| 톈궁과 선저우 도킹제어시스템 핵심기술 연구개발 현황 | ||
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 톈궁1호와 선저우8호의 궤도에서의 우주도킹이 지상시험 검증효과보다 뛰어났다고 북경제어공정연구소 3실 리빈(李彬) 부주임이 밝혔다. 이번 우주도킹 임무에서 북경제어공정연구소는 전반 랑데뷰-도킹 유도, 유도항법제어(GNC) 시스템의 방안 설계, 기술 설계와 실현, 소프트웨어 설계와 실현 및 테스트와 평가측정, 시스템 제품통합과 시험 및 비행제어 등 임무를 맡고 궤도에서 최초로 톈궁1호의 싱글-짐벌 제어모멘트자이로(Single-Gimbal Control Moment Gyro, SGCMG), 140m 이내에서 상대적인 위치와 상대적인 자세 측량을 담당하는 CCD 광학이미지센서 등 핵심제품을 응용했다. □ 안정성: 자체 설계한 제어모멘트자이로가 무게 8톤인 우주장치를 정확하게 도킹하기 전에 우선 제동 걸어 선저우8호와 톈궁1호의 랑데뷰-도킹 제어기술은 고속 비행(탄알 속도의 8배)하는 두 우주장치가 수십만km의 추적을 거쳐 바늘에 실 꿰기 식으로 궁극적으로 합치되었다. 이는 세계적인 난제이다. 이에 앞서 미국과 러시아만이 이 기술을 장악했다. 북경제어공정연구소 기계전자센터 연구진은 무게가 8톤인 우주장치를 정확하게 도킹하기 전에 먼저 최초로 톈궁1호 싱글-짐벌 제어모멘트자이로의 궤도 응용에 성공해 안정시켰다. 자세제어시스템의 핵심부품으로서의 제어모멘트자이로제품은 출력 토크가 크고 제어 정밀도가 높으며 작업물질을 소비하지 않는 등의 장점이 있다. 해외는 제어모멘트자이로제품 연구개발 시작이 빠르며, 1960년대부터 통신 및 기상위성에 응용했다. 그러나 중국은 1990년대 초에도 이 분야 연구개발에 착수하지 않았다. 1998년 국가 863계획 전문가그룹은 미래 우주실험실과 대형위성 발전수요에 대응해 선행연구 과제를 확정했다. 종합비교를 거쳐 결국 북경제어공정연구소가 이 분야 연구개발을 담당하도록 정했다. 10여 년간 몇몇 디자이너와 생산책임자의 교체, 그리고 원리시제품, 공정시제품, 초기샘플, 정품 단계를 거쳤다. 이 과정은 집을 짓는 것처럼 후강(虎刚) 연구원이 탄탄한 토대를 마련하고 쉬잉샤(徐映霞) 연구원이 견고한 구조를 구축하고 나중에 우덩윈(武登云), 워이따충(魏大忠), 리강(李刚) 등이 집을 지었다. 연구팀의 평균 연령은 35세 이하이다. 연구원은 경험이 없어 한동안은 해외 동종업종의 도움을 받을 것을 기대했다. 러시아 상트페테르부르크지휘계량기연구소는 제어모멘트자이로를 전문 연구개발하는 기관으로서 설립 이래 다양한 모델의 제어모멘트자이로제품을 1,000대 생산하여 러시아의 많은 위성과 우주정거장에 활용했다. 러시아의 제어모멘트자이로 연구개발 수준은 세계 최고수준이다. 2006년 장지양(张激扬)은 연구개발팀을 따라 상트페테르부르크에 갔으며, 계량기연구소 연구개발인력과 교류할 수 있는 기회를 얻었다. 그러나 당시 많은 문제를 준비하고 러시아 측과 기술을 교류하려 했으나 거부당했다. 교류할 때마다 기밀누설방지를 위해 러시아 상무관이 전 과정을 수행했다. 제어모멘트자이로를 해외에서 직접 수입할 생각도 했다. 미국은 팔지 않았고 프랑스에서 구입하려 했으나 가격은 1,000만 달러로 엄청 높았으며, 그 기술을 자체적으로 배울 수도 없는 일이었다. 해외 도움을 받는다는 것은 불가능했다. 장지양은 진짜 핵심기술은 구매할 수 없으며, 자체적으로 기술을 장악해야 핵심기술을 얻을 수 있다는 것을 인식했다. 랑데뷰-도킹 임무의 핵심기술제품으로서의 제어모멘트자이로는 제품 품질 성능의 안정성과 신뢰성을 확보해야 하며, 고신뢰성과 장수명은 응용할 수 있는 전제조건이다. 제어모멘트자이로제품의 우주도킹에서의 만무일실을 위해 연구팀은 주도면밀한 전문프로젝트 신뢰성 시험계획을 제정했다. 특히 지적하고 싶은 것은 프레임 드라이브 기구의 수명 시험이다. 서로 다른 작동조건에서 드라이브기구의 회전속도 제어 정밀도를 모니터링하기 위해 연구자가 매일 관련 매개변수를 기록해야 하며, 또한 회전속도 제어 정밀도에 대한 실시간 계산을 해야 한다. 여러 명의 젊은 연구자는 2년 동안 휴가도 없이 교대하면서 지속적으로 이 일을 했다. 2010년 러시아 상트페테르부르크지휘계량기연구소 전무가가 북경제어공정연구소를 방문했다. 교류 회의에서 러시아 전문가는 “당신들이 우주실험실을 구축하려는 것이 아니였던가? 무엇 때문에 우리들의 제어모멘트자이로제품을 구입하지 않았느냐?”고 신기해하며 물었다. 제품 수석 엔지니어 장지양은 “우리들이 이미 그 제품을 만들었다.”고 자랑스럽게 대답했다. □ 정밀성: CCD카메라의 도킹 정밀도를 밀리미터로 향상 랑데뷰-도킹 유도와 유도항법제어 시스템의 경우 선저우8호와 톈궁1호의 도킹 수행을 위해 우주선에 CCD 광학 이미지 센서를 설치했다. 도킹과정에서 지상 레이더, GPS 등 설비는 선저우8호 ‘키’를 톈궁1호에 송달해 두 우주장치 사이의 거리를 수백 km에서 140m로 접근시켰다. CCD카메라의 유도로 두 우주장치는 지속적으로 접근해 결국 도킹을 수행했다. 이미징센터 자오춘후이(赵春晖) 주임은 “두 우주장치의 마지막 접근단계는 랑데뷰-도킹에서 가장 관건적인 단계이자, 난이도가 최대이고 요구가 가장 높으며 리스크가 극히 큰 단계이다. 시속이 초당 7.8km인 우주선과 톈궁 사이의 거리가 140m에서 도킹수행까지 모든 고장은 중대한 안전사고를 유발할 수 있다.”고 소개했다. CCD센서는 사람의 눈과도 같이 고속 비행하는 두 비행장치가 고속 접근 시 태양광선이 직사해도 눈을 깜박거려서는 안 되며, 게다가 톈궁1호에 설치된 6개의 타겟 램프(target lamp) 촬영을 하여 사진에 대해 실시간 분석 후 거리를 진단해야 한다고 자오춘후이가 말했다. 이 단계에서 제어시스템의 측량 센서, 제어방안, 시스템의 신뢰성 등 지표를 전면적으로 평가해야 한다. 왜냐하면 지상 명령이 제어 정밀도에 속수무책이기 때문이다. 측량설비의 방해대책을 충분히 검증하기 위해 두 번째 도킹은 태양조사지역에서 수행하여 강한 태양조사의 측량설비에 대한 방해를 점검해야 했다. 이를 위해 연구자는 우주환경 적응성 연구와 같은 대량 시험을 했다. 2009년 12월 도킹센서 연구팀은 15일간 실외 잡광검증 시험을 했다. 최초의 시험결과 정밀도가 해외 표준보다 한 자리수가 높았다. 당시 자오춘후이는 믿어지지가 않았다. “나중에 미국의 공개 문헌에서 제시한 연구 진전이 우리와 일치하다는 것을 안 후에야 안심할 수 있었다.”라고 했다. 정보출처 : http://digitalpaper.stdaily.com:81 |
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