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큐브위성(CubeSat)의 국내외 개발동향

김채형(한국항공우주연구원 한국형발사체개발사업본부) 2021-10-28

CubeSat은 1999년 스탠포드(Standford)대학의 Bob Twiggs와 캘리포니아 폴리텍(California Polytechnic) 주립대의 Jordi Puig-Suari가 처음으로 기본 모델을 제안하였다[1]. 2003년에 최초의 CubeSat이 러시아의 Eurockot에 탑재되어 발사되었으며, 2021년 8월 기준으로 1600개의 CubeSat들이 발사되었으며 90개 이상이 발사 실패로 파괴되었다. CubeSat은 기본적으로 10cm X 10cm X 10 cm를 기본 크기로 하며 해당 크기에 대해 1.33 kg을 넘지 않아야 한다[1].

이 정도 크기의 위성은 나노급 위성으로 불리지만 현재는 CubeSat이 더 일반적이다. 2013년까지 CubeSat은 대학연구소나 아마추어들의 과학적 목적으로 주로 사용되었으며, 2014년 이후는 상업적 목적으로도 사용되고 있다.

CubeSat은 지구 저궤도에서 지구 대기 관측이나 아마추어 통신 등으로 주로 사용되었지만 최근에는 달 탐사(아르테미스 프로그램)나 화성 탐사에도 사용되고 있으며, 2018년에 나사의 MarCO CubeSat이 화성탐사를 위해 최초로 지구 궤도를 벗어나 우주비행을 수행하기도 했다[1].

CubeSat은 저렴한 비용으로 위성이 수행하는 일부 기능을 활용할 수 있다는 장점으로 개발도상국이나 민간 기업체, 대학교에서 많이 사용하고 있다. 이에 국내외 CubeSat 동향에 대해 기술하고자 한다.

소형 위성은 다음과 같이 주로 무게로 분류가 된다[1].

CubeSat은 대략적으로 10X10X10cm(부피로 1 liter)를 1U(unit)으로 하며 1U는 1.33kg를 넘지 않아야 한다[1]. 3U+는 1U 3개를 쌓거나 조립한 형태를 의미하며 무게는 약 4 kg가 된다. 대형 CubeSat은 6U(10X20X30 cm 또는 12X24X36 cm)와 12U(20X20X30cm 또는 24X24X36cm)이다[1].

2014년에 Perseus-M은 6U급으로 해상감시용으로 2대가 발사되었으며, 2018년에 나사는 화성에 InSight 착륙선과 함께 2대의 6U급 MarcO(Mars Cube One)이 사용되었다[1]. 현재 사용 중인 CubeSat은 소형위성의 나노위성급이며, 12U부터 마이크로위성급이다. Unit별 기본 골격 구조는 Fig1 과 같다.

Fig1 과 같이 주요 사각 구조물 안에 목적에 맞는 모듈들이 탑재가 되며 일반적으로 1U~3U이 많이 사용되고 있다. CubeSat은 발사시 P-POD(Poly-PicoSatellite Orbital Deployer)에 탑재되어 우주에서 발사가 되기 때문에 발사나 진동 충격에 대해 덜 영향을 받는다.

Fig 2는 국내에서 개발중인 CubeSat 발사관(P-POD)이다. 발사관은 CubeSat을 탑재하고 출구로 위성을 유도하는 Canister, 위성을 출구로 밀어주는 Kick spring, 위성을 발사관 내에서 고정시키고 회전을 방지하는 Clamps, 발사관 출구를 제어하는 Door release system과 출구로 구성되어 있다[3]. 미국의 달탐사 프로그램인 아르테미스 프로그램에서도 CubeSat은 발사관을 사용하는 동일한 방식을 사용하고 있다.

미국의 아르테미스 프로그램에 사용되는 CubeSat 발사관(Fig 3) 역시 Fig 2처럼 같은 형상을 하고 있다. 원형 테두리에 경사가 져서 배치되어 있으며 출구가 열리면 스프링힘으로 위성이 발사되도록 설계되었다.

CubeSat은 표준화되어 있어서 전기전자 회로같은 경우 상용 회로판인 COST(commercial off-the-self)를 주로 사용한다[1]. 대부분 COST는 내장된 PC/104이나 PCI-104 표준모델을 사용한다. 위의 CubeSat기본 뼈대에 평행하고 자세제어(기본 모듈), 전력조절, 적재물 제어, 주요 기능 제어 등의 모듈이 탑재된다. 기본 로직 모듈 외에 CubeSat의 목적에 맞게 이미지 관련 모듈이나 통신 모듈 등이 추가로 적재되어 임무에 사용된다.

CubeSat에 사용되는 추진시스템은 작은 크기로 인해 대부분 궤도 변경이나 약한 추진력을 얻기 위해 대부분 가스 추진을 사용한다. 가스 추진은 비활성 기체를 고압 소형 탱크에 저장하여 분사하는 방식이다(풍선을 불었다 놓으면 날라가는 매우 단순한 방식). 그리고 CubeSat에서 필요한 전력은 대부분 태양전지와 연료 전지 등을 사용하며 Fig 4와 같이 CubeSat본체 외부 벽에 태양전지가 부착되거나 별도로 날개판을 접거나 펼쳐서 추가적인 태양 전지판을 사용하고 있다.

달탐사를 위한 아르테미스 프로그램에서는 CubeSat을 사용한 다양한 도전적인 시험 임무를 수행하고 있기에 몇몇 CubeSat에 대해 소개하고자 한다.

EQUULEUS(EQUilibriUm Lunar-Earth point 6U Spacecraft)는 일본 JAXA와 도쿄(Tokyo)대학이 공동 개발한 CubeSat으로 수증기 추진을 사용한다[5]. 1.5kg 물을 전기히터로 가열하여 수증기로 추진을 얻는 방식으로 약 20 와트가 소모되며 비추력(Isp)는 약 70초이다.

Lunar IceCube 는 달에서 얼음층을 탐색하는 게 주요 목적이며 NASA와 Morehead 주립대가 공동으로 개발 중이다[6]. 추진시스템은 RF 이온 엔진을 사용한다. 고체 상태의 iodine 추진체를 유도 결합 플라즈마(inductively-coupled plasma) 방식으로 이온을 발생시켜 추진력을 얻는 방식이다. 50 와트의 전력을 사용하여 Isp 2800초에 1.1 mN의 추력을 발생한다 이는 위성이 달궤도에 도착하여 궤도 조절까지 사용가능하며 약 3개월 동안 작동될 예정이다.

NEA Scout(Near-Earth Asteroid Scout)는 NASA에서 개발한 태양돛 방식의 6U CubeSat이다[7]. 주요 목적은 지구주변은 1-100m 크기의 운석들을 정찰(분석)하는 임무이다. 이를 위해 한 변이 6.8 m인 정사각형 모양의 태양돛 (2.5마이크로 두께)을 사용하여 비행을 한다. 태양돛이 완전히 펼쳐지는 데는 약 30분의 시간이 소요된다. 태양중심 궤도를 비행하면서 약 2.5년동안 임무를 수행할 예정이다.

OMOTENASHI (Outstanding MOon exploration TEchnologies demonstrated by NAno Semi-Hard Impactor)는 일본어로 ‘환영한다’의 의미로 충격방식의 달착륙 CubeSat이다[8]. 일본 JAXA와 동경대에서 개발하고 있는 무게 14kg, 6U CubeSat이다. 특이한 점은 달 궤도를 비행하면서 탐사지점에 정해지면 가스 분사를 통해 달 대기로 진입하며 특정 고도에서 고체 로켓이 가동되어 감속이 된다(Fig 7).

지상 100m 지점에서 자유낙하를 하면서 에어백이 터지면서 달표면에 착륙을 하며 주변 토지 분석을 하게 된다. 이때 달 대기 진입시 궤도 비행에 사용하는 모듈(8.6kg)은 버리게 되며 에어백이 터지기 전에 고체 로켓 모듈(4.4kg)도 버리게 된다. 약 1kg 정도의 지표면 탐사 장비만 남게 된다.

Cislunar Explorers은 L자 형 3U CubeSat이 합쳐져 6U CubeSat을 이루며 미국 코넬(Cornell)대학에서 개발 중이다[9]. 물의 전기 분해 추진 시스템(water electrolysis propulsion system)이라는 매우 특이한 추진 시스템을 사용하는데, 이는 물을 전기 분해하면 발생하는 수소와 산소를 혼합하여 수소 로켓엔진으로 사용하는 방법이다.

수소와 산소를 별도로 저장할 필요가 없기에 안전하며 in-situ 자원 사용 방법을 사용하고 있다. 즉, 달이나 운석에 얼음이 있다면 이를 다시 녹여 물로 만들면 언제든지 전기분해를 통해 추진제로 재사용할 수 있다. L자형이 합쳐진 형태는 2대의 같은 CubeSat 중에 하나가 오작동하거나 파괴되어도 다른 하나는 작동하도록 하여 비행임무의 신뢰성과 안정성을 높이고 있다.

국내에서는 2000년대에 한국항공대학교에서 1 kg급 HAUSAT-1을 최초로 개발하였다[10]. 우주용 GPS를 위용한 관측 및 태양 센서의 우주 인증이 목적이었지만 발사체 발사 실패로 궤도에 오르지는 못하였다. 경희대학교의 KHUSAT은 미국 버클리 대학교와 우주 기후 관측을 목표로 하는 CINEMA 프로젝트를 통해 개발되어 2013년 11월 발사에는 성공하였으나 통신 불량으로 2014년 11월 위성 운용은 종료되었다[10].

2012년부터 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원 주관으로 ‘큐브위성 경연대회’를 수행하고 있으며, 경연대회 선정팀에게는 개발비와 발사서비스가 제공된다[11]. 2012년에는 KAIST의 2U LINK(2017년 ISS에서 궤도 진입 후 정상작동, 대기 조사), 한국항공대학교의 3U KAUSAT-5(적외선 카메라 지구 관측), 연세대학교 3U Tom&Jerry 분리형 우주 망원경 검증용 모델이 선정되었다.

2013년에는 경희대학교의 3U SIGMA(우주 방사능 측정), 충남대학교의 CNUSAIL-1(태양돛 운용), 조선대학교의 STEP Cube Lab(우주기반 기술 검증)이 선정되었다. 2013년 이후에는 2년마다 대회가 진행되고 있다.

2015년에는 서울대학교의 2U SNUGLITE(전리층 변화 관측), 3U SNUSAT-2(관심 지역 조기 탐지 임무), 한국항공대학교의 2U VisionCube(대기 극한방전 현상 이미지 획득 임무)이 선정되었다.

2017년에는 조선대학교/연세대학교의 3U KMSL(우주환경 화재/소염, 곰벌레 우주 생존 임무), 연세대학교의 3U CubeSat Yonsei(2기 분리형 태양광 관련 검증, 편대비행 검증)이 선정되었다.

2019년에는 3U크기의 과학 임무형 분야와 산업체와 함께하는 6U크기의 기술검증 분야로 진행이 되었으며, 서울대학교 SNUGLITE-I, KAIST의 ASTRIS-2, 조선대학교의 STEP Cube Lab-2, 연세대학교의 MIMAN, 솔탑의 6U CUbe Lab-II가 선정되었다.

2021년에는 코로나로 대회는 열리지 않았으며, 2019년에 선정된 CubeSat들은 누리호 1차 시험이 성공한다면 2차 발사 때 천리안 2B호와 함께 탑재되어 발사될 예정이다.

초소형 위성의 정의는 100 kg이하로 서두에서 분류한 위성 기준으로는 마이크로 위성 아래 분류에 해당한다[11]. 국내에서는 최근에 2031년까지 공공분야 초소형 위성 100기 이상을 산업체 주도로 개발한다는 '초소형 위성 개발 로드맵'을 마련하였다[13]. 과기정통부는 2031년까지 14기의 초소형 위성을 개발해 "6G 위성통신을 위한 초소형 통신위성 시범망'을 구축하고 2028년까지 22기의 초소형 위성으로 우주전파 환경관측 임무를 수행할 계획이다[13].

미국 기준으로 CubeSat의 1U당 발사비용은 2021년에 60,000 달러이며 제작에는 약 50,000달러 정도가 소요된다[1]. 위성 제작에 수십억, 발사에 수백~수천억이 소요되는 것을 판단하면 CubeSat은 최근의 위성 분야에서는 가장 가성비가 좋은 분야이다. 적은 비용으로 과학/상업/군사적 목적의 위성 사용이 가능하기 때문이다.

특히 CubeSat은 기술과 규격이 대부분 표준화되어 있기에 대학이나 민간 분야 사업체들도 쉽게 접근 가능하다는 장점이 있다. 우리나라의 경우 위성 분야의 기술 수준은 세계적이며 누리호 발사가 성공적으로 진행된다면 우리나라에서 만든 CubeSat을 우리나라에서 지속적으로 쏘아 올리는 것이 가능할 것이다. 또한 현재 큐브 위성 대회를 통해 많은 대학과 산업체들이 참가하고 있으며 이에 대한 관심이 앞으로 더 확대될 것으로 생각된다.

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