원자력/우주항공

베이징제어공정연구소 수동 도킹시스템 연구개발 현황

발행일 : 2012 / 07 / 04

선저우9호와 톈궁1호 수동 도킹시스템은 중국 북경(베이징)제어공정연구소 수동 제어시스템 기술자들이 10여년간 노력 끝에 개발한 내용을 아래와 같이 정리하였다.

□ 설계의 정확성을 요구하는 개발공정

선저우 우주선의 안전 비행과 정확한 귀환은 유도 및 제어 시스템(GNC시스템)이 확보하게 된다. 그러나 유인 우주활동에서 GNC 자동제어시스템이 고장날 경우 임무 수행과 우주인의 생명안전은 선저우 우주선의 자동 제어시스템 외에도, 우주인의 수동 제어시스템을 통해 확보하게 된다.

1992년 유인우주선공정이 정식프로젝트, 선저우 우주선의 GNC 보조시스템 가운데 수동 제어시스템 임무를 베이징제어공정연구소 기술자가 담당했다. 그러나 중국은 수동 우주선 제어시스템을 개발한 경험이 없어 기술개발 난이도가 높았다.

자동 제어시스템은 정밀도가 아무리 높아도 각 변수에 의존하는 연산시스템이 중요한 역할을 하게 된다. 간섭 또는 이외의 고장을 대비해 우주인의 능동적인 역할을 충분히 발휘해야 한다. 따라서 GNC 보조시스템 기술자는 자동과 수동 제어시스템을 동시에 연구개발하기로 결정했다.

우주선 수동 제어시스템을 개발한 바 없는 기술자는 전문가로부터 항공기의 조종원리를 파악하고 조종자 훈련캡슐에서 조종간을 잡고 조종 느낌을 터득하였다.

기술자는 과감히 수동 ‘반자동’ 제어모델을 적용했다. 즉 지능형 컴퓨터를 시스템 핵심부품으로 간주하고, 클릭하기만 하면 지속효과를 보는 것이다.

기술자는 또한 당시 가장 선진적인 자세 포착, 위상평면 스위칭라인 자세제어 등 기술을 수동 제어시스템에 도입했다.

특히, 중국이 독자적으로 연구개발한 ‘지상-지상’형 자세 포착 기술은 우주선이 자세 제어력을 잃었을 경우 우주인의 간단한 조작으로 자세 포착을 통해 우주선의 정상 자세를 재확립할 수 있어 수동 제어시스템의 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.

이로써 전반적인 설계방안을 마련했으며, 이어서 세부적인 방안도 작성했다. 수동 제어시스템의 신뢰성 향상을 위해 기술자는 수동 제어시스템과 자동 제어시스템을 분리시킬 설계구상을 제시했다. 자동 제어시스템이 고장날 경우 수동 제어시스템을 가동한다.

□ 기술의 정확성을 목표로 추구하는 개발과정

구체적인 기술개발 방안을 마련하고 제품을 제조해야만 하는 상황이었다.

수동 제어시스템의 가장 핵심적인 부품은 제어기다. 수동 제어시스템은 연구개발 기간이 길며, 동시에 이에 앞서 시스템이 수행해야 할 임무가 상대적으로 간단하다.

선저우9호가 수동 도킹을 수행해야 하기 때문에 더욱 높은 요구를 제시했다. 초기에 기술자는 기존의 제어기를 사용하기로 했으나 임무가 많아져 제어기 운행이 갈수록 늦어짐을 발견하였다.

2010년 여름 선저우8호우주선을 제조해서야 기술자는 현재의 연산능력이 제어기의 최대한도에 도달했음을 발견했다. 따라서 서브시스템 책임자는 신규 제어기 연구개발을 가동하기로 결정했다.

2011년 여름 선저우8호우주선이 발사장에 진입함으로써, 기술자의 연구개발 기간은 1년도 채 남지 않았다. 다른 보조시스템 준비가 끝나고 제어기는 크기와 내외 인터페이스를 고정하였다. 담당기술자는 낡은 병에 새술을 담을 생각만을 한 과정이었다.

소프트웨어센터는 기존 제어기 가운데 가치 있는 부분을 골라낸 한편, 선진 소프트웨어를 추가하여 신규 제어기의 연산능력을 전반적으로 제고했다. 이 시기는 선저우8호 발사시간과 4개월도 채 되지 않게 남은 시기다.

제어기는 개조해야 하고, TV촬영기 전진과 후진을 해야 한다. 이 설비는 도킹임무 수행을 위해 특별히 추가한 것이다. 최초로 담당개발자는 복잡하게 생각하지 않고 일부 부품을 빼놓으려고 했다.

그러나 TV촬영기의 촬영효과를 검증하면서 실제 상황이 열악하다는 것을 뜻밖에 발견하고, 논증과 실제검증을 거쳐 궁극적으로 빼놓으려던 부품을 설치하기로 결정했다.

□ 설비의 신뢰성 확보해야 하는 공정시스템

우주환경은 복잡하다. 수동 제어시스템의 신뢰성을 검증하고자 기술자는 시뮬레이션 조종실을 구상했다.

최초의 조종실은 유인우주선 프로젝트 시작때 제작했다. 당시 수동 제어시스템의 연구개발을 책임진 왕난화(王南华)는 어렵게 연구비를 신청하고 조종실 연구개발을 시작했다.

그러나 조종실 검증능력은 유인우주선공정 1단계의 요구만을 충족시켜주었다. 유인우주선공정 2단계에 진입하여 수동 도킹임무를 검증해야 했는데, 기존의 조종실은 전반적인 개조를 필요로 했다. 연구비의 제한을 받아 많은 제조업체는 조종실 제작임무를 맡으려 하지 않았다. 담당기술자가 애원하듯이 부탁하여 몇몇 협력업체가 동의하여 개발하였다고 하였다.

개량한 조종실은 인간-기계 효과 검사를 추가하였다. 예를 들면 우주인이 조종간을 조작하는 것이다. 문제가 되는 것은 조종간을 이동하는 범위가 변화하면서 우주선의 운동 속도가 같지 않다는 것이다. 우주인의 참여로 기술자는 조종간의 이동 범위에 두 개의 난이도가 있는 ‘문턱’을 추가했다. 이로써 우주인은 우주선 속도의 지나친 빠름과 느림을 느낄 수 있다.

수동 제어시스템의 실제능력을 검증하고자 기술자는 지상 조종실 시뮬레이션 효과를 충분히 활용하여 우주인이 조종실 내에서 조작하여 가장 현실적인 테스트 효과에 이르도록 조치했다. 이 역시 기술자가 창의적으로 개발한 가장 권위적인 실험실 테스트 방법으로 인간의 폐회로 속과 같은 것이다.

2010년 초 기술자는 수동시스템의 현장 시험에 들어갔다. 시험은 순조롭지 않았다. 예를 들면 정상시야에서 상태를 잘 볼 수 있으나 센서 시야에 빛이 있을 경우 광도가 높을 것이라고 착각하고 자동 약화된다. 그러나 우주인의 경우 시야의 광도로 목표물을 잘 불 수 없다. 기술자는 연산루프를 여러 번 고쳤으나 100% 보장할 수 없어 수동으로 밝기를 조절하는 기능을 추가했다. 설비는 반복적인 시험을 거쳐 결국 기술요구에 적합한 것으로 개조되었다.