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금속유기골격구조체는 분자단위에서 같은 물질들이 일정한 규칙과 간격을 가지고 배열돼 생성되는 것이기 때문에, 1g 당 축구장과 같은 크기의 표면적을 가지고 있으며, 고용량의 물질 저장 능력과 빠른 물질 이동특성을 갖고 있습니다.

이는 많은 양의 물질을 내부에 저장할 수 있기 때문에  최근 다양한 종류의 차세대 저장체 연구에 필수 장비로 사용되고 있습니다.

그러나 현재까지 금속유기골격구조체는 7.0Å(100억 분의 1m) 크기의 아주 작은 단분자만을 사용했기 때문에 커다란 크기의 고분자 및 단백질의 저장에는 활용될 수 없었고, 단지 고용량 가스 저장체로서의 가능성만 입증된 상태였습니다.

또한 구조가 내부에서 서로 엇갈려 있어 큰 크기의 단백질을 저장하는 것은 사실상 불가능했습니다.

KAIST EEWS대학원 오마르 야기(Omar M. Yaghi)교수팀은 커다란 크기의 기공을 갖는 금속유기골격구조체를 개발해 여러 종류의 단백질을 고용량으로 저장할 수 있는 원천기술을 확보했습니다.

이번에 개발된 기술은 다양한 종류와 크기의 단백질을 저장 할 수 있어 ▲고용량 고집적의 신약 개발 ▲특정 바이러스 분리 물질 개발 ▲인체 내에서 악성 반응을 일으키는 특정 단백질의 선택적 제거 ▲특정 부위에서 작용하는 신약 수용체 개발 ▲희귀 고분자 단백질 영구 보존 등 다양한 분야에 폭넓게 활용될 수 있습니다.

이와 함께 줄기세포를 포한한 모든 인체의 세포까지 선택적으로 분리하고 영구히 저장할 수 있어 난치병 치료나 생명연장을 위한 의학기반 기술 발전에도 큰 도움이 될 전망입니다.

야기(Yaghi) 교수팀은 커다란 크기의 분자들을 이용해 금속유기골격구조체를 만들고, 단백질처럼 아주 큰 물질을 구조체 내부에 일정하게 배열시켜 효율적으로 저장하는 방법을 고안해 세계 최초로 규칙적 분자구조체 내부에 비타민과 미오그로빈(Myoglobin) 같은 단백질을 고용량으로 저장하는데 성공했습니다.

또 5nm 이상의 크기를 가지는 분자체를 이용한 금속유기골격구조체를 개발하고, 금속유기골격구조체의 주기적인 기공을 처음으로 투과전자현미경을 이용해 관찰했습니다.

다른 길이의 분자를 사용하여 합성된 금속유기골격구조체를 보여주는 모식도. IRMOF-74-I 에서 IRMOF-74-XII 로 점점 연결된 벤젠 (benzene)숫자가 늘어나 기공의 크기가 원자단위에서 늘어가고 있다.


이번 연구는 그동안 불가능했던 큰 크기의 단백질 및 고분자들을 규칙적 배열을 가지는 다공성 물질을 개발해 고용량으로 저장하는 원천기술로, 고용량으로 집적된 단백질 약을 원하는 곳에 투여함과 동시에 제거해야 할 분자들을 선택적으로 흡수함으로써 난치병이나 희귀병 치료에 획기적인 역할을 할 수 있을 것으로 기대받고 있습니다.

이번 연구는 오마르 야기(Omar M. Yaghi) 교수와 오사무 테라사키(Osamu Terasaki) 교수가 공동으로 수행했습니다.

이번 연구결과는 '사이언스(Science)' 5월호(25일자)에 게재되었습니다.

크기에 따라서 다른 단백질이 저장 되는 것을 보여주는 그래프
각 그래프에서 그래프가 아래쪽으로 내려갈수록 단백질이 많이 저장되었음을 나타내는 것이며, 검은색 그래프는 금속유기골격구조체에 각각의 크기가 다른 단백질이 삽입되었을때의 변화를 나타내는 것이며 빨간색은 대조군이다.
이 그래프에서 확인 할 수 있는 바와 같이 각각의 조절된 다른 크기를 가지는 금속유기골격구조체는 크기가 다른 단백질 분자들을 선택적으로 흡수 할 수 있었다.
이것은 큰 크기의 고분자가 원자단위에서 조절된 기공을 가지는 금속유기골격구조체에 저장됨을 보여주는 첫 번째 사례이다.

 

각각 다른 기공크기를 가지고 합성된 금속유기골격구조체에 다양한 크기의 단백질 및 고분자가 저장 될 수 있음을 역동적으로 나타내는 모식도

 

<보 충 자 료>

지금까지 일정한 방향으로 배열된 큰 기공크기의 금속유기구조체를 만드는 것은 구조의 불안정성과 물질 내부에서 서로 얽히는(interpenetrating) 문제로 인하여 불가능 하다고 여겨져 왔다.
그러나 단백질이나 고분자 같은 거대 분자를 효율적으로 저장하기 위한 노력은 계속 이어져 왔다.

또한 기존의 메조포어를 가지는 물질 (mesoporous silica, porous carbon 등) 같은 경우 원자크기의 영역에서 그 기공의 크기와 구성을 조절하는 것은 불가능 하였다.

그러나 금속유기골격구조체의 경우 화학반응에 의해 모든 결합이나 문자들의 길이가 조절되기 때문에 원자단위의 영역에서 구조를 조정하는 것이 가능 하였다.

이 논문에서는 벤젠(benzene)링의 개수에 따라 길이가 달라지는 (linker)를 사용하여 1개의 벤젠에서부터 최대 12개의 벤젠을 가지는 링커를 합성하고, 그 링커들을 사용하여 금속유기골격구조체를 만듦으로서 10의 마이너스 10승 m 단위에서의 기공 크기 조절이 가능하였다.

또한 기공의 크기가 조절된 유기골격구조체를 사용하여 vitamin-B12(27 Å), MOP-18(34 Å), myoglobin(35-44 Å), green fluorescent protein(45 v)의 크기가 다른 물질을 선택적으로 저장 할 수 있음을 ultraviolet-visible (UV-Vis) spectrophotometry를 이용하여 확인 할 수 있었다.

 

 용 어 설 명

금속유기골격구조체 :
금속과 유기물질을 사용하여 일정하게 배열된 구조를 가지는 골격체

단백질 :
아미노산이 펩타이드 결합을 하여 생긴 여러 개의 아미노산으로 이루어진 고분자 화합물.

다공성 물질 :
물질의 내부나 표면에 작은 구멍이 많이 있는 성질.

표면적 :
물질을 구성하고 있는 원자가 공간 내에서 규칙적으로 배열되어 생성된 겉넓이

메조포어 :
20~500 크기를 가지는 미세기공

투과전자현미경 :
고진공 하에서 아주 얇은 시편을 전자 빔을 이용해 원자 단위로 확대하여 볼 수 있는 장비

 

<Omar M. Yaghi 교수>

1. 인적사항

○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원
○ 연락처 : yaghi@kaist.ac.kr


2. 학    력
○ State University of New York 학사 1984
○ University of Illinois, Urbana 박사 1990
○ Harvard University, Postdoctorial Fellow 1992


3. 경력사항
○ 2010. 3.~현재 KAIST EEWS 대학원 교수
○ 2012. 1.~현재 University of California, Berkeley 교수


4. 주요연구실적
○ 2011 세계 인용횟수 2위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 2 of 6,548))
○ 2008 AAAS Newcomb Cleveland Prize for most outstanding paper published in Science during 2006-2007
○ 2007 세계 인용횟수 10위의 화학자 선정 (Top one quarter of one percent of the most highly cited chemists (ranked number 10 of 6,548))
○ 2007 100 papers with over 100 citations per paper (1997-2007)
○ 2006 Listed among the "Brilliant 10" scientists and engineers

5. 출판
○ 국외논문 150여편 게재
○ Science 및 Nature 20편 게재
○ 22개의 특허 보유

<Osamu Terasaki 교수>

1. 인적사항
○ 소  속 : KAIST 공과대학 EEWS대학원
○ 연락처 : 042-350-1711,
         
2. 학    력
○ Tohoku University 학사 1965
○ Tohoku University 석사 1967
○ Tohoku University 박사 1982

3. 경력사항
○ 2010. 3.~현재 현재 KAIST EEWS 대학원 교수
○ 2003. 3.~2011. 9. Stockholm 대학 화학과 교수
○ 1967. 2.~2003. 2. Tohoku 대학 교수

4. 주요수상경력
○ 2008 Humboldt Research Award (Alexander von Humboldt Foundation)
○ 2007 The Donal W Breck Award, International Zeolite Association
○ 2001 The Best Paper Award, Japanese Society of Electron Microscopy.

5. 출판
○ 300 편 이상의 국제 학술 논문 출판
○ Science 및 Nature 14편 게재
○ 저서 2권


posted by 글쓴이 과학이야기

한국천문연구원에 따르면 2012년 5월 21일 오전 6시 23분부터 8시 48분까지 우리나라 전역에서 부분일식이 관측됐습니다.


이날 가장 많이 가려지는 최대 부분식 시각은 오전 7시 32분(서울 기준)이며, 이 때 해의 약 80%가 달에 가려졌습니다.

이후 8시 48분까지 약 2시간 25분 동안 일식이 진행됐습니다.

일식은 해가 가려지는 정도를 기준으로 부분일식, 개기일식, 금환일식으로 구분됩니다.

부분일식은 해의 일부가 가려지는 경우, 개기일식은 해의 전부가 가려지는 경우입니다.

금환일식은 달의 공전 궤도상 지구와의 거리에 의해 해의 전부가 가려지지 않고 테두리가 남아 금반지처럼 보이는 경우입니다.

이날 일본 남부지역과 북태평양, 그리고 미 서부 지역 일부 등지에서는 금환일식이 관측됐습니다.

이전에 우리나라에서 볼 수 있었던 일식은 지난 2010년 1월15일 부분일식이었습니다.

우리나라에서 관측이 가능한 다음 일식은 4년 후인 2016년 3월 9일입니다.

 



posted by 글쓴이 과학이야기

우리나라가 세계에서 4번째로 서브미터급 상용 인공위성 보유국이 됐습니다.

한국항공우주연구원이 제작한 다목적실용위성 아리랑 3호는 18일 오전 1시 39분 00초에 일본 다네가시마 우주센터에서 미쓰비시중공업이 제작한 H2A 로켓에 실려 성공적으로 발사됐습니다.

이날 예정된 시간에 정확히 발사된 아리랑 3호는 발사 16분 3초 만에 고도 676.35㎞, 동경 129.189도, 북위 2.059도 필리핀 인근 상공에서 H2A 로켓과 분리됐습니다.

이어 오전 2시 19분 경에는 남극 트롤 지상국에 자신의 상태 정보를 전송하며 건재함을 과시했습니다.

항우연 지상국은 3시 18분 18초에 아리랑 3호와 교신에 성공하고 위성 상태에 관한 데이터를 내려 받아 분석 중입니다. 

다음은 발사 순간을 담은 사진입니다.

 

posted by 글쓴이 과학이야기

※ 다음 자료는 한국항공우주연구원이 발간한 '다목적실용위성 아리랑 3호 프레스킷'을 바탕으로 한 것입니다.


아리랑 3호 탑재체 조립/정렬/시험의 긴 여정

<한국항공우주연구원 탑재체광학팀 이응식 선임연구원>

685Km상공에서 0.7m 해상도를 갖는 우주용 전자광학카메라을 우리 손으로 우리 실험실에서 처음으로 직접 개발한다는 희망과 설레임으로 시작한 아리랑 3호 탑재체 개발. 엔지니어로서 가질 수 있는 최대의 보람이자 이런 기회가 주어진 것을 감사하게 생각하며 연구를 진행하였다. 아리랑 2호 탑재체는 해외공동개발이어서 경험 많은 해외업체가 앞장서서 많은 부분을 해결하고 우리는 도와주며 배우는 과정이었지만, 아리랑 3호 카메라 개발은 부분품은 해외업체에서 제작을 하지만 설계부터 조립/정렬/시험까지 우리가 수행하는 방식이었다. 새롭게 구축한 정밀 시험시설에서 처음으로 고해상도 우주용 카메라를 개발하는 과정에 많은 어려움이 있을것이라는 해외 협력업체들의 자문과 우리 스스로 어려움이 예상되는 부분에서 많은 준비를 하였다.

우주용 전자광학카메라 조립/정렬/시험을 간락하게 설명하면, 다섯 개의 반사경을 나노미터 급으로 정렬한 광학모듈과 CCD와 전자보드로 구성된 초점면어셈블리를 정렬한 후 발사 및 우주환경 시험 통과하면 개발을 완료하게 된다. 광학모듈 조립/정렬 및 초점면어셈블리 정렬 과정은 여러 문제들을 해결하였지만 예상보다 순조롭게 진행되어 우리도 하니까 할 수 있다는 섣부른 자신감을 막 가지려는 때에 환경시험이 기다리고 있었다.

발사 진동시험 후 구조적 특성은 변화가 없었지만 초점면어셈블리의 미끄러짐과 광학모듈 내의 변화로 인한 초점이동이 관찰되었다. 초점면어셈블리는 조립/정렬 시의 어려움보다는 영상 품질을 최우선으로 설계하였기 때문에 CCD와 전자보드를 일체형으로 크고 무겁게 만들어 진동 시험에 의해 위치가 변화하였다. 광학모듈은 해외개발자들 사이에서 이야기되는 소위 자리잡기에 의해 광학적으로 제일 예민한 두 번째 반사경의 상대위치가 미세하게 수 마이크론 이동된 현상이 관찰되었다. 많은 원인 분석 및 추가 시험을 통하여 개선안을 마련하여 적용한 후 두 번째 진동시험을 수행하였다. 두 번째 진동 시험에서는 초점면어셈블리의 회전 변형이 발생하고 복사특성 시험 후 다시 회복되는 현상이 관찰되었다. 이는 복사특성 시험 중 초점면어셈블리 주변 온도 상승으로 인한 안정화효과로 이해하고 장착응력 풀림과정을 새로이 적용하여 해결하였다. 이를 적용한 후 두 번의 추가 진동 시험에서는 변형이 발생하지 않았다. 발사 시의 진동을 견뎌내고 우주환경 조건에서 성능이 만족됨을 확인하는 환경시험이 우주개발 프로제트의 제일 어려운 부분이라는 기본을 다시한번 깨닫게 해준 과정이었다.

< 아리랑 3호 탑재체 열진공 시험 준비 >

프랑스의 유명한 전자광학카메라 제작사가 해변에 광학시험실을 만들었다가 파도에 의한 미세한 진동 영향으로 성능측정이 불가능해져 시험실을 다시 건축했다는 이야기도 들은 바 있다. 우리도 실험실 구축 시에 이런 부분에 많은 노력과 세심한 주의를 기울여 수치상으로 표현되는 진동노이즈 레벨이 요구조건에 만족하는 실험실을 구축하였다. 그러나 685Km 상공에서 0.7m의 지상 물체를 구분하며 외곽선을 선명히 촬영해야 되는 아리랑 3호 카메라는 드러나지 않는 미세한 진동노이즈에도 성능 측정을 쉽게 허락하지 않았다. 주변에 사람과 자동차가 하나도 없는 새벽에 측정하는 등 진동원을 줄이기 위한 과학적 노력과 함께 감성과 예술의 시각으로 카메라를 느끼며 정렬과 성능시험을 수행하였다.

아리랑 3호와 비슷한 성능인 프랑스의 Pleiades 위성도 탑재체 개발 시의 여러 기술적 문제로 수년간 지연되어 작년말 발사되었다. 고해상도 우주용 카메라 개발에는 경험 많은 선진 해외업체들도 우리와 비슷한 어려움을 겪는다는 사실에 잠시나마 위안을 삼으며, 탑재체 개발 노하우를 축척하는 힘들지만 보람 있는 여정이었다고 기억한다. 우리 실험실에서 우리 손으로 개발한 아리랑 3호가 촬영한 선명한 영상이 많은 사람들을 활짝 웃게 만들기를 간절히 기원한다.

posted by 글쓴이 과학이야기

 ※ 다음 자료는 한국항공우주연구원이 발간한 '다목적실용위성 아리랑 3호 프레스킷'을 바탕으로 한 것입니다.


 
□ 개요

사업명

다목적실용위성3호 개발사업

사업목표

한반도 정밀지상관측 등 국가 영상정보 수요충족을 위지구저궤도용 해상도 70cm급 광학관측 카메라 탑재위성의 국내주도개발

사업기간

2004년 8월 ~ 2012년 8월

사업예산 및 참여부처

총 2,826.5억원

교육과학기술부(1,936.5억원/총괄)
지식경제부(890억원)

추진체계

주관기관

한국항공우주연구원

참여기업

(주)한국항공우주산업, (주)대한항공, (주)한화, (주)두원중공업 등

주요 연구내용

•시스템 및 본체 개발
•고해상도 광학 탑재체 개발
•수신시스템 및 관제시스템 개발
•영상자료 활용기반 구축

 

□ 추진배경

우주기술은 21세기 첨단산업을 선도할 핵심 복합기술로 국가 안전 및 위상제고, 신산업 창출 등을 위해 필요한 국가 전략사업

○ ‘우주개발중장기기본계획’에 따라 한반도의 정밀지상관측, 환경․농업분야 관측 등 다양한 정보수요에 대응하기 위해 고해상도 카메라가 탑재된 다목적실용위성 개발

실용급 인공위성기술의 국내 독자 개발능력 확보를 통한 핵심영상정보의 자주적 획득․활용

 

□ 정부부처간 공동협력 개발 

교육과학기술부는 전체의 시스템개발을 총괄하고 지상국, 활용기반 구축을 주관, 지식경제부는 위성본체 개발 및 국산화개발을 주관함 

다목적실용위성개발사업 추진위원회를 통하여 사업계획, 관련 기관 간 예산 및 역할 조정, 외국기관과의 협약 등 주요사항을 확정 

총괄주관기관(항우연) 주도로 사업을 수행하고 민간기업이 개발에 참여

 

□ 개발체계 

○ 다목적실용위성 1호 및 2호기 개발을 통해 축적된 경험과 기술을 바탕으로 3호 개발사업을 추진 

○ 위성본체 개발은 항우연이 주도적으로 주관하고, 부분품 개발에 다목적실용위성 1호, 2호 등에 참여한 기업을 중심으로 참여 

○ 탑재체 개발 중 부분체 설계, 광학모듈 정렬/시험, 조립/성능시험 등은 항우연이 주도적으로 주관

- 구성품 하드웨어(반사경, 고안정성 경통 구조체, 카메라 전자부, 영상자료처리장치 등) 개발은 해외 기술협력을 통하여 수행 

○ 지상국개발 중 관제시스템은 다목적실용위성 1호 및 2호 개발에 경험이 있는 전자통신연구원(ETRI)이 참여 

수신․처리시스템 구축 및 인터페이스는 항우연이 개발을 주도하고 주요 수신․처리시스템 및 S/W개발은 외부 국내기업을 통해 수행

 

□ 주요경과

일자

내용

2004. 8

사업착수

2005. 3

임무정의 검토회의(Mission Definition Review)

2005. 11

요구사항 검토회의(System Requirement Review)

2006. 2

시스템 설계 검토회의(System Design Review)

2006. 11

위성본체 예비설계 심사(Bus Preliminary Design Audit)

2007. 8

시스템 예비설계 검토회의(System Preliminary Design Review)

2008. 8

위성본체 상세설계 심사(Bus Critical Design Audit)

2008. 11

탑재체 상세설계 심사 (Payload Critical Design Audit)

2008. 12

시스템 상세설계 검토회의(System Critical Design Review)

2009. 11

조립/시험 전 검토회의(Integration Readiness Review)

2010. 7

본체/탑재체 개발모델 지상검증 완료

2011. 10

탑재체 비행모델 지상검증 완료

2011. 12

위성체 열진공 환경시험 완료

2012. 1

위성체 발사환경시험 완료

2012. 2

선적 전 검토회의(Pre Ship Review)

2012. 3

발사장 운송

2012. 5

발사(예정)

2012. 8

사업종료

 

□ 주요 개발 과정 사진

<설계검토회의>

<구조/열 시험모델>

<태양전지판 전개 시험>

<본체 성능점검>

<열진공시험 준비 - MLI 장착>

<광학탑재체 AEISS 개발>

<광학정렬 실험실>

<전자파 환경시험>

<진동시험>


<음향환경 시험>

□ 국산화품목 및 수행 기관

 

분류

국산화 품목

수행기관

탑재체

전자광학 카메라 조립/정렬/시험
- 광학모듈 정렬/시험
- 전자광학카메라 조립/성능시

한국항공우주 연구원

위성본체

- 위성 구조체 제작
∙탑재모듈
∙전자모듈
∙태양전지판
∙추진모듈
∙위성체어댑터

(주)대한항공

- 열제어부품 제작
∙다층박막 단열재
∙이차면경

두원중공업(주)

- 추력기 제작 및 추진계 조립
∙이중추력기
∙추진계 조립

(주)한화

- 전력계 및 원격측정명령계 부품 제작
∙종합탑재 컴퓨터
∙전력제어 및 분배기
∙S-대역 트랜스폰더

한국항공우주산업(주)

- 초고주파신호 분배기 제작

(주)엠앤엠링스

- 태양센서 제작

(주)쎄트렉아이

posted by 글쓴이 과학이야기

※ 다음 자료는 한국항공우주연구원이 발간한 '다목적실용위성 아리랑 3호 프레스킷'을 바탕으로 한 것입니다.



□ 발사 예정일시 : 2012. 05. 18(금), 01:39:01(현지/한국시각)

○ 발사 윈도우* : 01:39:01 ~ 01:42:01(현지시각, 한국시각)

* 인공위성의 발사 가능 시간대(위성발사 후 궤도안착 까지 태양전지판 등에 대한 태양 광선의 입사상황을 고려할 때 한정된 시간구간 내에서 발사 가능)

 

□ 발사체 및 발사장

발사체 : H-IIA

○ 발사장 : 일본 다네가시마 우주센터(JAXA)

○ 발사용역업체 : 일본 미쓰비시 중공업사

 

□ 발사 후 지상 궤적

 

□ 발사 형상

○ H-IIA 발사체는 정지궤도 천이궤도(36,226km×250km)에 4000kg의 위성발사가 가능한 발사체로, 이번 발사 시 우리나라의 아리랑 3호와 JAXA의 GCOM-W1 및 소형위성 2기를 동시에 발사할 예정

○ 2단 발사체에 아래의 그림과 같이 위성이 탑재된 이중 발사 형상으로 발사하게 되며 아리랑 3호는 상단 페어링에 내에 위치

- GCOM-W1 및 2개의 소형위성은 하부페어링 내에 위치

 

□ 발사 준비 

발사준비과정은 위성 및 관련 지상장비 등이 발사장에 도착한 이후에 진행되는 위성체 작업, 발사체 작업, 공동 작업 등을 의미 

○ 아리랑 3호는 한국에서의 최종 기능점검을 완료(’12.2.28)하고 3월 16일, 안전하게 다네가시마 발사장으로 이동 완료 

○ 발사 준비일정 : 약 60일 정도 소요예정

일(Day)

점검 항목

L-60 ~ L-31

위성 기능 점검

L-30 ~ L-26

위성 추진제 충전

L-25 ~ L-15

위성 최종 점검

L-14

상단/하단 페어링 종합

L-10

페어링과 발사체 결합

L-7

임무준비 점검회의

L-6

발사 리허설

L-5

종합 전기접속 시험

L-3

발사준비 점검회의

L-1

발사대로 이동

L-0

발사

 

□ 발사 

발사체 이륙 및 위성분리 주요단계 

순서

시간

주요단계

고도(km)

발사체

이륙

L+0 초

발사 (Lift-off: L)

-

L+126 초

고체로켓부스터 분리

59

L+250 초

상단 페어링 분리

148

L+396 초

1단 주엔진 연소 중지

301

L+404 초

1단 분리

313

L+410 초

2단 엔진 점화

322

L+926 초

2단 연소 중지

676

발사체와

위성분리

L+976 초

아리랑 3호 위성 분리

676

L+1161 초

하단 페어링 분리

679

L+1391 초

GCOM-W1 위성 분리

683

L+2000 초

SDS-4 위성 분리

696

L+3000 초

HORYU-2 위성 분리

692

발사 후 단계별 고도
 

 

발사 예상경로

 

□  사용궤도 및 궤도 획득 프로세스

 

아리랑 3호는 평균고도 685km 의 태양주기궤도상에서 임무를 수행하게 되며, 적도를 북반구 방향으로 상승통과하는 평균 지방시(승교점 지방시)는 오후 1시 30분이다. 다음은 발사체와 위성체 분리이후, 위성이 최종운용궤도에 안착하기까지의 과정을 요약한 것이다. (아리랑 3호가 최종운용궤도에 안착하는 상세계획은 발사체와 분리된 이후 발사체의 진입 정밀도에 따라 달라진다)

 

< 발사 이후 위성 지상 궤적 >

 

□ 1단계 : 위성체 분리 (L+976.2초)  

○ 발사 후 976.2초 이후 위성체가 발사체로부터 분리된다. 이때의 고도는 676km 이고, 원궤도이다.

위성체 분리 위치는 동경 129.103도 / 북위 2.375도 이며, 분리 직후 발사체 관제국에서 위성체가 분리되었다는 발사체 신호를 수신하여 한국항공우주연구원으로 전달해 줄 계획이다.

□ 2단계 : 위성으로부터 첫 원격자료 수신 (L+39분) 

위성이 발사체와 분리 된 이후, 첫 교신은 남극에 위치한 KSAT사*(노르웨이)의 트롤(Troll) 지상국에서 수행된다.

노르웨이 트롬쇠(Troms)에 위치한 위성 원격측정 및 명령 서비스 제공 업체로,북극의 스발바드 지상국(북위 78도)과 남극의 트롤 지상국(남위 72도)을 운영함. 이곳에 분포된 안테나를 이용, 일일 15회 위성 원격측정 및 명령 제공이 가능함,

이 시기에는 태양전지판의 성공적인 전개 여부는 확인이 불가능하고, 위성의 현재 상태에 대한 모니터링이 가능하다.

 

□ 3단계 : 위성체 분리 시점의 궤도정보 획득 (L+1시간)

발사체 회사는 발사이후 1시간이 경과하면, 위성체 분리 당시의 정밀궤도정보를 한국항공우주연구원에 제공할 계획이며, 이를 이용해 초기분리궤도와 최종운용기준궤도의 차이에 대한 분석을 수행한다.

 

□ 4단계 : 태양전지판 전개 성공 여부 확인 (L+100분)

발사 1시간 29분 이후, 위성체는 KSAT사의 노르웨이 스발바드 지상국과 교신을 하게 되며, 이 교신에서 태양전지판의 성공적인 전개 여부를 1차적으로 확인한다.

발사 1시간 40분 이후, 대한민국의 대전 지상국(항우연)과 교신을 하게 되며, 이 교신에서 태양전지판의 성공적인 전개 여부를 최종 확인한다.

다만, 발사 초기에는 궤도 정보의 오차가 크기 때문에 위성의 정확한 위치를 알기 어렵고 위성의 초기 자세에 따라 지상국과의 교신이 어려울 수도 있다. 통상 발사 후 4시간이 경과하면 비교적 정확한 궤도 정보를 확인 할 수 있어 발사 성공 여부 및 위성의 건강 상태를 알 수 있다.
 

□ 5단계 : 최종운용기준궤도 안착 (초기운용 기간(LEOP) 중)

위성본체에 장착된 GPS 수신기의 운용을 통해 아리랑 3호의 궤도결정을 수행한 이후, 초기분리궤도와 그 일치성 여부를 분석하고, 최종운용기준궤도로 궤도안착을 수행하기 위한 궤도조정 계획을 수립한다.

 

□ 초기구동 및 점검 (IAC, Initial Activation & Check-out)

인공위성이 궤도 상에서 정상 운용되기 위해 필요한 구성 장치의 전원을 투입한 후 정상동작 여부를 확인하는 절차

위성본체 궤도상 초기 구동 및 점검 수행 : L ~ L+1주

- 발사 후 각 부분체별 상태 점검

- X-band 안테나 전개

- 각 부분체별 궤도 상 성능 점검

- 안전모드로부터 임무모드까지 모드 전환 및 각 부분체별 상태 점검

- 임무 기동 성능 검증을 위한 기동 시험

- 궤도 조정 성능 검증을 위한 궤도 조정 시험

AEISS 탑재체 궤도상 초기 구동 및 점검 수행 : L+2주 ~ L+3주

- 탑재체 각 장치 별 상태 점검

- 안테나 추적 기능 점검

- 영상 촬영 기능 점검

- 영상 전송 기능 점검 

 

검보정 (Cal/Val, Calibration and Validation)

시스템 성능을 확인하고, 시스템이 설계 특성을 갖도록 조정하는 작업

검보정 : L+4주 ~ L+23주 [TBD]

- 기하보정(geometric) : 위성 영상의 정확한 위도, 경도 추정 등위성 영상의 위치와 관련된 특성 보정

- 방사보정(radiometric):입사 광량과 신호 관계 추정 등 위성 영상의 방사 관련된 특성 보정

- 공간보정(spatial):위성 영상의 해상도 관련 보정

 

□ 위성 운용

○ 초기 운용 단계에서 위성 시스템의 기능 및 성능에 대한 확인이 완료되면 정상 운용 단계로 진입한다. 정상 운용 시점에서는 지상 시스템 운용 절차에 의거하여 아래의 운용 업무가 수행된다.

- 위성 시스템 기능/성능 모니터링 및 제어

- 위성 시스템 운용 계획 수립

- 위성 시스템의 궤도/자세 결정 및 궤도 예측/조정/관리

- 위성 시스템/지상 시스템 간의 통신 상황 모니터링

- 지구 관측 영상 자료 수신/처리 및 사용자 배포 

< 아리랑 3호 영상제공 서비스 관련시설 >

 

 
□ 영상제공 서비스 절차 

정상 운용 단계에서의 사용자 서비스 관련 지상시스템 운영 절차

- 사용자로부터 촬영 주문 접수

- 촬영 계획 및 임무 계획 생성

- 위성 명령 생성 및 전송

- 지구 관측 자료 수신/처리

- 지구 관측 영상 제품 생성 및 사용자 배포 

< 정상운용단계 지상시스템 운용절차 >

  

□ 한국항공우주연구원 위성정보연구센터 

○ 위치 : 대전 한국항공우주연구원 내 
○ 주요 기능 : 위성 관제와 영상 데이터 처리
- 위성의 상태 확인과 명령 송신을 통한 위성 관제를 담당
- 각 기관에서 보낸 임무 요청을 바탕으로 임무를 계획하고 해당 명령을 위성으로 보내어 아리랑 위성의 임무 수행을 지원
- 위성 영상 수신, 저장, 처리 및 사용자 배포 

○ 주요연혁

- 1998년 11월 27일 준공
- 1999년 12월 21일 발사된 다목적실용위성(아리랑) 1호 운용
- 2006년 7월 28일 발사된 다목적실용위성(아리랑) 2호 운용
- 2009년 6월 발사된 통신해양기상위성(천리안) 위성 운용 

○ 센터 구성

- 안테나동 : 다중대역 안테나와 RF 장비
- 위성운영동 : 운용 장비 통합감시시스템/무중단 전력공급시스템/출입통제시스템/실시간 위성신호감시 및 저장 시스템/저저항접지시설/처리시스템 및 운영실 등

 

□ 지상운영시스템

○ 아리랑 위성 지상운영시스템은 순수 국내기술로 개발되었으며, 항우연은 위성운영 부분에 대해서 ISO 9001 인증을 획득

○ 지상운영 시스템은 위성관제시스템기반시설시스템으로 구성

- 위성관제시스템 : 위성 상태 감시ㆍ조정, 임무수행을 위한 계획 및 명령 등의 기능을 수행하며 항우연 종합관제실에 설치 운영

- 기반시설시스템 : 건물, 종합관제실, 네트워크, 통신, 해외 안테나 망, 전력 및 오디오 시설과 유지보수 부분 등으로 구성

  

□ 위성관제시스템 구성(서브시스템) 

원격측정 및 명령 서브시스템 (TTC : Telemetry, Tracking and Command Subsystem)

- 위성과의 관제 RF 통신, 위성 추적, 레인징 기능을 제공한다. 위성운 서브시스템(SOS)으로부터 위성통제 명령 신호와 위성 추적 명령을 수신하고 CCSDS 처리, 4 Kbps로 포맷된 데이터의 변조 등을 수행한다. 또한 아리랑 3호로부터 4.096Kbps 및 1.5625Mbps로 원격측정자료를 수신한 후 원격측정 데이터를 복조하여 SOS로 전송한다.
 

위성운용 서브시스템(SOS : Satellite Operations Subsystem)

- 위성이 보내오는 상태 정보를 실시간으로 분석하고 임무 수행에 필요한 명령을 위성으로 송신한다. TTC를 통해 받은 위성의 원격측정데이터를 수신하여 분석 가능한 자료로 처리한다. 처리된 위성의 상태 데이터는 관제시스템 내의 MPS나 FDS에 배포되며, 원시데이터는 대용량 저장장치에 보관된다. 보관된 데이터는 위성의 상태변화 추이분석에 사용된다. 또한, SOS는 MPS로부터 전달된 촬영계획을 이용하여 명령으로 변환한 후, 위성에 전송하는 역할을 수행한다. 

 

임무계획 서브시스템(MPS : Mission Planning Subsystem)

- 위성의 궤도 이벤트를 예측하고 위성체 운계획 및 사용자로부터 전달된 영상촬영계획을 이용하여 임무 스케줄링을 수행하여 촬영계획을 생성하고 이를 SOS로 전달한다. 촬영계획에 따른 임무일정표는 영상수신을 위해 IRPE(Image Receiving and Processing Element)로 전송된다. 또한, 위성의 자세 기동에 필요한 GPF(Guidance Parameter File)와 위성 X-대역 안테나 구동에 필요한 TPF(Tracking Parameter File)를 생성하는 역할을 수행한다.

   

비행역학 서브시스템(FDS : Flight Dynamics Subsystem)

- 위성의 궤도예측, 궤도결정, 궤도조정 기능을 제공한다. 궤도예측은 고정밀도궤도전파기를 사용하며, 사용자의 선택에 따라 섭동력 성분을 조정할 수 있다. 또한, 궤도결정은 GPS 항행해 또는 안테나 추적 데이터를 이용한 운궤도결정과 위성의 GPS 원시 자료 및 IGS(International GPS Service) 정보를 이용하는 정밀궤도결정으로 구분된다. 궤도조정은 임무궤도를 유지하기 위해 필요한 궤도조정 시각 및 추력기 사용시간을 계산하는 것이다. 이 외에도 위성의 원격측정데이터를 이용하여 PVT 방법을 통해 위성의 잔여연료량을 계산하는 기능이 포함된다. FDS에서 생성된 정밀한 궤도정보는 IRPE로 전달되어 영상처리에 사용된다. 

 

위성시뮬레이터 서브시스템(SSS, Satellite Simulator Subsystem)

- 위성의 동작상태를 S/W로 모사하는 기능을 가지며 위성으로 보낼 명령을 입력하면 시뮬레이션 결과를 보여준다. 따라서 고가의 위성체를 대신하여 각종 시험과 운영자 교육에 사용되며 위성 발사 후에는 위성 장애 원인 분석과 위성 상태 예측에 이용된다.

posted by 글쓴이 과학이야기

※ 다음 자료는 한국항공우주연구원이 발간한 '다목적실용위성 아리랑 3호 프레스킷'을 바탕으로 한 것입니다.



국내 최초의 서브미터급(1m 이하) 해상도 지구관측위성 

0.7m급 해상도의 전자광학카메라를 탑재하여 정밀한 지구관측 가능

- 현재 운용 중인 아리랑 2호(해상도 1m)보다 높은 해상도로 개발되어 지구 저궤도 관측위성 개발기술 향상
저궤도 : 지구 표면으로부터 200∼2000km인 고도의 인공위성 궤도를 의미

향후 4년간 공공안전, 재해재난, 국토ㆍ자원관리, 환경감시 등에 활용될 고해상도 지구관측영상 공급예정 

한국항공우주연구원과 국내기업체들 간 협력으로 개발

- (주)한국항공우주산업, (주)대한항공, (주)한화, (주)두원중공업, 세트렉아이 등 다수의 국내업체 참여
- 서브미터급 고해상도 광학탑재체의 국내 독자 조립/정렬/시험 등 개발능력 확보 

‘12년 5월 일본 다네가시마 우주센터에서 발사예정(발사체 : H-IIA)

< 아리랑 3호 형상 >

 
□ 서브미터급 광학카메라를 탑재한 초고해상도 위성 개발

○ 세계 상업용 위성영상판매 시장을 주도하고 있는 미국의 GeoEye-I, World View I&II, 프랑스의 Pleiades 위성 등과 같이 서브미터급 위성영상을 제공하는 고해상도 지구관측위성

< 서브미터급 지구관측위성 현황 >

위성

제작사(국가)

전자광학 카메라 성능

발사시기

EROS-B

IAI(이스라엘)

(흑백)0.87m, (칼라)3.5m

2003

GeoEye I

Orbital(미국)

(흑백)0.41m, (칼라)1.65m

2008

World ViewII

Ball Aerospace(미국)

(흑백)0.46m (칼라)1.84m

2009

Pleiades

EADS Astrium(유럽)

(흑백)0.5m, (칼라)2.0m

2011

다목적실용위성 시리즈 개발을 통해 고해상도 광학카메라의 지속적인 성능향상을 도모하여 위성개발 선진국과의 기술격차 해소
※ 아리랑 1호(’94 발사) : 해상도 6.6m → 2호(’06 발사) : 해상도 1m → 3호(’12 발사) : 해상도 0.7m → 3A호(’14 발사예정) : 해상도 0.55m 

< 다목적실용위성 전자광학 탑재체 개발 현황 >


□ 급속기동 촬영성능을 보유한 위성 개발

고성능의 급속기동 촬영* 성능을 바탕으로 여러 지역의 영상을 신속하게 촬영하여 제공할 수 있음

* 위성의 흔들림을 최소화한 채 빠르게 기동하여 촬영하는 기능으로 동일한 위치에서 여러 지역 촬영 및 한 지역 반복 촬영 등 다양한 촬영이 가능

 

□ 상용 위성영상 시장 진입 활성화

세계 지구관측 위성영상 시장규모는 '09년에 10억불을 넘어선 것으로 추정되며 '18년까지 약 39억불 규모로 성장 예상(Euroconsult 2009)

- 아리랑 2호는 ’07년부터 위성영상시장에 진출하여 대만, UAE, 유럽우주청 등에 2,200만불 상당의 직수신권 판매 및 약 26억원의 개별영상판매 실적 달성(’11.12 현재)

아리랑 3호를 통해 상용 위성영상시장을 주도하고 있는 초고해상도(서브미터급) 위성영상 시장에 진입함으로써 위성영상 판매 활성화

 

□ 국민 삶의 질 및 국가위상 제고

○ 지상․환경관측, 농작물 작황 및 산불피해 분석 등 국가 재난관리업무에 필요한 위성 영상정보 제공지원

홍수, 가뭄, 지진 등 재해재난 발생 시 피해저감을 위해 위성영상을 제공하는 국제기구인 인터내셔널 차터 활동 등을 통해 국제사회에 기여

○ 국내주도의 인공위성 개발을 통해 청소년들에게는 꿈과 희망을, 국민에게는 우주개발 국가로서의 자긍심 제고

 

 □ 아리랑 3호의 주요 부분

 

위성체는 상부 구조모듈, 장비 모듈, 추진모듈, 태양전지판으로 구성

- 상부 구조모듈 : 탑재체(AEISS) 온도 유지를 위한 다층박막단열재(MLI)와 히터, 지상국과의 통신을 위한 송수신 안테나가 위치
- 장비 모듈 : 전력계 장비, 자세제어계 장비, 원격측정 명령계 장비 등이 위치
- 추진 모듈 : 위성의 궤도조정과 자세제어를 위해 사용되는 추진제 탱크, 소형 추력기 등이 위치
- 태양전지판 : 위성에서 사용하는 전력을 생산하는 장치로 위성체가 발사체로 분리된 후 전개됨

□ 주요 규격 및 제원

운용궤도

685 km 태양동기궤도

질량

980 kg (발사시, 72.5 kg 추진제질량 포함)

전력량

1,300 w

위성크기

발사시 : 2.0m x 3.5 m (직경×높이)
궤도상 : 2.0 m x 3.5m x 6.25 m (직경×높이×폭)

탑재체

흑백(PAN) : 0.7m 해상도
칼라(MS) : 2.8m 해상도
영상 저장용량 : 512 Gbit

수명

발사이후 4년 (임무수명)

자세제어

3축 안정화 방식*

* 3축 안정화 : 위성체의 자세를 제어하는 방법으로 여러 종류의 안테나 및 태양전지판을 0 또는 알맞은 회전율을 갖도록 하여 위성체 X-Y-Z축의 균형을 조절하여 자세를 제어를 하는 방식

 

□ 위성본체의 구성 및 기능

○ 위성본체는 기능에 따라 구조계, 열제어계, 전력계, 자세제어계, 추진계, 원격측정 명령계 등의 서브시스템으로 구성됨
 

1) 구조계

- 인공위성의 뼈대가 되는 부분으로, 위성몸체와 태양 전지판, 안테나의 구조물, 탑재체와 각종 센서류를 장착하기 위한 보조 패널과 지지대, 안테나 전개장치와 태양 전지판 전개장치 등의 설계와 제작이 포함

<태양전지판 장착 작업>

2) 열제어계
- 영하 100도와 영상 150도를 오가는 혹독한 우주환경에서 인공위성의 각 장치들이 원활히 작동할 수 있도록 적당한 온도 범위를 유지시켜 줄 단열재, 히터, 온도 센서 등으로 구성
<방열판>

3) 전력계
- 위성에서 사용하는 전력의 안정적인 공급을 담당하는 부분으로, 태양전지판과 충전용 배터리, 전력제어 및 분배기로 구성

4) 자세제어계
- 위성체가 지구주위를 회전하면서 일정한 방향으로 지구를 향하도록 자이로스코프, 태양센서, 별추적기, 반작용 휠, 추력기 등의 장치를 이용하여 자세를 제어하는 장치
- 아리랑 3호는 자세지향 정밀도*는 0.02도 이하로서 매우 정밀한 제어능력을 가짐

<자이로스코프>


* 명령자세와 실제자세의 차이(아리랑 2호 자세지향 정밀도 0.025도)

* 자이로스코프 : 회전시 구조물에 가해지는 진동을 측정하여 회전속도를 측정하는 각속도 센서

* 태양센서 : 감지된 태양광에 따라 생성된 아날로그 전류로 자세 측정 센서

* 별추적기 : 광학계에 획득된 별영상의 상대위치를 이용한 자세 측정 센서

* 반작용 휠 : 회전체의 반작용 원리를 이용한 자세제어용 구동기

* 추력기 : 추진제를 사용하여 토크를 발생시키는 자세제어용 구동기

5) 추진계

- 우주공간에서 위성의 궤도조정과 자세제어를 위해 사용되는 추진제 탱크, 4쌍(8개)의 소형 추력기 등이 포함
- 추진제로는 하이드라진(Hydrazine)이라는 화합물이 사용됨
<추진제 탱크>


6)
원격측정 명령계

- 위성을 관제하는 지상국과의 무선통신을 담당하는 서브시스템으로, 무선 송수신 장치, 송수신 안테나, 무선 분배기 등으로 구성

 

7) 비행소프트웨어계

- 인공위성의 두뇌에 해당하는 탑재컴퓨터에 이식되어, 위성 내부에서 일어나는 대부분의 동작을 관장하는 서브시스템 

 

□ 탑재체 : AEISS (Advanced Earth Imaging System)

영상을 촬영하는 ‘전자광학카메라’와 촬영된 영상을 저장 및 압축하여 지구로 전송하는 ‘자료전송시스템’으로 분류

- 구성요소 : 구성품을 지지하는 고안정성 경통 구조체(HSTS: High Stability Telescope Structure), 지상의 영상을 반사시켜 주는 광학 반사경(Optical Mirrors), 반사경에서 들어온 빛을 전기신호로 변환하는 검출기(Detector)와 이를 포함하는 초점면 조립체(FPA: Focal Plane Assembly)

 

위성영상 활용 분야

지구관측위성 영상은 환경, 기상, 해양, 지질, 지도제작, 임업, 수자원, 농업 등 다양한 분야에서 이루어지고 있음

2006년 7월에 발사되어 현재까지 운용되고 있는 아리랑 2호(해상도 1m)의 영상은 주로 국내 공공기관 중심으로 수요

- 국토·해양모니터링, 토지피복분류, 작물재배 면적 및 생산량 추정 등에 다양하게 활용됨

위성기반 재해재난대응 국제기구인 인터내셔널 차터에 가입(’11.7 정식가입)하여 재해재난으로 인한 피해저감 및 국가위상제고에 기여

 

아리랑 3호 영상 활용

아리랑 3호 발사에 따라 위성영상의 양적증가와 질적향상이 이루어져 그간 문제점으로 지적되어왔던 영상 공급부족의 문제가 다소 해소

- 아리랑 2호를 중심으로 이루어졌던 다양한 분야들에 대해 보다 정밀하고 효율적인 위성정보의 활용이 기대

  < 해상도별 위성영상 비교 >

서브미터급

1m급(아리랑2호 영상)

* 여의도 지역을 촬영한 위성사진으로, 좌측이 아리랑 3호급 해상도의 타 위성영상임

향후 전천후 지구관측이 가능한 아리랑 5호(영상레이더)가 발사되면, 레이더영상과 광학영상의 융ㆍ복합으로 위성활용분야가 확대 될 것

※ 광학영상은 육안해석 등에 있어 매우 효과적인 정보를 제공하며, 레이더 영상은 마이크로파 영역의 전자기파를 이용하므로 비나 구름 등의 기상 조건, 주야 조건에 관계없이 지표면에 대한 자료를 효과적으로 획득

광학 영상

레이더 영상


광학 영상

레이더 영상

○ 인터내셔널 차터 활동이 강화되어 국가위상제고에 크게 기여

posted by 글쓴이 과학이야기

일본 다네가시마 우주센터 입니다.

2012년 5월 17일 16시 현재 아리랑 3호 위성을 탑재한 미쓰비시중공업 제작 H2A 로켓에 연료주입이 시작됐습니다.

발사는 18일 오전 1시 39분 예정입니다.

다음 사진들은 발사체 조립동에서 발사장으로 이동 중인 H2A 로켓을 순차적으로 담은 것입니다.

먼저 발사장 전경입니다. 여느 발사장과 마찬가지로 해안가에 위치해 있습니다.

발사대 시설물입니다.

 

이것은 조립동입니다.

발사대로부터 약 1킬로미터 수평으로 떨어져 있습니다.
(조립동과 발사대를 한 번에 찍은 사진이 사라졌습니다. ^^;)


조립동에서 발사체가 수직 상태로 천천히, 그러나 생각보다는 빠르게 조립동을 빠져나오는 모습입니다.

 

조립동에서 발사장 사이의 탁 트인 곳까지 이동한 H2A로켓입니다.

 

발사대에 거의 도착한 로켓입니다.

 

로켓 이동 장면을 촬영 중인 취재진.
우리나라 기자는 9명, 나머지는 일본 언론 입니다.


 



이것은 보너스, NASDA 시절 조립동입니다.

저 안에서 조립을 마치면, 건물이 움직여서 빠져나가고 로켓은 그자리에 남아 발사되는 방식입니다.

사용을 오래도록 안해 녹이 많습니다.

posted by 글쓴이 과학이야기
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