[논문]우주용 대구경 광학계 개발

이윤우; 양호순

문제 정의

본 원고에서는 우주용 또는 군사용 중대형 광학계의 국산화 연구와 관련하여 표준연이 수행해온 직경 800 mm의 우주용 반사경 및 광학계 개발과 현재 진행 중인 직경 1 m의 우주용 반사경 개발 현황을 중점적으로 소개하고자 한다.
다목적위성 3A호는 이 카메라에 적외선 채널을 덧붙여 한 대의 카메라로 기존의 가시광선에 추가로 적외선도 사용할 수 있는 카메라를 사용할 예정이다. 이러한 목적의 적외선 채널을 개발하기 위해서 기존의 직경 800 mm 우주용 카메라와 같은 구조와 광학적 특성을 가진 지상 시험용 망원경을 개발하였다. 이 망원경을 사용하면 FM급으로 제작된 우주용 카메라를 사용하지 않고도 적외선 채널을 독립적으로 시험 할 수 있다.
지금까지 표준과학연구원의 직경 800 mm와 직경 1 m 우주용 비구면 반사경 개발 및 직경 800 mm 광학계 개발에 관하여 자세히 설명하였다. 우주용 또는 군사용으로 사용될 수 있는 고해상도 비구면 반사경과 광학계를 개발하기 위해서는 광학 및 광기계 설계, 비구면 연마, 광기계 조립, 우주환경시험 등 다양한 기술이 필요하다.

제안 방법

경량화는 반사경의 무게를 줄이는 작업으로 우주용 광학계 또는 빠른 구동을 원하는 지상망원경의 경우 반드시 필요하다. 경량화를 하면 반사경의 강성이 많이 약해지므로 이를 보완하기 위하여 특수한 구조물을 설계한다. 특히 우주용 반사경의 경우 발사 진동뿐만 아니라 우주에서의 온도변화를 견뎌야 하기 때문에 플렉스(flexure)와 베젤(bezel)이라고 하는 기계구조물을 이용 하여 반사경을 고정시킨다.
지난 2005년부터 2011년까지 6년에 걸쳐 항공우주연구원과 협동하여 개발하였다. 광기계 설계에서부터 경량화, 에칭, 비구면 연삭 및 연마, 우주용 코팅 및 시험, 광기계 조립, 우주환경 시험까지 모든 과정을 선진국 수준으로 수행하였다. 그림 2는 이러한 기술개발 과정을 나타내었다.
광학계의 광기계 구조들은 ㈜쎄트렉아이에서 설계 및 제작하였고 반사경 가공 및 정렬은 표준연이 담당하였다. 광학계의 앞부분에는 직경 1 m의 기준평면이 놓여있고 광학계의 초점부분에 간섭계를 위치하여 여러 시야각에서 파면수차를 측정하면서 요구하는 성능을 만족하도록 보상자들을 조절하였다. 조립 및 정렬 결과 모든 시야각에서 λ/50 rms (λ = 3.
막강도 시험에는 온습도 시험, 테이프 시험, 문지름 시험 등이 있다. 그리고 우주에서의 방사선 조사에 따른 파장 이동 현상을 살펴보기 위해 지상에서 방사선 시험도 병행한다. 이러한 박막시험은 주로 시편으로 한다.
그동안 지상용으로 여러 대의 직경 600 mm 시민천문대용 비구면 반사경, 직경 700 mm 고출력레이저 시준장치용 반사경, 직경 900 mm 진공용 시준장치 등의 국산화에 성공하였고 최근 천문연에서 개발에 성공한 인공위성 추적시스템인 SLR(Satellite Laser Ranging) 시스템에 사용되는 직경 600 mm 비구면 반사경도 제공한바 있다^[1]. 또한 우주용 적외선 광학계와 항공기용 직경 300 mm 카메라도 성공적으로 개발하였다. 이와 함께 직경 800 mm 우주용 반사경 및 직경 1 m 우주용 반사경도 개발하는 등 고해상도 위성카메라의 국산화율을 높이고 있는 개발과제도 함께 진행하고 있다.
그림 10은 이 비축포물면 거울의 제작과 최종 파면수차를 보여준다. 비축포물면의 형상오차 측정은 미리 만들어진 기준 평면거울을 사용하였다. 간섭계에서 나간 구면파가 비축포물면을 맞고 평행광이 되면 이 빛을 기준 평면거울이 다시 간섭계로 되반사 시켜준다.
이와 아울러 직경 800 mm의 적외선 광학계를 평가하기 위해서는 이보다 더 큰 구경의 성능평가장치가 필요하다. 이를 위하여 직경 1 m 비축포물면 거울로 구성된 적외선 광학계 성능평가장치를 개발하였다. 그림 9는 성능평가장치의 구조도이다.
그림 6은 완성된 직경 800 mm 반사경 구조체의 진동시험을 찍은 것이다. 진동시험 전후에 공진주파수 변화 여부와 반사경의 형상오차 변화 여부를 평가하여 통과 여부를 결정한다.

성능/효과

간섭계에서 나간 구면파가 비축포물면을 맞고 평행광이 되면 이 빛을 기준 평면거울이 다시 간섭계로 되반사 시켜준다. 이러한 방법으로 평가하고 가공한 결과 비축포물면이 약 27 nm rms의 성능을 보여 적외선뿐만 아니라 가시광 광학계에 대한 성능평가도 가능하다.
이러한 수준의 경량화를 할경우 반사경의 강성이 매우 떨어지기 때문에 파면수차 요구사항인 30 nm rms를 맞추는 것 역시 어려워지므로 광기계 구조해석에 많은 노력을 기울여야 한다. 이러한 요구조건을 만족하기 위한 광기계 설계 결과 최종 무게는 46 kg이고 플렉스를 포함하였을 경우 52 kg정도가 되어 요구조건을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다. 하지만 설계 결과 포켓사이의 벽 두께가 2 mm에 불과하고 앞면의 두께가 4 mm 정도 밖에 되지 않아 실제 경량화 가공 및 비구면 형상가공에 많은 어려움이 예상된다.
조립 및 정렬 결과 모든 시야각에서 λ/50 rms (λ = 3.39 μm)이하의 성능을 보여 적외선 채널을 평가하는데 이상적인 망원경이 될 수 있음을 확인하였다.

후속연구

현재 광기계 해석은 모두 끝나고 이 결과를 바탕으로 반사경 경량화 작업이 진행중이다. 경량화 작업이 완료된 후 에칭 작업을 거쳐 연삭, 연마, 박막증착 작업으로 거울면 제작을 완료하고 베젤과의 조립이 끝난 후 환경 시험을 실시할 예정이다. 특히 열진공시험을 위해서는 매우 큰 열진공 챔버가 필요하다.
7 m인 카메라를 사용하고 있다. 다목적위성 3A호는 이 카메라에 적외선 채널을 덧붙여 한 대의 카메라로 기존의 가시광선에 추가로 적외선도 사용할 수 있는 카메라를 사용할 예정이다. 이러한 목적의 적외선 채널을 개발하기 위해서 기존의 직경 800 mm 우주용 카메라와 같은 구조와 광학적 특성을 가진 지상 시험용 망원경을 개발하였다.
위에서 언급한 직경 800 mm 광학계는 다목적위성 3호급 이었고 향후 발사될 위성들에는 이보다 더 높은 해상도를 가지는 카메라가 실릴 예정이다. 이에 따라 이러한 카메라와 관련한 핵심부품을 미리 개발하여야 국산화율을 높일수 있다.
최근에 다목적위성 7호용 카메라의 국산화율을 높이기 위해 표준과학연구원, 항공우주연구원, 생산기술연구원이 힘을 모아 융합과제로 진행하고 있는 차세대 우주용 광학계 핵심부품 개발연구는 그 좋은 예이다. 이 과제에서는 2015년까지 표준과학연구원은 광학부품을, 항공우주연구원은 광기계 부품과 조립을, 그리고 생산기술연구원은 식각공정을 담당하여 해상도 0.5 m급 우주용 광학계의 핵심부품들을 개발할 예정이다. 이러한 개발은 이미 개발된 기술과 함께 우주용 광학계뿐만 아니라 항공용, 군사용 광학계 제작에도 적용 가능하므로 향후 우리나라의 중대형 망원경 수요 충족에 매우 중요한 역할을 할 것이다.
5 m급 우주용 광학계의 핵심부품들을 개발할 예정이다. 이러한 개발은 이미 개발된 기술과 함께 우주용 광학계뿐만 아니라 항공용, 군사용 광학계 제작에도 적용 가능하므로 향후 우리나라의 중대형 망원경 수요 충족에 매우 중요한 역할을 할 것이다.
제작이 완료된 반사경은 향후 항공우주연구원이 제작한 CFRP로 만들어진 베젤과 체결을 하고 해상도 0.7 m 인 카메라의 지상모델에서 주 반사경으로 사용하여 다시 성능을 평가할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주용 반사경의 형상을 측정할 때, 지구 중력에 의한 변형을 가장 주의해야 하는 이유는?	우주용 반사경의 형상을 측정할 때 가장 주의할 점이 지구 중력에 의한 변형이다. 반사경 무게로 인하여 지지구조물에 변형이 생기고 이에 대한 반발력으로 반사경이 변형하게 되므로 반사경 자체의 형상오차와 지지구조물에 의한 형상오차가 섞이게 되어 가공이 쉽지 않고 우주에서의 실제 성능예측도 어려워지기 때문이다. 지구 중력 효과를 줄이기 위해서는 반사경을 여러 각도로 돌려가면서 측정하여 그 결과를 비교하는 방법을 사용한다[14].
	직경이 1 m인 우주용 반사경에 요구되는 면적밀도 조건은?	그림 11은 직경이 1 m인 우주용 반사경의 요구조건을 요약한 것이다. 이 가운데 면적밀도 60 kg/m2는 달성하기 어려운 세계 최고수준의 무게와 관련한 요구사항이다. 이면적밀도를 이용하여 직경 1 m 반사경의 무게를 계산하면 불과 47 kg에 불과하다.
	반사경의 산화에 의한 반사율 저하를 시험하기 위한 막강도 시험으로는 무엇이 있는가?	또한 반사경이 지상에서 보관되는 시간이 많게는 2~3년 이상이므로 이 기간 중 산화에 의해 반사율 저하를 시험하기 위하여 막강도 시험을 수행하여야 한다. 막강도 시험에는 온습도 시험, 테이프 시험, 문지름 시험 등이 있다. 그리고 우주에서의 방사선 조사에 따른 파장 이동 현상을 살펴보기 위해 지상에서 방사선 시험도 병행한다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 우주용 대구경 광학계 개발 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 우주용 대구경 광학계 개발 원문보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이윤우 (62) 양호순 (38)

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

AI 본문요약
AI-Helper