화성 탐사선에 탑재되는 maxon 모터

우주 비행에서 살아남아 화성에서 작업을 수행하려면 Maxon 엔진에 몇 가지 요구되는 조건들이 있다. 이에 따라 카탈로그 제품을 적절히 조정하였으며, 이러한 지식들은 추후에 다른 산업 분야에도 적용될 수 있을 것이다.

슈테판 로쉬(Stefan Roschi): Maxon Group Corporate Marketing Communication 직원

핵심 내용

  • Maxon은 이미 20여 년 전부터 화성에서 안정적으로 작동하는 모터를 공급하고 있다. 그 가운데는 특히 팬케이크 모터와 그에 맞는 유성 기어가 있다.
  • 로켓 발사와 우주여행에서 우세한 대기와 조건으로 인해 표준 카탈로그 제품에 특수 용접 및 윤활제가 포함된다.
  • 반도체 또는 원자재 산업 등 일부 산업 분야에서도 모터가 극한의 조건에 노출된다. Maxon은 이를 위해 우주여행에서 얻은 경험을 활용하고 있다.

나사 최초의 화성 탐사선 패스파인더가 화성 표면을 탐사한 것은 1997년 7월의 일이다. 그 당시에 스위스의 모터 기술 전문 업체 Maxon은 화성 탐사선에 사용할 모터로 DC 모터를 납품하였다. 그동안 Maxon의 100개 이상의 모터가 화성에서 작업을 수행하고 있다. Maxon의 모터들은 UP 및 유성 기어 엔코더와 조합한 브러쉬리스 DC 모터 ED 32 flat과 EC 20 flat 등 표준 카탈로그 제품을 기반으로 한다.

화성 여행에 대한 요건은 매우 까다롭다. 구성 요소들이 높은 우주 방사선을 견뎌야 하고, -150° C의 극저온에서도 안정적으로 작동해야 하며, 극히 낮은 대기압과 순수한 CO2 대기에도 대처해야 한다. 또한 로켓 발사 중의 요건도 있다. 그렇다면 정밀 모터는 이러한 극한의 조건에서 무엇을 얼마나 견뎌야 할까? Maxon의 스페이스 랩 책임자인 로빈 필립스가 화성으로 여행하기 위해 모터가 충족해야 하는 특성들을 설명하였다.

1. 진동 및 충격에 대한 내성

먼저 로켓 발사를 견딜 수 있어야 한다. 이를 위해 모터는 충격과 진동에 상당한 내성이 있어야 한다. 진동은 생각하는 것만큼 강하지 않지만, 비행기 안에서 느끼는 것보다는 훨씬 강하다. 이 진동은 몇 분 정도 지속되기도 한다. 표준 제품을 이용하여 작업하는 경우 진동보다는 충격을 고려해야 한다. 우주여행에서 충격은 특히 스테이징 시, 즉 제 1단이 로켓이 나머지 부분에서 분리될 때에 일어난다. 이렇게 강한 충격은 일반적인 모터를 망가뜨릴 수 있다. 로터와 스테이터가 분리되기 때문이다. 따라서 이와 같은 극한의 환경에 맞게 표준 모터를 강화해야 한다. “이를 위해 캡슐화된 로터, 특수 용접, 고정 링, 최적화된 재료 등을 적용합니다.”(로빈 필립스)

나사의 탐사선 퍼시비어런스에는 무브러시 DC 모터, 특히 유성 기어 GP 22 UP를 적용한 EC 20 flat을 처음으로 사용하였다.

2. 진공 및 방사선에 대한 내성

지구에서 화성까지는 약 6개월이라는 시간이 걸린다. 이 시간 동안 모터는 진공과 방사선을 견뎌야 한다. 하지만 전자 장치를 망가트릴 수 있는 가장 유해한 방사선은 태양으로부터 오는 것이 아니라, 태양계 외부의 고에너지 입자로부터 나온다. 따라서 모터 홀 센서를 위한 특수 경화된 전자 장치가 필요하다. Maxon은 이를 보장하기 위해 이 전자 장치를 쌍으로 장착한다(중복 설계). 진공에 대해서도 구성 요소의 내구성이 중요하다. 또한 진공 공간에서는 화학적 특성이 변하기 때문에 접착력을 잃을 수 있는 접착제를 사용해서는 안 된다.

3. 서비스 수명에 결정적인 영향을 미치는 무게

로켓은 한정된 질량의 화물만 다른 행성으로 운반할 수 있다. 따라서 Maxon은 실험적 형태를 채용하고, 하우징 벽을 얇게 만들거나 강 대신 티타늄을 사용하여, 구조적으로 경량 요건을 구현하고, 줄일 수 있다면 1g도 줄여야 했다. “마모가 심한 것도 감수해야 하고, 산업용 애플리케이션에 비해 필요한 서비스 수명이 짧다는 점을 고려하여, 모터를 가능한 작게 제작해야 합니다.”

4. 화성의 대기에 맞서는 구성 요소

화성에서는 모터가 전체 탐사 기간 내내 완벽하게 작동한다. 또한 대기가 희박하기 때문에 가스를 배출하지 않고 특성을 유지할 수 있는 윤활제도 필요하다. 특히 브러시 DC 모터의 경우, 올바른 브러시 믹스를 사용하는 것이 중요하다. 화성에서는 녹이 발생하지 않는다. 따라서 윤활제가 함침된 특수 브러시를 개발하였다(MoS2 15%의 실버 흑연). 일반적인 브러시 모터는 진공 상태에서 몇 시간 만에 고장이 나기 때문에, 함침은 중대한 기술적 변경 가운데 하나이다.

5. 각 구성품과 어셈블리의 품질을 문서로 기록하다

지구에서 사용하는 모터는 모두 테스트 과장을 거친다. 하지만 경제적인 이유로 세부적인 사항까지 테스트하지는 않는다. 하지만 절대적 리스크와 타협해서는 안 되는 화성 탐사를 위한 제품과는 상황이 다르다. 화성 탐사선에 탑재되는 제품의 경우, 우주 공간은 오류를 허락하지 않기 때문에 모든 개별 구성품을 검사해야 한다. Maxon은 장착하는 모든 개별 어셈블리를 검사하고 이를 상세하게 기록하여, 모터가 약속한 사양을 실제로 구현하였다는 증거를 고객에게 전달한다. 모형 항공기는 인증된 유닛과 동일하다고 한다. 테스트를 이용하여 실제 상황에서 겪는 것과 동일한 상황을 겪기 때문이다. 모형 항공기를 셰이커(shaker) 위에 올리고, 온도 사이클에 노출하여 내구성 테스트를 실시하였다. “모터가 모든 테스트를 성공적으로 합격하면 설계가 제대로 실행됐다는 것을 알 수 있습니다. 이후의 모든 모터는 동일하게 제작하기만 하면 됩니다. 이는 모든 사항을 기록하였기 때문에 가능합니다.”(로빈 필립스) 이 과정은 번거롭지만 중요하다. 이렇게 하지 않으면 무언가 잘못된다는 것을 과거의 우수 탐사 사례에서 우리는 보았기 때문이다.

이러한 지식의 혜택을 다른 산업 분야가 누리는 방법

Maxon의 CEO인 유진 엘미거는 다음과 같이 설명하였다. “당사 브러시 DC 모터와 무브러시 DC 모터는 우주에서 혹독한 냉기, 열, 충격, 진동 등 극한의 조건에 노출된 적이 있습니다. 당사는 이러한 경험을 가지고 있어 사용하는 제품을 개선할 수 있었습니다.” 제조 산업에서도 구성 요소들이 까다로운 요건을 충족해야 하는 적용 사례들이 있다. 전자 산업 및 반도체 산업의 제조 시스템이나 원자재 산업의 드릴링 헤드만 고려해봐도 알 수 있다. 이런 분야에서는 모터가 우주여행과 비슷한 충격이나 대기 조건을 견뎌야 한다.

Maxon은 이러한 사용 영역에 대해 우주항공 분야에서 다년간 쌓은 경험을 활용하고, 거기서 얻은 지식을 다른 분야에 적용하고 있다. “당사는 그동안 우주 항공 분야에서 얻은 지식을 통해 업계의 기대를 충족할 수 있는 품질 프로세스를 구축하였습니다. 의료 분야와 같은 다른 업계의 고객들도 이로부터 혜택을 누릴 수 있습니다. 요구하는 사항들이 부분적으로 매우 유사하기 때문입니다.”(로빈 필립스)