궤도 탑재를 위해 실험실을 소형으로 압축하는 Romanian InSpace Engineering

외우주 하드웨어에는 종종 극한의 소형화라는 과제가 뒤따릅니다. 엔지니어들은 일반적으로 규모가 큰 원래 시스템의 기능을 보존하면서도 크기, 질량 및 과도한 복잡성을 줄여야 합니다. 미소중력 연구의 경우, 이러한 압축 과정은 특히나 가혹합니다. 실험 장치가 발사, 설치, 활성화, 그리고 궤도 운용 단계를 모두 거친 후에도 유용한 과학적 데이터를 반드시 도출해내야 하기 때문입니다.

부쿠레슈티에서 2017년에 설립된 Romanian InSpace Engineering은 RISE라는 이름으로도 알려져 있습니다. RISE는 우주용 하드웨어를 개발하고 기계, 전기 및 풀스택 소프트웨어 개발 등 다양한 분야 전반에 걸친 역량을 통해 프로젝트를 지원합니다. RISE의 DropCoal 프로젝트는 실험실 규모의 실험 장치를 국제우주정거장(ISS)에서 운용할 수 있도록 설계된 소형 페이로드로 전환함으로써 이러한 역량을 시험대에 올렸습니다.

DropCoal은 유럽우주국이 자금을 지원하는 실험으로, 미소중력 환경에서의 액적 거동을 연구합니다. 이를 통해 연구원들은 중력이 더 이상 액체의 충돌, 반동, 병합, 혼합 방식에 지배적인 영향을 미치지 않을 때 유체의 움직임이 어떻게 변하는지 더 잘 이해할 수 있습니다. DropCoal 페이로드는 ISS의 유럽우주국 콜럼버스 실험실 내부에 있는 플러그 앤 플레이 연구 플랫폼인 ICE (International Commercial Experiment) Cubes 시설에 설치되었습니다.

4리터로 축소된 실험실

엔지니어링 과제는 작은 상자를 만드는 것 이상으로 어려운 과제였습니다. 여기에는 실험실 환경의 기능을 외우주 환경에 적합한 하드웨어로 압축하는 작업이 포함되었는데, 이 하드웨어는 액적 이동, 액적의 상호작용 제어, 결과 촬영, 그리고 실험 종료 후 분석 지원을 수행할 수 있어야 했습니다. 공동 설립자인 Mugurel Balan은 RISE의 엔지니어들이 "거대한 실험실 테이블을 4리터짜리 상자로 변환"하여 실험실 규모의 실험 장치를 국제우주정거장에서 운용할 수 있는 소형 페이로드로 재설계했다고 설명합니다.

실험실 규모의 실험 장치를 4리터 부피의 소형 페이로드로 축소하는 과정에서 심각한 기계적, 열적, 패키징 문제가 발생했습니다. 이 시스템에는 액적 이동을 제어하는 모터, 광학 장치, 고속 카메라, 펌프 및 실시간 이미지 분석을 위한 온보드 소프트웨어가 필요했습니다. 또한 실험 장치는 초당 8,000프레임으로 유체의 거동을 포착해야 했기 때문에, 광학 구성과 내부 패키징이 페이로드 설계의 핵심 과제였습니다.

Balan은 RISE를 "초소형 시스템 통합업체"라고 묘사했는데, 이는 이 작업에 매우 잘 어울리는 표현입니다. 하지만 초소형이라고 해서 단순함을 의미하는 것은 아니었습니다. 팀은 매우 제한된 상자 안에 과학적, 기계적, 광학적, 열적, 전자적 요구 사항과 소프트웨어 요구 사항을 모두 담아내야 했습니다. Balan은 이에 대해 "정말로 꽉꽉 채워야 했어요."라며 강조했습니다. 그는 또한 팀이 해당 광학 시스템에 특화된 텔레센트릭 렌즈를 직접 설계해야 했다고 덧붙였습니다.

제약 조건 내부의 설계

RISE는 SOLIDWORKS® Design을 사용하여 실험의 과학적 요구 사항을 제조 가능한 소형 하드웨어에서 구현했습니다. 실무 작업은 통합에 집중되었습니다. 발사, 설치, 운용에 맞게 설계를 개선하는 동시에, 엄격하게 제한된 4리터 페이로드 안에 기계, 전기 및 실험용 부품들을 정밀하게 배치하는 작업이었습니다.

여기서 가장 어려운 영역은 열적 거동이었습니다. 페이로드는 단순한 정상 상태 시스템으로 작동하지 않았습니다. 광원, 카메라, 마이크로컨트롤러를 비롯한 부품의 스위치가 켜지면 변화했기 때문입니다. 각 단계가 반응 챔버의 전체 온도 상승에 기여했기 때문에 이 시퀀스는 중요했습니다.

RISE 팀은 반복 설계 프로세스 전반에 걸쳐 SOLIDWORKS Simulation 도구를 사용했습니다. Balan은 이때의 워크플로에 대해, 페이로드 내부의 열적 거동을 평가하기 위해 알려진 대류 파라미터를 활용하여 "설계하고, 시뮬레이션하고, 다시 설계하고, 시뮬레이션하는" 과정이었다고 설명했습니다. 각 시뮬레이션 주기는 소형 시스템이 단계별로 활성화될 때 어떻게 거동하는지 확인하고, 발사 전에 설계를 정밀하게 다듬는 데 도움을 주었습니다.

궤도에서의 운용과 시뮬레이션 예측의 일치

가장 두드러진 성과는 (SOLIDWORKS Design 시뮬레이션 도구를 사용해) 예측한 거동과 실제 운용 결과 사이의 일치성이었습니다. Balan은 이렇게 말합니다. "우주정거장에서의 결과는 우리가 시뮬레이션한 것과 매우 유사했어요." 이러한 일치성은 팀의 설계 및 시뮬레이션 작업이 궤도에서 운용 중인 소형 페이로드의 실제 시스템 거동을 예측하는 데 큰 도움이 되었음을 보여주었습니다.

또한 50명 규모 회사의 루마니아 산업 팀이 국제우주정거장 연구를 위한 완벽한 우주 시스템을 개발할 수 있다는 것이 DropCoal에서 입증되었습니다. NASA의 우주비행사 Don Pettit는 ISS의 콜럼버스 모듈 내 ICE Cubes 시설에 DropCoal 실험 장치를 설치했습니다. 이 연구는 과학자들이 미소중력에서의 액적 거동을 더 잘 이해하도록 도와주며, 의약품 제형, 유체 전달, 연소 모델링 등의 분야와 잠재적인 관련성이 있습니다.

엔지니어들은 SOLIDWORKS Design을 활용하여 이 과학 실험 장치를 패키징, 평가, 발사, 설치 및 운용이 가능한 소형 하드웨어로 전환했습니다. RISE에게 있어 반복 가능한 엔지니어링의 가치는 더 이상 재설계가 불가능한 환경에 하드웨어가 설치되기 전에 설계와 시뮬레이션을 함께 활용하여 불확실성을 줄이는 것입니다.

컴팩트한 시스템, 중대한 결과

DropCoal은 우주 공학에 큰 교훈을 주는 작은 페이로드입니다. 내부에서 내린 작은 결정 하나하나가 열적 거동, 영상 품질, 기계적 적합성 또는 실험의 신뢰성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 궤도에서는 통합의 품질이 매우 중요합니다. Balan은 시스템 거동을 이해하기 위한 반복적인 MODSIM(모델링 + 시뮬레이션) 프로세스를 신속하게 반복할 수 있는 능력에 SOLIDWORKS Design의 가치가 있다고 강조했습니다.

우주 하드웨어 개발 팀에게 주는 교훈은 명확합니다. 궤도 연구의 미래는 대담한 미션 아이디어뿐만 아니라, 가혹한 물리적 제약 속에서 그 아이디어를 압축하고, 검증하고, 실행해 내는 능력에 달려 있을 것입니다.