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문제 정의
- 첫 번째는 Fast-steering Secondary Mirror (FSM)로서, 각 반사경의 뒤에 팁틸트 작동기(tip-tilt actuator)들이 달려있어서 반사경들을 20 hz 정도의 주기까지 팁틸트 작동한다. 바람에 의해 망원경이 흔들리는 것을 보정하여 안정된 상을 얻도록 하는 것이다. FSM은 망원경의 초기 가동 및 운영에 사용될 것이다.
제안 방법
- 이에 대한 구체적인 계획을 만들었고 2006년에 사업의 사전타당성조사를 무사히 통과했었다. (4) 그렇지만 연구수요의 질이 높아지고 국제정세가 급변함에 따라 계획을 전면 재검토하였고, 효과성과 실현성이 더 높은 방안으로 수정하게 되었다.
- 우리는 2009년부터 GMT 개발에 공식적으로 참여하고 있으며, 이를 통하여 첨단기술을 확보하고 활용하고 있다. FSM 부경의 시험모델을 개발하여, 비축 비구면 반사경의 가공과 시험기술을 세계 수준으로 끌어올렸고, 팁틸트 정밀제어 기술을 성공적으로 개발하였다. 새로운 본딩 기술도 개발하였다.
- FSMP 개발을 위하여 국내외 전문기관들과 함께 협력하여 공동으로 개발하였다. 반사경의 가공과 시험은 한국표준과학연구원(표준연)이 수행하였고, 팁틸트 test-bed 제작과 시험은 고등기술원에서 이루어졌다.
- FSM의 팁틸트를 정밀하게 구동할 수 있는 기술을 개발하고 확보하기 위해서 FSM 부경의 test-bed를 실물 크기로 제작하여 시험하였다. FSM은 반사경을 지지하는 미러셀로부터 3개의 축방향 지지대(axial support)와 1개의 횡방향 지지대(lateral support)가 있어서 이들이 반사경을 각 방향별로 지지하고 있다.
- 시험 결과는 매우 성공적이어서, 고정밀도의 팁틸트 구동이 가능함을 보였다. 그리고 레이저를 이용한 광학 시연장치도 설치하여 눈으로 직접 확인할 수 있도록 하였다. 성능을 시험하는 지표로는 상의 밀집도 (attenuation) 값이 요구되었는데, 이 값들도 모두 만족함을 보였다.
- 축방향과 횡방향의 지지대들을 연결하여 각 유닛의 작동상황을 점검하고 특성을 파악하였다. 두 번째는 100 kg에 달하는 실제 무게의 알루미늄 반사경을 진공 대신 스프링으로 연결하여 시스템의 구동특성을 연구하였다. 세 번째는 실제로 알루미늄 반사경을 진공 펌프를 이용하여 들어 올리고 수직방향에서의 진동특성을 시험하였다.
- 세 번째는 실제로 알루미늄 반사경을 진공 펌프를 이용하여 들어 올리고 수직방향에서의 진동특성을 시험하였다. 마지막으로 반사경을 30도, 60도 등으로 기울인 상태에서 팁틸트 성능을 측정하였다. 반사경을 기울였을 때에는 진공에 의한 힘이 cosine에 비례하여 작아지고, 그만큼 반사경의 무게를 횡방향의 지지대가 감당하여야 한다.
- 우선 백여 개의 부품을 구입하거나 제작하였다. 물론 이를 위해서 각 부품들에 대한 해석을 수행하여 적정한 부품을 구입하거나 만들었다. Test-bed에서 사용한 반사경은 유리 소재 대신 알루미늄으로 제작하였다.
- FSM 부경의 시험모델을 개발하여, 비축 비구면 반사경의 가공과 시험기술을 세계 수준으로 끌어올렸고, 팁틸트 정밀제어 기술을 성공적으로 개발하였다. 새로운 본딩 기술도 개발하였다. 이러한 기술들은 FSM 제작에 많이 활용될 것이고, 산업발전에 이바지할 것이다.
- 두 번째는 100 kg에 달하는 실제 무게의 알루미늄 반사경을 진공 대신 스프링으로 연결하여 시스템의 구동특성을 연구하였다. 세 번째는 실제로 알루미늄 반사경을 진공 펌프를 이용하여 들어 올리고 수직방향에서의 진동특성을 시험하였다. 마지막으로 반사경을 30도, 60도 등으로 기울인 상태에서 팁틸트 성능을 측정하였다.
- 65로서 경사도가 매우 급하므로 가공과 시험의 난이도가 더욱 올라가게 된다. 이러한 기술들을 확보하기 위하여 실제 크기의 반사경을 연마 가공하고 시험 장치를 만들었다.
- 이를 위해서는 기계부를 정밀하게 제작하고 조립하는 기술뿐만 아니라 정확한 전기전자 구동기와 지능적인 제어 알고리즘이 함께 어우러져야 성능이 제대로 나올 수 있다. 이를 위하여 여러 가지의 팁틸트test-bed들을 제작하고 시험함으로써 초정밀 기술을 확립해 나갔다.
- 부경도 그 중의 하나로서 우선 FSM 제작 참여를 추진하고 있다. 이를 위하여 첫 단계로 FSM의 시험모델(FSM Prototype: FSMP)을 개발하여 핵심기술을 확보하고자 하였다. FSM의 핵심기술로는 크게 두 가지가 있는 것으로 파악되었다.
- 성능을 시험하는 지표로는 상의 밀집도 (attenuation) 값이 요구되었는데, 이 값들도 모두 만족함을 보였다. 최종적으로는 표준연에서 가공한 비축 비구면 반사경을 이 test-bed와 결합하였다.
- 첫째로 실제 무게의 반사경을 대신하여 1/10 무게의 가벼운 철판을 이용하였다. 축방향과 횡방향의 지지대들을 연결하여 각 유닛의 작동상황을 점검하고 특성을 파악하였다. 두 번째는 100 kg에 달하는 실제 무게의 알루미늄 반사경을 진공 대신 스프링으로 연결하여 시스템의 구동특성을 연구하였다.
- 앞면 가공은 비구면에 가깝게 연삭하여 표면의 peak-tovalley가 5 um 이내로 되었을 때에 폴리싱 작업으로 넘어갔다. 폴리싱 작업 중간에 반사경의 지름이 정확히 맞도록 잘라냈는데, 이 때문에 반사경의 무게가 달라졌으므로, 이를 지지하는 가공 셀을 정밀 조정하였다. 총 17개월에 걸친 가공을 한 후 표면정밀도가 13.
대상 데이터
- 구경 25 m의 GMT 개괄도와 광 경로도. 그레고리안 형식의 망원경으로서, 주경과 부경은 각각 8.4 m와 1.05 m의 오목반사경 7장으로 구성되어 있다. 주경과 부경 사이에 주초점 (prime focus)이 있어서 조립과 정렬에 유용한 구조이다.
- FSMP 개발을 위하여 국내외 전문기관들과 함께 협력하여 공동으로 개발하였다. 반사경의 가공과 시험은 한국표준과학연구원(표준연)이 수행하였고, 팁틸트 test-bed 제작과 시험은 고등기술원에서 이루어졌다. 광주과기원은 팁틸트 알고리즘을 개발하여 지원하였고, 광기계 설계와 해석은 미국국립광학천문대 (National Optical Astronomy Observatory, NOAO)의 도움을 얻었다.
- 팁틸트 test-bed는 반사경의 가공시험보다 개발 과정이 좀 더 복잡하였다. 우선 백여 개의 부품을 구입하거나 제작하였다. 물론 이를 위해서 각 부품들에 대한 해석을 수행하여 적정한 부품을 구입하거나 만들었다.
- Test-bed의 조립과 시험을 할 때에는 여러 형태의 testbed를 단계적으로 개발하여서 차근차근 접근하였다. 첫째로 실제 무게의 반사경을 대신하여 1/10 무게의 가벼운 철판을 이용하였다. 축방향과 횡방향의 지지대들을 연결하여 각 유닛의 작동상황을 점검하고 특성을 파악하였다.
- 이후 2003년부터 초대형망원경을 개발하자는 움직임이 다시 일어났다. 탐사망원경인 8.4 m LSST를 복사하는 방안 등을 검토하였으나, 6.5 m 광시야망원경을 멕시코에 설치하는 것으로 천문연은 최종 확정하였다. 이에 대한 구체적인 계획을 만들었고 2006년에 사업의 사전타당성조사를 무사히 통과했었다.
- 그렇지만, 이것은 지름 1030mm에 대한 측정값으로, 가장자리 부분의 34 mm(각 17mm)는 제외된 것이었다. 표면정밀도 시험을 하는 데에는 2 종류의 Computer Generated Hologram을 차례로 사용하였다. 이 시험 결과는 아리조나 대학이 직접 별도로 시험한 Software Configurable Optical Test System 방법의 결과와 비교하였었는데, 요구 값 이내에서 서로 일치하였다.
데이터처리
- 표면정밀도 시험을 하는 데에는 2 종류의 Computer Generated Hologram을 차례로 사용하였다. 이 시험 결과는 아리조나 대학이 직접 별도로 시험한 Software Configurable Optical Test System 방법의 결과와 비교하였었는데, 요구 값 이내에서 서로 일치하였다.(7)
성능/효과
- 이 작은 값을 측정하기 위해서 반사경의 앞에 Eddy current sensor를 달았다. 시험 결과는 매우 성공적이어서, 고정밀도의 팁틸트 구동이 가능함을 보였다. 그리고 레이저를 이용한 광학 시연장치도 설치하여 눈으로 직접 확인할 수 있도록 하였다.
- 폴리싱 작업 중간에 반사경의 지름이 정확히 맞도록 잘라냈는데, 이 때문에 반사경의 무게가 달라졌으므로, 이를 지지하는 가공 셀을 정밀 조정하였다. 총 17개월에 걸친 가공을 한 후 표면정밀도가 13.7 nm rms인 반사경이 만들어졌다. 이는 요구 값인 20 nm rms보다 작은 값으로 가공되었던 것이다.
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