원자력/우주항공

선저우8호 발사 성공, 3일 톈궁1호와 도킹

발행일 : 2011 / 11 / 01

북경시간으로 11월 1일 새벽 5시 58분 07초에 창정2F 야오(遥)8로켓은 주취안위성발사센터 유인우주발사장에서 발사됨. 로켓은 비행 583초 후 선저우8호우주선을 근지점 200km, 원지점 330km의 예정 궤도에 진입시켰음. 선저우8호의 궤도 경각은 42도, 주기가 5,379초인 운행궤도에서 톈궁1호와 1만km 떨어졌음. 선저우8호는 2일 안인 3일에 톈궁1호와 도킹.

□ 선저우8호우주선

– 개량형 유인우주선
– 전체 길이: 9m
– 최대 직경: 2.8m
– 이륙중량: 8,082kg
– 도킹기능: 자동과 수동

◯ 궤도모듈
우주인의 생활공간(5㎥)로서 모듈 외부에 도킹 측량설비와 능동 도킹장치 설치

◯ 귀환모듈
우주인의 조종실로서 낙하산과 착륙 버퍼시스템 장착했으며, 모듈 내에는 계기판, 지시판, 우주인의 수동제어 손잡이가 설치

◯ 추진모듈
우주선의 동력과 에너지 모듈로서 궤도제어, 자세제어 엔진과 태양전지판이 설치

□ 창정2F 야오8로켓

– 전체 길이: 58.3m
– 이륙중량: 497톤
– 탑재능력: 8,130kg

□ 창정2F 야오8로켓 기술우위

– 페어링, 제어방안, 도킹기술을 새로 개발
– 부스터 구조개선
– 추진제 주입량 증가
– 주요시스템의 컴퓨터는 이중화 설계 도입

□ 선저우8호우주선의 사명

– 톈궁1호와 중국 최초의 우주도킹 시험 수행
– 개량형 선저우우주선과 창정2F로켓의 기능과 성능, 공정 시스템 사이의 조율성 검증
– 조합체 작동모델 검증, 우주과학실험 전개

□ 선저우8호우주선의 기술개선

– 600대 설비 가운데 과반수의 기술 상태를 변화, 그 중 신규 개발 설비가 15%

– 자동과 수동 도킹기능을 확보하기 위해 일부 설비를 신규 추가 및 개량함

– 우주선의 성능 및 안전성과 신빙성 향상을 위해 부분적인 시스템을 개선함으로써, 우주선은 톈궁1호와 도킹한 후 180일 체류할 수 있는 능력 확보

□ ‘제로창구’ 발사, 초로 정확하게 계산

– 선저우8호는 ‘제로 창구’ 발사를 실시. 오차는 ±1초 사이이며, 이 시각을 놓칠 경우 발사를 늦추어 ‘제로창구’를 재차 모색할 수밖에 없음.

– 우주선을 톈궁1호와 공면하는 궤도로 발사하려면 선저우8호는 톈궁1호 궤도면에서 발사점을 지난 후의 어느 정도 시간 내에 정확하게 점화시켜 이륙해야지 그렇지 않을 경우 많은 양의 추진제를 사용하여 양자간의 궤도면 오차를 수정해야 함.

– 특히 이번 선저우8호 발사임무는 4시간 전에야 발사시간을 정확하게 초로 계산함.

– ‘제로창구’ 발사란 어느 정도 긴 발사창구 시간 내에서 창구에 근접하는 최적의 시간에 발사함을 말함. 예를 들면 발사창구가 5시에서 5시 30분 사이일 경우 ‘제로창구’는 정각 5시임. 이 시각에 발사할 경우 우주선을 최적격 위치로 발사할 수 있을 뿐만 아니라 궤도수정 과정에서 연료를 절약할 수 있음.

– 톈궁1호 발사창구 폭은 15분이지만 선저우8호 발사창구는 초로 정확하게 계산함

– 태양광선이 우주도킹 과정에서 사용하는 센서에 영향을 주기 때문에 최초의 우주도킹을 순조롭게 수행하기 위하여 우주도킹 위치를 지구의 음영지역으로 정함. 이는 발사 ‘제로창구’를 확정하는 다른 한 요인임

– 톈궁1호의 궤도 위치, 발사장 풍속과 로켓 중량에 근거해 시스템은 선저우8호 이륙시간, 정확한 점화시간을 계산할 수 있음. 발사가 확정되면 점화 제어 단말장치가 궁극적으로 자동 점화를 실시. 이로써 발사의 정확성을 확보.

□ 탑재물

– 선저우8호는 우주인을 탑승하지 않음

– 탑재 실험장치: 마이크로웨이브 레이더, 레이저 레이더, CCD센서 등 도킹 측량설비, 그리고 능동식 도킹장치 추가. 도킹장치는 유도판 내전(varus)식 이체 동종구조 주변식으로 구성되었으며, 도킹 후 0.8m의 우주인 이전통로를 형성

– 그래픽 기록설비와 역학 매개변수 측량설비를 추가 설치하여 도킹과정과 우주선의 비행과정에서의 많은 역학 매개변수를 기록할 수 있기 때문에 우주인의 지상 훈련과 우주선의 유인 역학 환경 평가에 이로움. 앞서 발사한 톈궁1호에도 우주인의 우주훈련설비, 의학 모니터링과 건강관리 설비가 장착됨.

– 대중들의 4만 개의 꿈을 담은 칩(귀환모듈에 실려 지상으로 귀환)

– 유럽우주국(ESA)의 생물 실험샘플

– 계수나무, 개여주, 물대 등 생물 품종

* 현재까지 우주육종기술을 통해 안정 생산이 가능한 70여 개의 다수확 신규 품종을 육종했지만 시험구 또는 보급시범구에 집중되었을 뿐, 실제 서민생활에 진입한 우주제품은 아주 적음. 시장에서 볼 수 있는 우주육종제품의 80-90%가 가짜임.

□ 국제협력

– 선저우8호는 중국과 독일 과학자가 공동으로 개발한 우주생명 실험장치를 장착했는데, 이는 중국 유인우주선공정에서의 최초로 되는 우주과학 응용분야 국제협력임

– 이번 선저우8호 개발과정에서 17개 과학시험프로젝트를 실시했는데, 그 중 10개가 중국 측 프로젝트이고, 6개가 독일 측 프로젝트이며, 1개는 중국과 독일이 공동 실시한 프로젝트임

– 독일 측 프로젝트는 식물과 동물 세포의 마이크로중력에서의 생물학 특성에 주목

– 33종의 동물, 식물, 미생물 샘플은 중국과 독일이 공동 개발한 40개의 바이오 인큐베이터에 넣음

□ 선저우8호와의 도킹을 위해 톈궁1호가 수행한 4가지 임무

– 궤도에서 4번째와 13번째 바퀴를 도는 과정에서 궤도수정을 진행하고, 고도가 354km인 원형에 가까운 궤도(nearly circular orbit)에 진입

– 플랫폼의 궤도 테스트 수행, 특히 도킹 측량설비, 도킹장치 성능, 정지 제어, 배면 비행 등의 기능 테스트

– 과학실험 페이로드의 궤도 기능을 검사, 설비마다 상태가 정상

– 위상 변조와 궤도 원형화를 수행, 고도가 343km인 도킹 궤도에 진입하여 선저우8호와의 도킹 대기

□ 도킹과정 5단계

◯ 장거리 안내단계

선저우8호는 궤도에 진입하기 시작해 지상 관측통신시스템의 안내로 5회의 궤도수정을 거쳐 기존 궤도에서 톈궁1호와 공면하는 330km의 원형에 가까운 궤도로 천이하며, 톈궁1호와 아래로 약 52km 떨어진 곳에서 안정적인 공대공 통신회선을 구축하고 자체 내비게이션을 개시

◯ 자체 제어단계

– 선저우8호는 톈궁1호와 접촉할 때까지 자체적으로 내비게이션 제어
– 소요시간은 반시간

◯ 도킹단계

– 도킹단계는 도킹부품의 접촉에서 시작해 15분 내에 포착, 버퍼, 당기기, 잠금의 4가지 과정을 수행
– 궁극적으로 두 개 우주장치의 강성 연결을 실현하여 조합체를 이룸

◯ 조합체 비행단계

– 조합체 비행단계는 톈궁1호가 제어를 책임지고, 선저우8호는 정지 상태에 처함.
– 조합체는 12일 비행하고 기회를 타서 2번째 도킹시험 진행
– 주요 과정은 도킹장치의 잠금 해제로 두 개의 우주장치가 분리하며, 선주8호는 톈궁1호와 140m 떨어진 곳에서 2번째 도킹을 수행하고, 재차 조합체를 구성

◯ 분리 철수단계

– 조합체는 비행 2일 후 분리 철수단계에 진입하며, 두 개의 우주장치는 재차 분리함
– 우주선은 톈궁1호와 5km 떨어진 안전한 거리로 철수하고 도킹시험 완료
– 선저우8호 귀환모듈은 지상으로 귀환
– 톈궁1호는 궤도를 수정하고 자체 비행궤도에 진입하여 장기 비행단계에 진입

□ 도킹 사고 대비 조치

고속 비행하는 두 개의 우주장치가 우주궤도에서 정확하게 합류하려면 정밀도를 십여 센티미터 이내로 제어해야 함

– 아무런 의문점 없이 발사
– 가장 중요한 자체 제어시스템과 도킹장치를 핵심으로 대량 지상 시뮬레이션과 시험검증 진행
– 도킹과정에서 생길 가능성이 가장 큰 고장을 상대로 수 백 가지의 고장 대비책을 마련하고, 합동훈련을 반복함
– 다양한 고장에 대해서는 서로 다른 안전 모델을 설계. 예를 들면 두 개의 우주장치 충돌을 방지하고자 우주선 철수와 이탈의 두 가지 안전 모델을 설계한 한편, 안전 제어 포인트를 설정하고 안전 기준을 정함

□ 선저우8호 도킹과정 스케줄

– 선저우8호는 2회의 도킹을 수행. 최초의 도킹은 3일 새벽에, 다른 한 차례는 14일에 수행

– 1일 정오 12시에 선저우8호는 5번째 바퀴를 돌면서 최초의 궤도제어를 하고 근지점 고도를 높임

– 2일 13, 16, 19, 24번째 바퀴를 돌면서 4회의 궤도제어를 진행하고 3일 새벽에 최초의 도킹 수행

– 그 뒤 잠금 상태 돌입

– 조합체가 비행 12일 후인 11월 14일에 선저우8호는 톈궁1호와 이탈하고 다시 도킹을 수행하며, 공동 비행 2일 후 16일에 선저우8호가 두 번째로 톈궁1호와 이탈해 17일 지상으로 귀환함으로써 도킹을 마침

□ 향후 목표

– 2012년 말 전으로 선저우 9호와 10호를 발사하여 톈궁1호와의 도킹시험 수행. 그 중 최소한 한 번은 유인 비행 실현