전파 망원경의 귀 – 100m 접시 안테나의 정밀 기계
지름 100m급 전파 망원경은 우주의 희미한 속삭임을 듣는 거대한 기계 장치입니다. 눈에 보이는 것은 하나의 거대 접시이지만, 내부에는 구조공학, 정밀 구동, 서보 제어, 열·바람 보정이 총동원됩니다.
거대 접시의 골격 – 반사면과 백업 구조
100m 반사면은 수천 장의 알루미늄 패널로 구성되며, 뒤쪽에서 백업 트러스(Backup Structure)가 지지합니다. 트러스는 삼각 격자 구조로 강성 대비 경량을 확보하며, 중력·바람·온도 변화로 인한 변형을 최소화하도록 설계됩니다. 패널과 트러스 사이에는 미세 조정용 조절 볼트/잭이 배치되어, 표면 오차를 밀리미터 이하로 맞춥니다. 이 공차는 관측 주파수 대역의 파장에 의해 결정되며, 고주파로 갈수록 허용 오차가 급격히 줄어듭니다.
액티브 서페이스 – 중력 변형을 실시간 보정
거대한 반사면은 고도 각도를 바꿀 때마다 중력 변형이 달라집니다. 이를 보정하기 위해 패널마다 소형 액추에이터를 배치한 액티브 서페이스를 사용합니다. 레이저 트래커, 광학/무선 거리계, 열 센서가 표면 상태를 계측하고, 제어기는 변형 모델에 따라 패널 높이를 수초~수분 주기로 재조정합니다. 이 기능은 고주파 대역(예: 30–100 GHz) 성능을 좌우하는 핵심 기술입니다.
초점부와 서스펜션 – 공중에 매단 수신기 하우스
주 반사면이 모은 신호는 피드 혼(Feed)과 LNA(저잡음 증폭기)로 전달됩니다. 100m급에서는 초점부를 탑/케이블 서스펜션으로 지지하거나, 보조 반사경(Cassegrain·Gregorian)을 이용해 쌍축 회전 구조 안쪽으로 신호를 유도합니다. 초점 구조물은 바람·열에 의한 처짐을 억제해야 하므로, 탄성률 높은 합금과 보강 리브가 필수입니다. 수신기 캐비닛에는 크라이오 냉각기가 장착되어 수 켈빈대 온도로 LNA를 유지, 시스템 노이즈 온도를 크게 낮춥니다.
초정밀 구동 – 방위각·고도축의 거대한 서보 시스템
대형 안테나는 방위각(Azimuth)과 고도(Elevation) 두 축으로 회전합니다. 각 축에는 대구경 주 베어링, 기어/랙-피니언 혹은 케이블 드라이브, 멀티 모터와 감속기, 그리고 서보 제어기가 결합됩니다. 목표는 강풍·온도 변화 속에서도 아크초(arcsec)~수십 아크초급 포인팅 정확도를 유지하는 것입니다. 이를 위해 고분해능 엔코더와 레이저 자이로, 풍속·가속도 센서를 사용해 폐루프 제어를 구성합니다.
주 베어링과 구동 기어 – 하중 분산과 백래시 관리
방위각 축에는 원형 트랙 위를 구르는 크레인용 대형 롤러/볼 베어링이, 고도 축에는 트러니언 베어링이 쓰입니다. 구동은 다중 모터가 플래닛 기어/웜 기어 감속기를 통해 전달하며, 기어 백래시는 프리로드와 소프트웨어 보정으로 억제합니다. 케이블 드라이브는 마찰로 토크를 전달해 백래시가 작고 소음이 적지만, 장력 유지와 피복 마모 관리를 요구합니다. 윤활은 저온·저점도 그리스와 자동 급지 시스템으로 장기 안정성을 확보합니다.
서보 제어와 포인팅 모델 – 오차를 데이터로 이긴다
포인팅 정확도는 메카닉만큼이나 소프트웨어가 좌우합니다. 설치 이후 천체 기준성을 이용해 포인팅 모델(축 미정렬, 편심, 굴곡, 기초 기울기, 열 변형 계수 등)을 학습시키고, 관측 중에도 바람·온도·구조 센서 데이터로 미세 보정합니다. 제어기는 피드포워드+PID와 루크업 테이블을 병용하고, 저주파 바람에는 속도 프리셋, 고주파 진동에는 필터로 대응합니다. 결과적으로 거대 구조물임에도 부드러운 스캔과 정밀 트래킹이 가능합니다.
열 변형·바람·진동 – 환경 하중을 이기는 구조공학
낮밤 온도차와 일사로 인해 트러스 길이가 미세하게 변합니다. 이는 표면 형상과 축 정렬을 바꾸어 포인팅 오차를 유발하므로, 저열팽창 합금, 차열 도료, 그늘막으로 열 변형을 줄입니다. 바람에 대해서는 공력 형상과 보강 리브로 처짐을 억제하고, 구조 모드 분석으로 공진을 피하는 속도 영역을 설정합니다. 강풍 시에는 스톰 로크와 파킹 포지션으로 안전을 확보합니다.
유지보수와 인터록 – 거대한 장치의 일상
주기적 윤활, 베어링 온도·진동 모니터링, 기어 마모 검사, 패널 정렬 점검이 필수입니다. 안전을 위해 리미트 스위치, 토크/온도 인터록, 풍속 알람, 인접 장비와의 충돌 방지 소프트 인터록을 다중 채널로 구성합니다. 고소 작업을 위한 레일/케이지, 비상 정지 회로, 정전 시 브레이크·클러치도 마련합니다.
수신 체인과 크라이오 – 기계와 전자의 교차점
기계 구조가 신호를 모아 주면, 전자 장치는 잡음을 줄입니다. 초점부의 크라이오 LNA는 수 켈빈으로 냉각되어 시스템 잡음을 최소화하고, 로컬 오실레이터와 믹서가 중간주파(IF)로 변환합니다. 이 과정에서 발생할 수 있는 미세 마이크로포닉(진동 유기 잡음)을 억제하려고 진동 고립 마운트와 저진동 냉각기를 채택합니다. 결국 기계 안정성과 전자 저잡음의 균형이 관측 감도를 결정합니다.
구조 형식의 선택 – 전이식, 전축 회전, 그 밖의 해법
100m급은 보통 전이식(Alt-Az)을 채택하지만, 일부는 에콜레식 혹은 특수 폴라 마운트를 사용합니다. 전이식은 구조가 단순하고 강풍 대응이 유리하며, 필드 로테이터로 회전 보정을 합니다. 반면, 고정식 평반사경+이동 수신기(아레시보형) 같은 아키텍처는 광학 경로가 길어져 보정이 복잡하지만 거대 구경을 실현할 수 있습니다. 설계는 관측 대역, 지형, 예산, 유지보수 체계가 함께 결정합니다.
정밀 기계가 만드는 감도의 세계
지름 100m의 접시는 거대한 금속 구조물이지만, 실제로는 마이크로미터 단위로 호흡하는 정밀 기계입니다. 백업 트러스와 액티브 서페이스가 형상을 지키고, 베어링·기어·모터가 포인팅을 실현하며, 서보 모델이 환경 오차를 보정합니다. 이 모든 공학이 맞물릴 때, 희미한 펄서의 속삭임과 원시 은하의 미약한 신호가 연구자의 모니터로 도착합니다. 전파 망원경의 귀는 결국 정밀 기계의 집합체이며, 우주를 듣게 하는 가장 인간적인 공학의 산물입니다.