NASA 낸시 그레이스 로만 우주 망원경 광학 시스템의 엔지니어링 및 검증

광학 기술자가 NASA 낸시 그레이스 로만 우주 망원경의 주경과 부경 사이에 매달린 다이빙 보드 위에 누워 있다. 이 사진은 망원경의 광학 경로를 통해 투영된 반사 이미지이다. 기술자가 광학 시스템을 통해 빛을 조사하여 광시야 장비(Wide Field Instrument)가 위치할 곳으로 향하게 함으로써, 임무 발사 후 우주 광원이 망원경을 통과하는 경로를 보여주고 있다. (이미지: NASA/Chris Gunn)

2027년 5월 이전 발사 예정인 NASA 낸시 그레이스 로만 우주 망원경은 심우주를 관측하는 강력한 눈이 되어 수십억 개의 먼 은하 이미지를 포착하고, 암흑 물질, 초신성 및 기타 우주 현상의 신비를 탐구할 것이다.

낸시 그레이스 로만 우주 망원경의 주요 목표는 넓은 하늘 영역을 빠르고 반복적으로 고정밀 조사하여 일반(중입자) 물질과 암흑 물질의 분포를 지도화하고, 다양한 시대의 우주 팽창 속도를 측정하여 암흑 에너지를 탐구하는 것이다. 이 정보는 우주의 기원을 이해하고 급팽창하는 우주의 먼 미래를 예측하는 데 결정적이다. 또한 대규모 조사를 통해 다른 항성 주변의 행성계를 연구하여 우리 태양계와 같은 시스템이 흔한지, 희귀한지, 아니면 독특한지 밝혀낼 것이다.

이 사진은 NASA 낸시 그레이스 로만 우주 망원경의 광학 망원경 어셈블리(OTA)를 보여주며, 최근 메릴랜드주 그린벨트 고다드 우주 비행 센터의 최대 클린룸으로 인도되었다. (이미지: NASA/Chris Gunn)

2024년 11월, L3Harris에서 NASA로 완전히 완성되고 테스트된 광학 망원경 어셈블리(OTA)가 인도되면서 주요 프로그램 이정표를 달성했다. 이 하드웨어는 관측소의 '눈' 역할을 하며, 우주에서 오는 빛을 수집하고 조절하여 임무의 두 장비에 공급한다.

NASA의 신뢰할 수 있는 파트너로서 L3Harris는 OTA의 설계, 제작, 통합 및 테스트를 맡았다. 이에는 지름 2.4미터(8피트) 주경과 9개의 소형 거울, 거울들을 정렬하는 견고한 구조물, 그리고 우주라는 가혹한 환경에서 망원경이 작동할 수 있게 하는 수많은 지원 시스템이 포함된다.

프로그램 초기부터 OTA는 NASA와 과학계가 이 임무에 제시한 까다롭고 독특한 요구사항을 충족하도록 개발되었다. 망원경 팀의 주요 초점 분야 중 하나는 임무의 극한 광학 안정성 요구를 충족하는 시스템을 제공하는 데 필요한 기술 개발이었다. 이에는 이전에 달성된 것보다 낮은 열팽창 계수(CTE)를 가진 새로운 독점 탄소 복합 소재 개발이 포함되었는데, 그 CTE가 너무 낮아 특성을 측정하는 새로운 기술이 개발되어야 했다. 이 소재로 축구장 길이만큼 긴 조각을 만들면 온도가 화씨 100도(섭씨 55도) 변해도 길이 변화가 100마이크론(사람 머리카락 굵기)에 불과하다.

이 사진은 NASA 낸시 그레이스 로만 우주 망원경의 전체 광학 시스템을 보여준다. 이 이미지 하단에 보이는 7.9피트(2.4미터) 주경을 포함한 10개의 거울로 구성되며, 이미징 광학 어셈블리(IOA)라고 불린다. (이미지: NASA/Chris Gunn)

이처럼 안정한 소재를 사용해도 망원경 온도는 임무 목표 달성을 위해 일정하게 유지되어야 한다. L3Harris는 관측소의 서로 다른 부분이 작열하는 태양에 노출되거나 절대 영도에 가까운 우주 공간을 향할 때조차 망원경 주요 영역을 섭씨 수천 분의 1도 수준으로 안정적으로 유지하는 새로운 온도 감지 및 제어 아키텍처를 개발했다. 이 최첨단 열 제어 시스템은 구조물과 광학계가 초안정 상태(파동면 오차 서브나노미터 변화)를 유지하며, 다양한 열적 극한 환경에서도 정밀한 과학 측정을 지속적으로 제공하도록 보장한다.

OTA는 지구에서 100만 마일 떨어진 최종 운영 궤도에 도달하면 최적의 광학 성능을 발휘하도록 설계되었다. 즉, 설계 단계에서 지구 중력의 미세한 영향과 망원경이 작동 온도까지 냉각되는 효과까지 고려해야 했다. L3Harris 엔지니어들은 망원경이 지구 중력의 상온 환경에서 우주 공간의 차가운 무중력 환경으로 전환될 때 발생할 변화를 예측하기 위해 광범위한 시뮬레이션을 수행했다. 이러한 예상 변화는 망원경 광학계의 설계, 제작, 정렬 과정에서 반영되었다. 또한 몇 개의 핵심 광학계는 이동 가능하게 하여 예측 불확실성에 대한 보정이 가능하도록 했다.

NASA 최초의 천문학 및 태양물리학 국장 이름을 딴 완성된 낸시 그레이스 로만 우주 망원경의 컴퓨터 생성 렌더링 이미지. (이미지: NASA)

OTA는 2024년 초 다양한 거울의 최종 광학 정렬이 수행되면서 중요한 단계에 진입했다. 이는 10개 광학계를 미세한 정밀도로 서로 상대적으로 정렬하고 위치를 고정한 후 영구적으로 고정하는 과정을 필요로 했다. 사람 머리카락 굵기의 10분의 1에 불과한 정렬 오차도 망원경의 이미징 성능을 저하시킬 수 있다. 이러한 극한의 정렬 정밀도를 달성하기 위해 간섭계라고 불리는 특수 카메라 시스템을 사용하여 나노미터 수준의 정확도로 거울을 모니터링하고 이 중요한 정렬 과정 중 피드백을 제공했다.

최종 정렬 후 망원경은 로켓 꼭대기에 실려 발사될 때 경험할 극한 환경을 포괄하는 엄격한 동적 테스트를 거쳤다. 이에는 제트 엔진 옆에 서 있을 때보다 더 큰 음향 레벨과 전투기 조종사가 고기동 기동 시 경험하는 중력의 수 배에 달하는 가속도 힘이 포함되었다.

OTA가 통과해야 할 최종 테스트는 열진공 테스트로, 시스템 성능이 우주에서 경험할 가혹한 환경을 시뮬레이션하는 조건에서 평가되었다. 이 테스트는 뉴욕주 로체스터 L3Harris 시설의 대형 진공 챔버에서 진행되었다. 챔버 내부 벽은 액체 질소로 냉각되어 극한의 추운 환경을 조성했고, 망원경은 화씨 -120도(섭씨 -85도)까지 냉각되었다. OTA는 원하는 온도를 유지하면서 모든 요구사항을 여유 있게 충족하는 탁월한 광학 성능을 입증했다. 이 테스트 성공적으로 완료된 후 OTA는 NASA 고다드 우주 비행 센터로 인도되어 과학 장비 및 우주선 본체와 통합되었다.

로만 우주 망원경이 발사되면 태양에서 보았을 때 지구 '뒤쪽' 150만 킬로미터(100만 마일) 지점인 L2 라그랑주 포인트를 도는 NASA 제임스 웹 우주 망원경과 합류하게 된다. 로만은 웹 망원경과 함께 작동하도록 설계되어 단독 임무로는 불가능한 우주론적 현상에 대한 더 깊은 통찰을 제공하는 상호 보완적 과학 관측을 수행할 것이다. 로만 우주 망원경은 허블 우주 망원경과 유사한 해상도로 넓은 하늘 영역을 이미징할 수 있으나, 허블보다 1000배 빠르게 수행한다. 이를 통해 극도의 정밀도로 넓은 하늘 영역을 조사하여 웹 우주 망원경의 관측 대상 후보를 식별할 수 있다.

로만은 지금까지 제작된 가장 안정적인 대형 우주 망원경이 될 것이며, 웹보다 최소 10배, 허블보다 100배 더 안정적이다. 이 광학 안정성은 과학자들이 우주론의 근본 이론을 이전에 불가능했던 방식으로 검증할 수 있게 하는 시스템의 핵심 기능이다. 그리고 초안정 망원경이 코로나그래프와 결합하면, NASA의 차세대 주력 천체물리학 임무인 거주 가능 세계 관측소(Habitable Worlds Observatory)와 생명 유지 가능 행성 탐색 목표를 향한 핵심 역량을 입증하게 된다.

로만 우주 망원경 OTA의 인도는 L3Harris와 NASA의 오랜 파트너십의 최신 이정표이다. 60년 이상 L3Harris는 우주 탐사를 발전시키는 첨단 이미징 시스템과 기타 솔루션을 제공해 왔다. 허블, 찬드라, 제임스 웹 망원경부터 국제 우주 정거장과 화성 탐사선까지, L3Harris는 매 단계마다 NASA와 함께하며 인간 발견의 경계를 넓혀왔다.

이 기사는 L3Harris Technologies(뉴욕주 로체스터)의 수석 시스템 엔지니어 Peter Miller가 작성했습니다. 자세한 정보는 여기를 방문하세요.