실패는 있을 수 없습니다.: 팀켄 엔지니어, 차세대 화성 탐사 로봇용 베어링 설계

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실패는 있을 수 없습니다.: 팀켄 엔지니어, 차세대 화성 탐사 로봇용 베어링 설계

2021년에, 새로운 탐사 로봇이 고대 미생물의 흔적을 찾으려는 임무를 수행하기 위해 화성에 착륙할 것입니다. 그날이 오면 팀켄 수석 애플리케이션 엔지니어인 John Renaud는 주먹을 들어 올리며 “예!”라고 소리 지를지도 모릅니다. 탐사 로봇을 표면으로 내리는 하강 브레이크용 베어링을 그가 설계했기 때문입니다.

이런 베어링 설계가 2년 전 아주 일상적인 일이었다고 일과의 전부였다고 Renaud는 말합니다. 그의 상사이자 항공우주 분야 책임 엔지니어인 John Lowry는 한마디로 이렇게 표현합니다. “John은 우주비행 분야에서 어느 정도 전문가입니다.” 화성 탐사 로봇 같은 분야의 정밀 베어링을 설계하는 것이 그 업무의 일부입니다.

현재 활동 중인 Curiosity 탐사 로봇도 팀켄 베어링을 사용하여 행성으로 내려갔고, 그 전의 탐사 로봇 2대인 Spirit과 Opportunity도 마찬가지였습니다. 또한 Curiosity는 캐러셀 시스템의 중심 허브에 팀켄 베어링을 장착하여 암석, 토양, 대기 등을 수집하고 분석하기 위한 샘플 컵의 위치를 회전시킵니다. 또한 1/4인치(6.35mm) 팀켄 베어링 2개가 탐사 로봇의 분석 장비를 지원하는 작은 진공 펌프를 작동시킵니다.

1/4인치 베어링의 가치

사실, Renaud는 이 화성 로봇 사업이 그리 놀라운 일이 아니라고 지적합니다. 모든 회전 메커니즘은 작동하는 곳이 우주든 지구든 간에 베어링을 필요로 합니다. 팀켄은 거의 120년간 베어링을 제작해 왔으므로 화성에서 사용되는 베어링을 제작하는 것도 놀라운 일이 아닙니다.

정작 놀라운 일은 그러한 베어링이 얼마나 중요한 역할을 하는가일 것입니다. Renaud는 이렇게 말합니다.“베어링은 단순한 부품이 아닙니다. 매우 작은 변형, 즉 만분의 1인치(2.5미크론)만 차이가 나도 부품의 성공과 실패를 가르게 될 수 있습니다.”

그리고 실패는 있을 수 없습니다. 우주에서는 하나의 부품만 잘못되어도 누구도 수정할 수 없기 때문에 전체 임무가 실패할 수 있습니다. Curiosity의 경우, 25억 달러가 투입되고 8년간 추진한 계획과 개발이 화성에 착륙한 직후 중단될 수도 있는 상황이었습니다.

하지만 그 대신, 2012년 8월 6일에 Aeolis Palus 평야로 부드럽게 미끄러져 내려가 여기저기 누비며 지난 6년간 사진과 분석 자료를 보내왔습니다. 탐사 로봇의 예상 수명인 23개월을 훨씬 뛰어넘어 새로운 발견의 역사를 쓴 것입니다.

우주 분야의 도전 과제

애플리케이션 엔지니어로서 Renaud는 다양한 문제를 해결하고 있습니다. 국방 프로젝트, 위성, 센서, 요트 자이로 등이 모두 그의 손을 거쳐갔습니다. 흔히 그는 환경적 요소와 하중 조건, 즉 베어링이 견뎌야 하는 외력만 살펴봅니다. Renaud는 이렇게 설명합니다. “우리는 약어나 프로그램 이름을 말하기도 하지만 프로젝트가 기밀일 때도 있습니다. 어디에 사용되는 것인가? 말씀드릴 수 없습니다.”

지구에서 이루어지는 프로젝트에서는 별로 중요하지 않은 많은 요인도 우주 분야에서는 중요하게 작용합니다. Renaud는 무엇보다도 발사 조건의 극심한 열, 진동, 가속 등을 고려해야 한다고 말합니다.

일반적으로 팀켄 엔지니어는 팀켄의 독자적인 모델링 소프트웨어인 Syber를 통해 고객이 제공하는 하중 조건을 구현해 봅니다. “하중이 가해질 때 베어링이 어떻게 반응하는지를 시뮬레이션하고 접촉 응력과 샤프트 변형을 통해 문제가 있는지를 결정합니다.”라고 Renaud는 설명합니다.

우주 분야에서 사용되는 베어링은 흔히 진공 환경에서 작동하기 때문에 건조해지는 경향이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해 Curiosity 베어링은 특수 그리스-오일 혼합 윤활제 솔루션으로 설계되었습니다. 기체 방출도 우주에서는 문제가 될 수 있습니다. “불안정한 물질로 작업하면 계측기를 포함하여 위성 내부의 모든 구성요소가 오염될 수 있습니다.”라고 Lowry는 말합니다.

또한 우주 분야에서 사용되는 베어링은 매우 정밀해야 합니다. 궤도의 어느 지점을 가리키고 있거나 거기에 초점을 맞추고 있을 때는 특히 그렇습니다. 베어링이 원활하게 작동하지 않으면 위성을 정확하게 위치시키는 기능에 영향을 미쳐 위성의 나머지 부분에 진동이 가해질 수 있습니다. 이는 우선, 선명한 이미지를 얻을 수 없다는 의미일 수 있습니다.

Lowry는 이렇게 설명합니다. “콘서트 무대에 카메라를 맞춰 확대하려고 하는 경우, 손을 움직이지 않고 정지한 상태로 먼 거리에서 선명한 사진을 찍는 것이 얼마나 어려운지 아실 겁니다. 그 거리가 우주 공간이라고 생각해 보세요. 위성을 가리키거나 계측기 초점을 맞춰 데이터를 수집하려고 할 때 진동이 전달되면 치명적입니다. 그렇게 먼 거리에서는 이 요건을 갖추기가 매우 어렵습니다.”

협업을 중시하는 문화

Renaud는 메사추세츠대학교 로웰에서 기계 공학 학위를 받은 후 제품 엔지니어로 시작하여 팀켄에서 11년간 근무하고 있습니다. Lowry는 R&D 및 프로그램 관리 분야에서 경력을 쌓은 후 2011년에 항공우주 분야 책임 엔지니어를 맡았으며, 곧 업계 경력 20주년을 맞이하게 됩니다.

Lowry는 이렇게 말합니다. “항공우주 분야로 옮기기 직전에 지름 10~12피트(3m~3.7m)의 풍력 에너지 베어링 작업을 했습니다. 여기서 어떤 베어링은 1/4인치(6.35mm)밖에 되지 않습니다.”

두 사람 모두 자신이 참여하는 다양한 프로젝트를 즐깁니다. “매일매일이 새롭습니다.”라고 Renaud는 말합니다.

하지만 10억달러짜리 우주 프로그램 작업을 할 때는 정확성을 중심으로 해야 합니다. 세부 사항에 주의하는 것도 중요하지만 개방적 의사소통을 중시하는 팀 문화도 중요합니다.

Lowry는 “사람들은 문제를 해결하기 위해 여기 있는 것”이라며, “그들은 개방적이고 정직하며 쉽게 접근하는 방식으로 협력합니다. 그것이 제가 팀켄에서 일하면서 가장 좋아하는 면 중 하나입니다.”라고 설명합니다.

Timken engineers, John Renaud (left) and John Lowry (right)

차세대 우주 프로젝트에 참여하고자 하는 젊은 엔지니어들에게 어떤 조언을 하겠느냐는 질문에 Lowry는 “질문을 많이 하십시오.”라고 말합니다. “스펀지처럼 받아들이십시오.”

또 이렇게 말합니다. “지금 이 분야의 초기 전문 인력 일부가 떠나기 시작했고 젊은 세대가 그 역할을 맡게 될 것입니다. 고객은 지원을 받기 위해 우리에게 더 많이 의존할 것입니다.”

Renaud도 동의합니다. “동료들로부터 배우십시오.”라며, “수년간 그 업무를 맡아 온 사람들은 여러분의 가장 큰 자원입니다.”라고 말합니다.

동시에, 우주 산업은 빠르게 발전하고 있습니다. Renaud는 또 이렇게 설명합니다. “위성은 점점 크기가 작아지고 비용도 낮아지고 있습니다. 어떤 회사가 비교적 저렴하고 작은 위성들을 쏘아 보낸다면 때로는 그중 몇 개가 실패하더라도 허용될 수 있습니다.” 하지만 Renaud와 팀켄 팀은 여기에 익숙하지 않습니다.

“이것은 이전의 우주 비행과는 다른 세계입니다.”라고 Lowry는 말합니다. 하지만 그는 이 도전을 기다리고 있습니다. 팀켄의 전문성과 협업 모델은 차세대가 가져올 새로운 아이디어 및 사고방식과 결합되어, 더 작고 더 민첩한 우주 분야 기업의 요구를 충족하는 데 틀림없이 큰 역할을 할 것입니다.