한국항공우주연구원

  수명이 다 되거나 예정된 임무수명 종료 전 고장이 난 통신위성을 재활용하는 것은 경제적으로 막대한 이익을 가져다 줄 수 있다. 이에 따라 우주에서 수리 재급유 궤도수정 및 근접 운용과 같은 서비스를 제공하는 로봇위성에 대한 요구는 최근 들어서 급격히 증가하고 있는 추세이다.[NASA, 2010]
  최근 Intelsat社, Eutelsat社와 같은 대형 위성 사업자들이 관심을 가지고 우주 궤도상 서비스 사업에 투자하고 있고 관련 기술을 가진 민간 우주업체에서 해당 서비스를 제공하기 위한 사업을 본격화하기 시작하는 등 시장 창출을 위한 환경 변화가 급격하게 이루어지고 있다.

[Intelsat社의 위성 수명 연장 서비스 첫 고객 기사(16.4.14)] ※그림은 첨부파일 참고

  캐나다 MDA社는 Intelsat社로부터 투자받아 2010년 우주에서 연료 재급유, 위성 수리, 위성 위치 이동 등 다양한 위성 궤도상 서비스를 제공하기 위한 프로젝트를 수행한 바 있는데 이를 통해 5년 동안 약 10번의 연료 재급유 서비스를 제공하는 것을 목표로 하였다.

[캐나다 MDA社의 우주 궤도상 서비스용 로봇위성 개념도] ※그림은 첨부파일 참고

  이후 2016년 4월, 위성 사업자 Intelsat社는 미국 Orbital ATK社와 계약하여 위성 수명 연장 기술을 제공받는 첫 상업 고객이 되었으며, Orbital ATK社는 로봇위성인 MEV-1이 2019년 본격적인 우주 궤도상 서비스를 시작할 것으로 전망하고 있는 상황이다[Intelsat, 2016]. 또한 2016년 3월에는 미국 고등무기연구개발국인 DARPA에서 지구정지궤도 위성을 대상으로 우주 궤도상 서비스 가능한 기술들을 민간 회사로 기술이전 하여 민간 상업시장을 본격화하고 서비스 제공 민간 산업체를 육성하기 위한 계획을 발표하였다[DARPA, 2016].

[미국 DARPA와 민간업체 우주 궤도상 서비스 협력 기사] ※그림은 첨부파일 참고

  이와 관련하여 미국 NASA는 이러한 시장의 변화 및 환경 변화에 대비하여 우주 궤도상에서 다양한 서비스를 제공할 수 있는 매니퓰레이터 개발을 본격화 하고 있으며, 중국에서도 2020년까지 로봇위성 개발에 대한 계획을 발표하였다.

[미국 NASA 궤도 상 위성수리 장치 개발 뉴스(Spacedaily News, 2015.11.4)] ※그림은 첨부파일 참고

  미국은 이미 1980년대 초에 향후 위성 기술의 발전으로 모듈러타입(Moduler Type)의 위성 개발이 보편화 될 것으로 예상하였다. 모듈러 타입의 위성 설계는 위성의 일부가 고장이 나더라도 우주 궤도상에서 부분적인 수리를 통해 재활용하여 수명 연장이 가능할 것으로 전망하였으며, 이 개념을 증명하기 위해 1980년 모듈러 타입으로 설계 및 제작하여 발사한 Multimission Modular Spacecraft(MMS)인 Solar Maximum mission 위성이 1981년 자세제어시스템의 고장으로 임무가 중단되었지만, 1984년 최초로 우주 궤도에서 Challenger호로 유명한 우주왕복선 STS-41C의 로봇팔로 SolarMax 위성을 캡쳐한 후 우주인이 부품을 교체 및 성공적으로 재가동 시키는 임무를 수행하였으며, 재가동된 SolarMax 위성은 1989년까지 태양현상 관측 임무를 수행하였다.
[STS-41C payload bay에서 우주인에 의해 수리중인 SolarMax 위성 (NASA, 1984)] ※그림은 첨부파일 참고
  1984년 킥모터의 장애로 부정확한 궤도상에 위치하여 제 기능을 발휘하지 못한 Palapa B2위성과 Westar 6위성을 STS-51A 프로그램에서 우주인의 유인구동유닛(MMU: Manned Maneuvering Unit)을 활용한 우주유영으로 캡쳐하고 지구로 보내 수리 후 재발사하여 임무를 수행하도록 하였다. 또한 이후 우주왕복선을 이용하여 다수의 위성들을 궤도상에서 수리한 바 있으며, 허블 우주망원경이 고장이 날 때마다 1993년 최초 시도하여 총 5회 궤도 상 수리 서비스를 실시하여 약 20년동안 허블우주망원경이 운용될 수 있도록 수명을 크게 연장시켰다. 이 과정에서 허블우주망원경의 고장 수리 뿐 아니라 전장부품의 업그레이드를 통해 영상의 선예도를 향상시키거나 고효율 태양전지판으로 교체하여 가용 전력을 높이고, 고정밀 자세제어 관련 센서 교체를 통해 자세제어의 정밀성을 높이는 등 궤도상에서 많은 성능 향상을 도모할 수 있었다.
  또한 미국은 2010년 우주비행사의 선외활동(EVA)에 이용하기 위한 인간형 로봇으로 Robonaut을 개발하였으며 우주왕복선과 ISS승무원의 선외업무량을 줄이는 것이 주 목적으로, 원격조종을 통한 작업장 준비 및 분해, 승무원의 조수활동, 긴급상황에 적용하여 우주비행사가 없이도 작업이 가능하도록 하는 것을 목표로 개발되고 있다.
[Robonaut 2, (NASA, 2009)] ※그림은 첨부파일 참고
  유럽우주청 ESA는 2011년부터 ‘Clean Space Initiative’ 프로그램을 수행하고 있으며, 2016년에는 초소형위성을 이용하여 랑데부와 포획 기술을 시도하는 ‘Clean Space One’임무를, 2018년에는 위성수리 또는 우주급유에 적용 가능한 랑데부/도킹/버싱 기술의 궤도상 테스트 임무인 DEOS(DEutsche Orbitale Servicing Mission)를 각각 수행할 계획이다.
[ETS-Ⅶ의 Chaser와 Target(NASDA, 1997)] ※그림은 첨부파일 참고

[독일 DLR의 3차원 6자유도 로보틱 테스트베드(European Proximity Operations Simulator, EPOS) 시설] ※그림은 첨부파일 참고

  독일항공우주센터(DLR)은 1993년 궤도상에서 로봇팔을 이용한 지상원격 조종 시험임무인 ROTEX(RObot Technology EXperiment on Spacelab D2-Mission)를 성공적으로 수행한 바 있고, 1999년 GETEX/ETS-VII(GErman Technology EXperiment on ETS-VII)프로젝트를 통해서 로봇팔을 탑재한 2.5톤급 체이서가 0.4톤급 타겟을 붙잡는 기술을 우주상에서 수행한 이력이 있다. 또한 DLR은 우주궤도상 근접운용상황을 모사한 3차원 6자유도 로보틱 테스트베드인 EPOS(European Proximity Operation Simulator)를 제작하여 랑데부/도킹, 근접운용 기술을 실제 우주환경과 유사하게 모사하여 우주 궤도상 서비스 기술 개발 및 검증을 하였다.
  중국은 2013년 3기의 위성 Chuangxin-3, Shiyan-7, Shijian-15를 발사하여 우주파편 관측과 우주 로봇팔 테스트를 수행하였다. 관련하여 1980년부터 우주 로봇팔에 대한 연구를 수행하고 있고, 1993년에는 유인 우주기술과 우주로보틱스에 대한 863 프로그램을 시작하였으며, 이후 하얼빈기술대학(HIT)을 중심으로 우주 로봇팔에 관련된 연구가 진행되고 있다. 또한 2010년 중국 항천과학기술그룹공사 CASC는 HIT 에 5억 위안을 투자하고 우주로보틱스 분야에서 상당한 기술력을 가진 독일 DLR과 HIT-DLR Joint Laboratory를 설립하는 등 다양한 지원을 통해 우주 로보틱스 기술발전을 위한 노력에 힘쓰고 있으며, 2023년에 발사할 중국형 대형 우주정거장에서 사용할 우주 로봇팔에 대한 연구가 활발히 진행중에 있다.
  한편, 국내에서는 우주 궤도상 위성 서비스를 제공하기 위한 로봇위성 시스템 전반에 대한 연구 및 연료 재급유, 우주에서의 위성 수리 관련 연구는 전무하며, 특히 지상에서 완벽한 미세중력을 모사하기 위한 로보틱 테스트베드에 대한 개발 역시 전무한 실정이다. 따라서 관련 산업의 활성화가 예상되는 2020년대 초까지 국내에서도 연구기간 내 핵심기술들을 조기 확보할 필요성이 요구되며, 우주과학기술의 선도국으로 발돋움하기 위해 국가적 관심이 요구되는 상황이다.

※ 이 글은 아래 논문 및 기사를 참조하여 작성하였습니다.
[Intelsat, 2016] Satellite Industry, “Pioneers In Space: Orbital ATK Announces Intelsat As Anchor Customer For　New Satellite Life Extension Service,” press release, April, 2016.Http://www.intelsat.com/intelsat-news/pioneers-in-space-orbital-atk-announces-intelsat-as-anchor-customer-for-new-satellite-life-extension-service/
[NASA, 2010] NASA Goddard Space Flight Center, “On-orbit satellite servicing study,” Project Report, October 2010.
[DARPA, 2016] Military&Aerospace, “DARPA kicks off RSGS program to build a space robot to maintain geosynchronous satellites,” press release, May, 2016. Http://www.militaryaerospace.com/articles/2016/05/space-robot-satellites.html