소)가 주도한 연방 특수목적 프로그램인 "디지털 러시아(2002~2004년)" 수행 시 축적된 십여 년 간 진척되어 온 과학기술적 및 설계에 의해 시스템 구축은 촉진되었다.
  프로그램 실현과정에서는 우주-로켓기술과 지상설비의 개별적 요소의 운용과정을 기초로 하는 안전하고 신뢰성 있는 기능 수행 보장에 관한 이론적 및 실무적인 문제에 대하여 연구되었다. 통제 사고 상황과 모델링과 안전 수치에 대한 작업이 실행되었다. 선택적 운용과정에 대한 수학적, 정보학적 및 프로그램적 모델이 마련되었다. 연구방법 및 비정상적(사고) 상태가 발생하는 원인을 회피하는 방법이 만들어졌을 뿐 아니라, 지상 운용 과정에서 복합 시스템의 상태 변화 원인을 결정하는 물리적 원리에 기반한 자동화된 전문적인 계측 시스템을 이용하여 위험한 작동과정이 있는 지상 복합체, 발사 및 기술적 장비를 검사하는 수단의 방법과 방식이 만들어졌다.
  구축된 시스템은 목적에 따른 우주수단의 적용 결과와 그 기술적 상태, 신뢰도 및 안전성에 관한 1차적 및 일반적 운용 정보로 통제 기구, 우주-로켓기술과 우주발사장의 지상설비의 개발자 및 제작자의 자동화된 복합적 및 능률적 보장을 위함이다. 그것은 지역적으로 배치된 정보-해석 시스템과 관계가 있으며, 3개 종류(상설, 휴대, 이동성)의 개인용 전자계산장치를 기반으로 하는 자동화된 작업장과 계측, 통신, 항법, 비파괴 검사 등이 포함된 다양한 목적의 기구로 채워진 것으로 이루어져 있다.
  모든 자동화 작업장은 우주 발사장 구역에서의 운용 정보를 교환하는 것을 담당하는 하나의 지역 컴퓨터 망으로 구성되어 있다. 이것은 계산 담당자부터 높은 수준의 책임자에 이르기까지 우주 발사장에서 종사하는 관리자의 업무가 자동화되도록 한다. 정보의 자동화 작업은 수학 및 정보학적 모델 및 운용 통제상의 중요한 과정을 담은 알고리즘을 기반으로 하는 56개 형식의 프로그램 복합체인 특수 프로그램의 확보를 기초로 한다.
  플례셰츠크 우주기지의 지상설비와 우주-로켓의 신뢰성이 높고, 안전한 운용을 보장하는 자동화 시스템의 원격 컴퓨터 커뮤니케이션 수단에 대한 토폴로지 맵은 그림 1에 제시되어 있다. 시스템은 몇몇 주요 복합적 해결과제의 자동화 해법을 보장한다.

   첫 번째 복합체는 아래 제시된 해결 과제인 우주발사장의 우주-로켓설비와 지상설비의 기술적인 상태를 모니터링 하는 것과 관련이 있다:

● 지상설비의 각 요소들의 기술적 상태 파라미터의 측정;
● 계측장비로부터 정보를 개인용 컴퓨터로의 전달과 그러한 정보들의 처리 및 보관;
● 우주-로켓설비의 요소의 시험과 발사 및 비행에서 발생하는 고장, 결함, 파손의 판명;
● 지상설비의 표준 장비들의 고장 상태와 작동불능상태의 측정, 확인 및 예측 결과의 분석;
● 우주-로켓설비와 지상설비의 운용에서 나타날 수 있는 잠재 위험요소의 리스크 제어;
● 부주의, 고장, 돌발사건 및 그 발생과 발달 이유, 메커니즘, 조건에 대한 통계자료의 분석;
● 우주 발사체 각 구조 요소 및 기반시설 위험 구조 요소(고압도관, 이렉터, 독성 액체 및 기체의 보관을 위한 탱크 등)의 위험 및 신뢰도 지수의 평가계산;

  기술적 상태 모니터링 대상은 지상기반설비와 우주-로켓설비의 중대 구조 요소, 독성 및 폭발성 액체와 기체의 보관용 탱크, 국가관리요소, 특별 중요물의 특수 이송수단이라 할 수 있다.

  우주-로켓설비 및 지상기반설비의 기술적 상태에 대한 제어 파라미터는 다음과 같다:

- 온도; 압력; 진동; 전류; 전자기장; 구조재료 성질 특성; 구조 요소의 크기; 구조 요소의 공간 내 위치와 이동 등   
 
  두 번째 복합체는 기술적 서비스 문제의 부분으로서의 우주-로켓설비와 지상기반설비의 운용 통제 및 우주 발사체의 사용과 준비에 대한 해결책을 지속적으로 수용하는 것을 보장하는 것으로서, 그 구성은 아래와 같다:

● 발사 및 기술 복합체에서 민간 우주 로켓의 발사 준비 및 시행의 과제에 따른 해결책 수용의 지속;
● 비정상 상황 발생 시와 사고-구조작업 조직 시 해결책 분석과 수용을 위한 통합 정보의 제시;
● 시스템과 기계 운용 문서고의 관리;
● 해당 조건에 따른 운용장비의 실제적 구성의 위계·도표적 제시와 대상의 탐색 및 선택;
● 우주로켓기술의 운용과 우주 발사체의 운용 양식이 이루어지는 구성, 배치, 대상의 외관에 관한 그래프 자료의 검사;
● 우주-로켓설비 운용과정에서 기술적 업무 수행 시 계산 시행(계산오류도 포함하여)에 관한 자료의 관리;
● 우주-로켓설비 작동 시 비정상 상황에 관한 자료의 관리;
● 물적 수단의 수리, 교정, 설치 및 발사 및 기술 복합체의 기계장치와 시스템을 운용하는 인적 구성의 계획과 기록;
● 부여된 계산 구성으로써 성공적으로 수행한 기술적 과정의 (비정상 상황 발생시를 포함한)확률 계산;
● 목적에 따른 우주-로켓설비의 시스템과 기계장치의 준비와 적용에 대한 기술적 시행 계획과 통제;
● 운용의 경제적 요인 제어.
 
  지속적 해결책 수용을 위한 프로그램 복합체 개발 시에 상황 모델링의 대상으로서 자료(기술 및 발사 복합체의 장비의 삼차원 영상을 사용하여) 준비 과정과 다양한 기술적 프로세스의 통제 시의 해결책 수용을 위한 계산이 고려되었다. 지상기반설비의 위험 요소에서 비정상 및 사고 상황들이 모델링 되었다.

  세 번째 복합체는 안전한 발사를 보장하는 데에 이용된다. 이것은 로켓의 준비와 발사를 시행하는 시간적 구간에서 우주기지 구역에서의 평가 자동화와 안전성 예측을 목적으로 하고 있다. 이러한 과제에는 다음과 같은 요인들을 포함한다:

● 우주기지의 매일 운용시간에서 안전성 평가 및 통제와 우주발사체 발사 사이의 준비단계에서 작업 장소 및 우주 발사체에서 분리된 물체의 낙하 장소의 기구적 안전 통제;
● 우주발사체 분리체 낙하지의 측량조사, 사건의 문서화;
● 비행 경로와 우주 발사체 분리 체 낙하 구역에 따른 우주 발사체 발사준비 기간의 안전성 수준 통제;
● 우주 발사체의 발사 사고 결과 배제와 국한화에 따른 작업 시 의사 결정 지원.
 
 수학적 모델링과 자동화 대상은 운용 안전성 지수 측정과정, 정보 준비, (우주-로켓기술 운용대상물의 비정상적인 상황발생 조건을 포함하는) 우주 발사체의 발사 안전 보장에 대한 의사결정을 위한 계산 자료이다.
  계측 및 통제 파라미터는 다음과 같다:
 
- 공기의 온도와 습도;
- 풍향과 풍속;
- 지형적 특성;
- 독성 가스 농도;
- 일조도;
- 소음 준위;
- 전기장 세기;
- 자기선속밀도;
- 영구 자기장 세기;
- 산화질소 준위;
- 방사선 준위 등
 
  네 번째 복합체는 우주기지 대상물에 대한 신뢰성, 안전성, 운용 계획의 분석을 책임진다. 이러한 복합체는 시스템의 중앙 링크이며, 모든 구성 부분의 상호작용을 조정한다. 이것은 운용 결과, 기술적 상태, 우주기지 물자의 신뢰성과 안전성에 대한 정보의 수집, 처리, 분석, 전달을 자동화(전자 문서이용을 기반으로)하는 것을 목적으로 한다. 자동화하여 해결될 수 있는 주요 과제는 다음과 같다:

● 우주기지의 우주-로켓시설과 지상기반시설의 신뢰성, 안전성 및 운용 결과에 대한 정보 관련 시스템에서의 접수;
● 신뢰성에 대한 일차적 및 처리된 정보를 데이터베이스로 축적 및 보관;
● 우주-로켓기술 품목의 운용 결과에 대한 정보 산출과 고장, 파손, 시험과 운용 결과에 관한 일차적 정보 문건 조성;
● 우주 복합체의 신뢰성과 기술적 상태에 대한 정보 시스템 문서에 포함된 자료의 수집, 처리, 체계화, 전달 및 보관;
● 형성된 문서에 수록된 정보의 통계적 처리, 고장과 파손 발생 원인 분석;
● 우주-로켓기술 품목의 신뢰성과 안전성에 대한 양적 및 질적 평가가 필요한 초기 자료 체계의 형성, 시험과 운용과정에서의 그 변화 경향의 설정;
● 우주-로켓기술 품목의 신뢰성과 안전성 지수 수치의 계산과 운용 과정에서의 변화 경향의 양적 평가;
● 기술적 서비스와 지상기반시설의 대상 장비의 적용 문제에 대한 의사 결정의 정보적 지원;
● 지상기반시설의 안전성과 신뢰성 문제에 따른 문서이용, 지상기반시설 대상 장비의 운용과 적용 구조의 보장;
● 운용 기관에 의한 작업 질의 양적 평가와 우주기지의 소부분에서의 정보작업 상태의 평가;
● 고장, 파손, 사고, 재난을 유발하는 원인과 인자의 판명;
● 우주-로켓시설과 지상기반시설 요소의 고장 진단 계획과 사고 예방.

  수학적 모델링과 자동화 대상은 기술적 상태, 신뢰성, 안전성에 관한 문서적으로 구성된 정보의 수집, 처리, 전달, 보관, 분석의 과정과 더불어 운용되는 로켓-우주 기술 품목의 신뢰성과 안전성 평가 과정이다.
  전반적 시스템 구축은 우주기지의 우주-로켓시설과 지상기반시설의 운용 과제를 위한 복합체의 기술적·일반적 소프트웨어와 같은 현대적 수단, 정보, 고지능 정보지원, 특수 소프트웨어, 언어지원 수단을 근본으로 하고 있다.
  이러한 수단의 구축 시에 적응성, 확장성, 이동성과 같은 자동화 시스템의 성격이 실현되었다.
  적응성은 다양한 계산 환경과 컴퓨터 장비의 배치에서의 운용 응용 과제 해결, 해결 과제 범위 확장, 해결 과제 복합체와 우주기지 인접 정보 시스템을 가지는 운용 제어 기관의 책임자 간 상호작용 인터페이스 구축, 과제 복합체 기능의 긴 수명주기를 보장하는 것이다.
  확장성은 수단의 작업 부담(생산성), 네트워크 리소스(장비, 데이터베이스, 입·출 정보) 추가와 관련된 시스템의 증가를 감당해 내는 능력을 결정한다.
  이동성은 다른 대상에 대해 항공우주군 전체(특히 우주군)가 작용하는 광범위 정보 플랫폼(연산 환경)에서 최소한의 변화를 갖는 시스템 수단의 이동 가능성을 특징짓는다.
  이전에 행해진 개발자들의 평가에 따라, 이러한 플례셰츠크 우주기지 시스템의 운용에서 다음과 같은 사항이 보장되고 있다:

● 로켓의 발사 준비 및 시행 시 발생하는 비정상적(사고) 상황 예방 수준을 70-80% 향상;
● 우주-로켓설비 및 지상기반시설의 기술적 상태와 신뢰성에 대한 자료의 준비와 관련된 업무능력을 10-12배 향상;
● 우주기지 운용 시스템의 통제 문제 해결과 관련한 업무능력을 1.5-2배 향상.
 
  시스템의 도입으로써 비정상적(사고) 상황에 의한 연간 5-7천만 루블(2016년 2월 환율기준 약 8억 3천만~11억 5천만 원)에 상당하는 손해가 발생하는 것을 예방할 수 있으며, 시스템 구축에 드는 비용의 목표 효과를 고려하면 5~7년 내로 회수 가능할 것이다.
  플례셰츠크 우주기지에 적용되는, 기술적 지상 기반시설의 운용 안정성과 신뢰성을 보장하는 시스템의 열거된 성질은 중앙 제어링크 및 다른 러시아 우주군 시설, 러시아 항공우주군 시설과 보스토치느이 우주기지에서의 기술의 발전 잠재성과 기술의 산업적인 도입 가능성을 결정하게 된다.
  보스토치느이 우주기지에서 구축되고 있는 로켓-우주 시설 및 지상기반시설은 다양한 목적의 우주선을 궤도에 진입시키기까지의 고비용의 전 과정을 모두 지원할 수 있는 기술적 고위험 시설이다. 지상 장치의 사고에 의해 나타나는 발사의 정지(혹은 사고) 긴 복구작업 필요성, 발사 서비스 주문자에 천문학적인 패널티 비용 및 국제 우주 시장에서 러시아의 순위 하락을 가져올 수 있다. 이와 관련하여 운용과정 상의 보스토치느이 우주기지의 로켓-우주시설과 지상기반시설의 모든 잠재위험 시설은 반드시 그 기술적 상태에 대한 끊임없는 통제와 제어 하에 놓여있어야 한다. 현재 주어진 문제에 대하여 복합적 접근으로서는 충분한 수준으로 완전히 해결되지 않고 있다(잠재 위험 시설과 기술적 과정 상태의 기존 통제 기술은 드문드문 사용되고 있으며, 현대적인 정보 처리용 소프트웨어와 원격 의사전달 기술은 완전한 정도로는 실현되지 않았다.).
  앞으로 보스토치느이 우주기지에서는 상단(산소-수소사용 중량급) 블록과 발사체 3단부, 우주기지의 지상기반시설에 위험이 잠재하는 산소-수소 기술이 사용되는 우주 발사체 "Angara-5A", "Angara-5B"가 적용된 새로운 로켓-우주 복합체가 구축된다. 자동화된 모니터링을 도입하지 않고 이러한 기술적 사항을 신뢰성 있고 안전하게 적용하기 위한 요구사항의 실현은 불가능하며, 운용 제어는 반드시 신뢰성 있고 안전한 운용을 보장하는 시스템에 그 역할을 부과해야만 한다. 러시아 국방 및 안전 평의회의 보스토치느이 우주기지 현지회의(2014년 9월 16일자)의 결정은 이러한 시스템의 구축을 지지하였다. 러시아 연방 목표 계획 "2016~2025년 러시아 우주기지 발전" 프로젝트의 시책으로서 시스템 구축을 포함할 것으로 권고되었다.