위성 페어링 분리

위성 페어링의 분리 장치는 페이로드의 궤도 투입이라는 임무를 좌우하는 중요한 시스템이다. 분리할 때 화공품의 작동으로 위성에 강한 충격을 주면 안 되고, 폭발가스(미세 분말)가 위성의 태양 전지판과 광학 센서를 더럽혀서는 안 된다. 분리 직후의 페어링은 위성과 접촉하면 안 되는 등 어려운 조건이 부과된다. 그래서 분리 직후에 얇은 대형 구조물이 진공에서 거동(擧動)하는 것은 개발 시험에서 확인하는 것이 필요하다. 대표적인 2개의 페어링 분리 장치를 소개하였다.
 
① 클램쉘 분리 방식
다음 그림은 로켓의 페어링 분리 기구이다. 1) 2단 기체와 페어링의 결합(원주 방향), 2) 왼쪽 ½ 페어링과 오른쪽 ½ 페어링의 결합을 해제, 분할(分割), 분리한다. 작동 구조는 다음과 같다.

그림. 페어링 분리 기구 - 클램쉘 개두 방식

비행 전에, 페어링의 분할면(원주 방향과 중앙 세로 방향의 분할면)을 다수의 노치(Notch) 플랜지 볼트와 너트로 결합한다. 볼트의 옆에 작은 지름의 도폭선을 내장한 편평한 스틸 파이프를 넣어 둔다. 도폭선을 작동시키면 폭발가스로 금속관이 순식간에 많이 늘어난다. 그 충격력으로 볼트는 노치 부분을 절단하고, 페어링의 결합은 분할면을 따라 해제된다.
 
작은 지름의 도폭선을 내장한 편평한 스틸 파이프는 2개 장착된다. 만일 1개가 작동하지 않더라도 나머지 1개만으로 분리 장치의 결합은 해제된다. 신뢰성 설계의 한 방법으로 실패가 용서되지 않는 중요 시스템에 적용한다.
 
상기 1)과 2)의 결합이 풀리면 페어링 중앙부 하단 근처에 설치된 분리 스프링이 작동한다. 그러면 두 개로 분할된 페어링은 2단 기체 분리면 경계부 경첩(hinge)을 중심으로 회전하면서 클램쉘(clamshell) 형태로 좌우로 갈라진다. 두 개로 분할된 페어링은 로켓 기체의 가속화 비행으로 더 빨리 로켓 기체에서 이탈하고 해수면으로 낙하한다.
 
이 페어링 분리 방식은 결합 해제(화공품)와 개두(開頭), 분리(분리 스프링)가 2단계로 이뤄지는 것으로 ‘클램쉘 분리 방식’이라고 한다. 로켓 본체의 비행 가속도가 비교적 클 때 분리에 적합한 기법이다.
 
② 평행 분리 방식
미국의 델타 로켓은 다음 그림과 같이 도폭선이 작동한 직후 벨로즈 일부는 폭발가스로 순식간에 팽창하고, 그 충격력으로 전단 핀이 절단되고, 동시에 분할면이 서로 밀어낸다. 두 개로 분할된 페어링은 로켓 본체로부터 떠난다. 이 평행 분리 방식은 결합 해제와 개두, 분리의 2가지 기능을 한 번의 동작으로 달성하는 뛰어난 장치이다. 평행 분리 방식은 로켓의 비행 가속도가 비교적 느릴 때 개두, 분리에 적합하다.

그림 7.7 위성 페어링 분리 기구, 델타 로켓의 평행 개두 방식

두 방식은 모두 화공품 작동 후에 폭발가스를 외부에 노출하지 않는 밀봉형으로 위성의 표면을 오염시킬 우려는 없다. 위성은 로켓 기체 최상부의 위성 분리부에 탑재한다. 그러므로 위성의 분리 방식은 위성 분리부의 사양으로 결정된다. 
 
① 분리 너트에 의한 결합과 분리 (대형 위성)
위성과 위성 분리부를 4~8개의 분리 너트로 결합한다. 분리 너트의 결합 해제 직후 위성 분리면에 설치된 스프링이 작동하면, 위성을 기체에서 밀어낸다. 작동할 때 충격력이 작고 큰 결합력을 얻을 수 있어서 대형 위성의 분리에 적합하다. 초대형 위성은 결합을 해제하고 로켓 상단(2단) 기체가 가스 제트와 역추진 모터의 작동으로 스스로 후퇴하는 분리 방식도 병행한다.
 
② 클램프 밴드와 볼트 커터에 의한 결합, 분리 (소형, 중형 위성)
다음 그림과 같이 위성이나 위성 분리부를 클램프 밴드(clamp band)로 고정하고, 원주 방향의 한 곳 또는 두 곳에 설치한 볼트로 조이면서 결합한다. 볼트 부분에 볼트 커터를 설치하고, 화공품의 작동으로 볼트를 끊어서 위성과 위성 분리부의 결합을 해제한다. 직후 위성 분리부(기체)에 장착된 분리 스프링 작동으로 위성은 로켓 기체(상단)에서 떨어진다.

그림. 위성의 분리 기구 (클램프 밴드/볼트 커터 방식)

이 방식을 대형 위성에 적용하면 클램프 밴드에는 큰 체결력뿐만 아니라 체결력을 견디기 위한 위성 분리 장치의 원주 방향 강도, 강성이 필요하므로 전체 질량이 증가한다. 또, 위성이 대형이라면 클램프 밴드의 체결력이 커지면서 볼트 커터 화약량이 증가하므로 분리할 때 충격력이 커진다. 그래서 이 분리 방식은 지름 2ｍ 이하의 소형이나 중형 위성에 적합하다.
 
위성을 분리할 때 충격력은 최대한 작은 것이 바람직하다. 최근에는 전기 방식이나 가스 압력 방식으로 클램프 밴드(결합부)를 결합 해제하는 저충격형(低衝激形) 위성 분리 장치가 실용화되었다. 

 

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