캔위성이란?

캔위성(Cansat)은, 1998년 스탠퍼드대학의 로버트 트윅(Robert Twiggs) 교수에 의해 제안된 교육용 위성모사 프로그램에서 사용한 위성으로, 위성의 역할을 모사하는 구조계, 전력계, 데이터처리계, 통신계, 탑재체 등의 기능을 음료수 캔(예: 콜라 캔) 내에 구현한 데서 명명(Can+satellite)의 유래를 찾을 수 있다. 발사 및 임무운용에 필요한 위성구성요소를 매우 단순하게 구성하여, 고공에서 짧은 시간 동안 위성처럼 운용하는 것이 특징이다.

캔위성은 실제 위성처럼 우주로켓에 실려 지구궤도에 투입되는 것을 목표로 하지는 않는다. 기구(balloon)나 소형 과학로켓 등을 활용하여 상공 수백 미터 고도까지 캔위성을 올려준 후, 캔위성을 분리하고 캔위성에 달린 낙하산을 전개하여 캔위성이 서서히 고공에서 낙하하는 동안 마치 위성처럼 사전에 계획된 일련의 임무를 수행하는 방식을 취한다.

2013년 체험캠프에서는 멀티콥터를 이용하여 캔위성 분리 및 운용방식으로 진행될 예정이며, 경연대회에서는 모델로켓을 이용한 캔위성 발사 및 운용방식으로 진행될 예정이다.

캔위성에 어울리는 임무로는, 고도, GpS 위치, 압력, 온도, 습도, 가속도 등의 정보를 획득하는 것을 들 수 있다. 또한 CCD 소자를 장착하여 지상관측영상을 전송하거나, 각종 센서를 동원하여 대기과학 정보를 전송할 수도 있다.

뿐만 아니라, 구동기를 장착하여 위성기능과 유사하게 자세제어수행을 시연하거나, 통신위성을 흉내 낸 공중방송 시연을 할 수도 있다. 일부 해외 캔위성 경연대회에서는, 좀 더 나아가 탐사선의 화성착륙을 모사하여 지상목표물에 최대한 근접 도달하여 지상안착하는(soft landing) 임무를 수행하기도 한다.

캔위성 제작 및 임무운용 과정에는 창의적 체험활동이 필수적으로 수반되므로, 위성 구성 및 운용에 대한 이해를 증진할 수 있어서 교육용 프로그램으로 매우 유익하다고 할 수 있다.

학생들이 제작한 초소형위성을 미국 아마추어 로켓그룹(AEROpAC)에서 제작한 발사체를 이용하여 고도 4km까지 올린 후, 분리된 캔위성을 고공에서 구동하여 목표지점까지 도달하게 하거나 착륙 후 지상 구동하여 목표지점까지 귀환하게 하는 경연으로 ARLISS(A Rocket Launch for International Student Satellite)라는 국제대회가 널리 알려져 있다. 또한 대학생팀을 대상으로 하는 국제대회로서 2009년부터 미국천문학회와 미국항공우주학회가 공동으로 개최하는 AAS/AIAA Cansat Competition이 있다.

유럽의 경우에는 우주개발 프로그램의 일환으로 유럽항공우주국 (ESA)이 후원하는 경연대회 뿐만 아니라, 2010년 전후로 유럽 내 개별국가 (네덜란드, 스페인, 스코틀랜드, 이탈리아, 프랑스)가 주최하는 캔위성 경연대회까지 널리 확산되어 있다. 최근에는 벨기에, 체코, 덴마크, 그리스, 아일랜드, 포르투갈, 스웨덴, 영국 등도 교육 및 저변확대를 위해 캔 위성 경연대회를 준비하고 있다.

일본의 경우, 2007년부터 일본우주청(JAXA)과 대학우주공학컨소시엄(UNISEC) 이 공동으로 주최하고 있는 ‘국제 캔샛 워크샵’이 유명하다. 청소년 및 대학생들의 많은 관심과 참여를 이끌고 있으며, 위성 기능 및 운용에 대한 이해를 제공함은 물론이며 우주개발 꿈나무 육성 및 저변확대에 매우 유익한 교육적 효과를 지니고 있어, 해외 캔위성 경연대회는 최근 상당한 인기 속에 치러지고 있다. 관심 있는 분들은 표 1에 수록한 세계 각국의 캔위성 경연대회 정보를 참고하기를 권한다.

[해외 캔위성 경연대회 정보]
국가 캔위성 경연대회 정보사이트
미국 http://www.cansatcompetition.com/
미국 http://www.arliss.org
네덜란드 http://www.cansat.nl/cms/
스페인 http://cansat.leem.es
이탈리아 http://www.cansat.it
프랑스 http://www.planete-sciences.org/espace/Cansat
EU http://www.cansat.eu
일본 http://www.unisec.jp/

2006년부터 서울대학교 기계항공공학부 대학생팀은, 미국 네바다 주에서 열리는 ARLISS대회에 매년 참가하여 초소형위성 및 귀환모듈 개발 경험을 축적해오고 있다. 서울대 팀은, 2007년에는 플라이-백(Fly-back type) 경연에 출전하여 2등을 수상하였으며, 2009년에는 런-백(Run-back type) 경연에 출전하여 3등을 수상한 바 있다. 플라이-백은, 로켓에서 캔위성이 분리된 후, 파라포일(parafoil) 구동을 통해 목표지점으로 귀환하는 대회방식이다. 이에 비해 런-백은 분리된 캔위성이 낙하산을 전개하여 지상에 착륙한 후, 지상에서 바퀴 등을 구동하여 목표지점까지 귀환하는 방식이다.

한편 2007년에는 KAIST 인공위성연구소의 지원으로, 한국과학영재학교 R&E 프로그램을 통해 교육용 캔위성이 제작된 바 있다. 당시 한국과학영재학교에 재학 중인 3명의 고교생이 참여하였으며, 기구(balloon)를 이용하여 고공에서 캔위성을 분리하고 낙하산을 이용하여 낙하-비행하는 동안 가속도, 고도, 압력, 광도, 기울기 등 물리량과 지상영상을 촬영 저장하는 일련의 과정을 수행하였다. 음료수 캔 크기의 제한조건으로 제작된 것이 특징이며, 카메라는 캔 외부에 장착하여 지상관측을 위해 활용되었다. 실제 인공위성 체계에 대한 이해는 물론 운용과정에 대한 이해에 큰 도움이 되었으며, 특히 고교생의 캔위성 개발 참여로 큰 관심을 모았다.

본 대회의 캔위성은 위성과 유사하게 본체부와 ,탑재부, 그리고 고공 낙하를 위한 낙하부, 지상과의 통신을 위한 지상부로 구성되었다.
캔위성의 본체부는 구조부, 전력부, 통신부, 데이터처리부, 기본 센서부로 구성되며, 탑재부는 카메라부와 확장 센서부로 구성되었다.

구조부는 캔위성의 개발, 발사, 낙하와 착지 등의 환경에서 캔위성을 구조적으로 보호하는 역할을 담당한다. 캔위성 기본키트에서는 시각적 효과를 위하여 투명 케이스를 사용하였으며, 4개의 지지대를 이용하여 발사, 낙하, 착지 등에 따른 하중지지 기능을 수행하도록 하였다. 또한, 낙하산을 이용하여 낙하, 착지 등에 있어 구조적 파손을 막는 기능을 수행하도록 하였다.

전력부는 캔위성의 임무 수행에 필요한 전력을 공급하는 역할을 수행한다. 캔위성 기본키트의 주요 전자부품들은 5V 와 3.3V 전원을 사용하고 있으며, 배터리를 이용하여 5V와 3.3V를 생성하여 공급하도록 하였다.

통신부는 캔위성과 지상국간의 무선 데이터를 전송하는 역할을 수행한다. 캔위성 기본 키트에서는 블루투스를 이용하여, 수백미터 거리에서 영상데이터를 원활하게 송신하는 기능을 수행하도록 하였다.

데이터처리부는 캔위성의 임무 수행에 따른 각종 데이터를 처리하는 역할을 수행한다. 캔위성 기본키트에서는 카메라 등의 여러 센서들과 통신부의 전자적인 기능을 구현하였으며, 마이크로프로세서를 이용하여 영상 및 각종 센서 데이터를 수집하여 통신부를 통해 지상 전송 역할을 수행하도록 하였다.

기본센서부는 캔위성의 기본적인 데이터 센싱 역할을 수행한다. 캔위성 기본키트에서는 캔위성의 자세정보 획득하기 위한 IMU 센서, 캔위성의 위도, 경도, 고도 등의 위치 정보를 획득하기 위한 GpS 센서, 캔위성의 기본 센서 동작을 체험하기 위한 2개의 조도 센서를, 기본센서로 구성하여 센싱 역할을 수행하도록 하였다.

카메라부는 캔위성에서의 영상 데이터 획득 역할을 수행한다. 캔위성 기본 키트에서는 시리얼통신을 이용한 영상 데이터 획득이 가능한 카메라를 이용하여 마이크로프로세서가 처리할 수 있는 영상 획득 기능을 수행하도록 하였다.

확장센서부는 캔위성 기본키트에서 획득한 캔위성 지식을 바탕으로 자신만의 캔위성을 만들 수 있는 역할을 제공한다. 캔위성 기본 키트에는 만능 기판 보드를 이용하여 대기압센서, 온도센서, 기울기 센서 등의 다양한 센서 확장이 가능하도록 하였다.

지상부는 캔위성에서 무선 전송하는 데이터를 수신하는 역할을 수행한다. 그리고 수신된 캔위성 데이터를 지상 pC에서 자세, 위치, 영상, 센서 값 등을 저장하고 표시하는 기능을 수행한다.

기본키트 구 분 기 능 비고
캔위성 본체 구조부 - 캔위성 구조물 (캔)
   (무게 : 330g 이하)
   (외경 : 83mm, 높이 : 87mm)
전원부 - 캔위성 동작에 필요한 전원 생성
   (배터리 이용, +5V, +3.3V 전원 생성)
명령처리부 - 캔위성 데이터 수신 및 전송
통신부 - 캔위성과 지상과의 데이터 무선 전송
캔위성 센서 자세부 (IMU) - 캔위성의 자세 정보 획득
   (X, Y, Z 축과의 회전각)
위치 정보부 (GpS) - 캔위성의 위치 정보 획득
   (위도, 경도, 고도)
탑제부 (카메라) - 캔위성에서 영상 획득
   (캔위성에서의 영상 데이터 센싱)
기본센서부 - 캔위성의 기본 센서 값 획득
   (2개의 조도 센서)
확장센서부 - 캔위성의 확장 센서 값 획득
   (슬기부 확장 센서들)
   (ex. 대기압,온도,기울기센서 등)
낙하산 낙하산 - 캔위성의 낙하 속도 지연