[SMAD 위성 설계] 로켓에 실을 수 있을까? 질량 버짓(Mass Budget)과 마진의 미학

1. 들어가는 글: 다이어트는 위성의 숙명

지금까지 우리는 "해상도 잘 나오게 렌즈 키우자(https://univ.tistory.com/13)", "배터리 넉넉하게 큰 거 넣자(https://univ.tistory.com/26)"라며 성능 위주의 설계를 해왔습니다.

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하지만 위성 설계의 끝판왕은 결국 무게(Mass)입니다.

로켓에 1kg을 싣는 비용은 수천만 원에서 수억 원을 호가합니다. 성능을 위해 무게를 무작정 늘리면 발사 비용이 폭등하거나, 심하면 정해진 로켓에 싣지도 못하는 사태가 벌어집니다.

오늘은 위성 시스템 엔지니어링의 핵심 업무인 질량 버짓(Mass Budget) 작성법과, 엔지니어들의 생명줄인 질량 마진(Mass Margin)에 대해 알아보겠습니다.

2. 건조 중량(Dry Mass) vs 발사 중량(Wet Mass)

위성의 무게는 크게 두 가지 상태로 나뉩니다.

1. 건조 중량 (Dry Mass): 연료(Propellant)를 넣기 전, 위성 자체의 순수한 쇳덩어리 무게입니다.
2. 발사 중량 (Wet Mass): 연료를 가득 채운 상태의 무게입니다. 로켓이 들어 올려야 하는 최종 무게가 바로 이것입니다.

$$Wet\,Mass = Dry\,Mass + Propellant$$

[주의할 점]

추진제(연료) 무게는 임무 수명과 궤도 기동($\Delta V$)에 따라 기하급수적으로 변합니다. 따라서 초기 설계 단계에서는 Dry Mass를 먼저 확정한 뒤, 필요한 연료량을 계산해서 얹는 방식을 씁니다.

 

3. 절대 믿지 마라: 질량 마진 (Mass Margin)

설계 초기 단계(Conceptual Design)에서 부품 업체 카탈로그에 "배터리 무게 1kg"이라고 적혀 있다고 해서, 장부에 그대로 1kg라고 적으면 하수입니다.

실제 개발에 들어가면 나사가 추가되고, 케이블이 길어지고, 단열재를 덧붙이면서 무게는 무조건 늘어나게 되어 있습니다. 이를 대비해 엔지니어는 반드시 '마진(Margin)'을 더해서 보고해야 합니다.

[SMAD 권장 마진 가이드]

• 기성품 (Off-the-shelf): 이미 검증된 제품 $\rightarrow$ 2~5% 추가
• 수정품 (Modified): 기존 제품을 약간 개조 $\rightarrow$ 10~15% 추가
• 신규 개발품 (New Design): 처음 만드는 물건 $\rightarrow$ 20~25% 추가

예시: 10kg짜리 신규 개발 탑재체라면, 질량 버짓에는 $10 \times 1.25 = 12.5kg$으로 적어야 나중에 욕을 안 먹습니다.

4. 위성의 황금 비율 (Mass Distribution)

"그렇다면 내 위성의 무게 배분은 적절한가?"

SMAD에서는 수백 개의 위성 데이터를 분석해 평균적인 무게 배분 비율을 제시합니다. 내 설계가 이 비율에서 크게 벗어난다면 뭔가 잘못된 것입니다.

서브시스템 (Subsystem)	평균 비율 (%)	역할
탑재체 (Payload)	30 ~ 40%	위성의 존재 목적 (카메라, 안테나 등)
구조계 (Structure)	15 ~ 20%	뼈대, 프레임
전력계 (EPS)	10 ~ 15%	배터리, 태양 전지판
자세 제어 (ADCS)	5 ~ 10%	반작용 휠, 센서
통신/명령 (TTC/C&DH)	5 ~ 10%	안테나, 컴퓨터
열 제어 (Thermal)	2 ~ 5%	히터, 방열판

[해석]

위성 전체 무게의 약 3분의 1은 탑재체가 차지하고, 나머지 3분의 2는 탑재체를 보좌하는 버스(Bus) 시스템이 차지하는 것이 가장 이상적인 비율입니다.

5. 질량 버짓 엑셀(Table) 작성 예시

실무에서는 아래와 같은 형태로 엑셀 표를 만들어 관리합니다.

항목	현재 예상값 (CBE)	마진 (%)	최대 예상값 (MPE)
카메라 모듈	15.0 kg	5%	15.75 kg
신규 데이터 처리 보드	2.0 kg	25%	2.50 kg
구조체 프레임	8.0 kg	15%	9.20 kg
...	...	...	...
Total Dry Mass	100.0 kg	-	115.4 kg

• CBE (Current Best Estimate): 현재 시점에서 가장 정확한 예상 무게
• MPE (Maximum Possible Estimate): 마진을 포함한 '최악의 경우' 무게. 로켓 선정은 이 값을 기준으로 합니다.

6. 마무리: 무게는 돈이다

오늘은 위성 설계의 현실적인 제약 조건인 질량 버짓에 대해 알아보았습니다.

엔지니어가 아무리 좋은 기능을 넣고 싶어도 MPE(최대 예상 무게)가 로켓의 한계를 넘는 순간, 가차 없이 기능을 빼거나(Descope) 부품을 깎아내야 합니다. 이것이 바로 시스템 엔지니어링의 트레이드 오프(Trade-off) 과정입니다.

다음 포스팅에서는 이 지루한 엑셀 작업을 파이썬으로 자동화해보겠습니다. Python 클래스(Class) 기능을 이용해 부품만 추가하면 전체 무게와 마진, 그리고 파이 차트까지 자동으로 그려주는 '질량 버짓 관리자'를 만들어 봅시다.