안테나 전개 메커니즘

기계적 구동 방식은 모터, 액추에이터, 기어, 링크 메커니즘 등 전통적인 기계 부품을 조합하여 안테나를 전개하는 방법이다. 이 방식은 구동력과 제어 정밀도가 높아 복잡한 전개 궤적이나 큰 토크가 필요한 대형 안테나 구조물에 적합하다. 구동원으로는 주로 스테핑 모터나 DC 모터가 사용되며, 이 모터의 회전 운동은 기어박스와 링크를 통해 안테나 패널이나 빔의 선형 또는 회전 운동으로 변환된다.

구동 메커니즘의 설계는 안테나의 형태에 따라 다양하다. 예를 들어, 폴드아웃 안테나는 힌지와 토션 스프링을 조합하고, 모터로 최종 록킹(locking)을 수행하는 방식을 사용한다. 롤아웃 안테나는 모터에 연결된 드럼에 얇은 합성재료 빔을 감았다가 풀어내는 방식으로 전개한다. 이러한 기계식 시스템은 전개 각도와 속도를 정밀하게 제어할 수 있어, 안테나의 최종 형상 정밀도를 높이는 데 유리하다.

그러나 기계적 구동 방식은 상대적으로 부품 수가 많고 무게가 증가할 수 있으며, 우주 환경의 극한의 온도와 진공에서 윤활 문제나 기계적 마모가 발생할 위험이 있다. 따라서 고신뢰성 설계와 내환경성 소재 선택, 그리고 충분한 지상 시험을 통해 이러한 단점을 보완한다.

형상 기억 합금(SMA)은 특정 온도(변태점) 이상에서 사전에 프로그래밍된 원래의 형상으로 되돌아가는 독특한 성질을 가진 소재이다. 이 열탄성 현상을 이용하여, 안테나의 전개를 구동하는 방식이 개발되었다. SMA는 일반적으로 니켈-티타늄 합금(니티놀)이 주로 사용되며, 전개 메커니즘에서는 와이어, 스프링, 또는 얇은 판 형태로 적용된다.

SMA를 활용한 전개 메커니즘의 작동 원리는 비교적 단순하다. 먼저, 안테나 구조물을 접힌 상태에서 SMA 부재를 그 형태에 맞게 변형시켜 고정한다. 이후 발사체에 탑재되어 우주 공간에 진입하면, SMA 부재에 전류를 인가하거나 태양열에 노출시켜 가열한다. 온도가 변태점을 넘어서면, SMA 부재는 프로그래밍된 원래의 형상(예: 펴진 상태)으로 복원하려는 힘을 발생시킨다. 이 힘이 잠금 장치를 해제하거나 직접 구조물을 밀어내어 안테나를 전개시킨다.

이 방식의 주요 장점은 구동부의 단순성과 높은 신뢰성이다. 기계적인 모터나 복잡한 유압 시스템이 필요 없어 경량화와 소형화가 가능하며, 움직이는 부품이 적어 고장 가능성이 낮다. 또한, 전개 과정이 조용하고 진동이 적다는 특징이 있다. 반면, 전개 속도와 힘을 정밀하게 제어하기 어렵고, 한 번 전개가 완료되면 재사용이 불가능한 경우가 많다는 한계가 있다. 또한 우주 환경의 극한 온도 변화가 SMA의 성능에 미치는 영향에 대한 고려가 필요하다[1].

가스 구동 방식은 고압 가스(일반적으로 질소)를 저장 탱크에 담아 두었다가 전개 명령 시 밸브를 열어 가스를 작동기에 공급하는 방식이다. 가스의 팽창력을 이용하여 안테나 구조물을 신속하게 전개한다. 이 방식은 비교적 단순하고 높은 구동력을 제공할 수 있어 대형 구조물 전개에 적합하다. 그러나 가스 탱크와 배관 시스템이 필요하며, 일회성 사용이 일반적이다.

스프링 구동 방식은 탄성 에너지를 저장한 스프링(코일 스프링, 판 스프링, 비틀림 스프링 등)의 복원력을 이용한다. 전개 시 스프링이 잠금 장치에서 해제되며 저장된 에너지가 방출되어 안테나를 펼친다. 이 방식은 기계적으로 매우 신뢰할 수 있고, 전기적 구동 요소가 필요 없어 전력 소모가 없다는 장점이 있다. 반복적인 전개/수축이 필요한 경우에는 적합하지 않을 수 있다.

두 방식을 혼합하거나 다른 방식과 결합하여 사용하기도 한다. 예를 들어, 초기 전개는 가스 구동으로 신속하게 수행하고, 최종 위치 고정은 스프링이나 래치 메커니즘으로 완성하는 방식이다. 설계 시에는 구동력, 전개 속도, 비가역성(일단 전개하면 쉽게 되돌리지 않는 특성), 그리고 발사 중 견딜 수 있는 진동 및 충격 하중을 고려해야 한다.

롤아웃 안테나는 얇고 유연한 재료로 만들어진 안테나 반사면이나 방사체가 롤러 또는 드럼에 감겨 있다가 임무 공간에서 펼쳐지는 방식의 안테나 전개 메커니즘이다. 이 방식은 발사 시에는 매우 작은 부피로 압축되어 수납되지만, 전개 후에는 상대적으로 큰 구경의 안테나를 형성할 수 있다는 장점을 가진다. 주로 위성 통신이나 우주 탐사 임무에서 대형 안테나가 필요하지만 발사체의 페어링 공간에 제약이 있는 경우에 적합한 설계이다.

전개 방식은 크게 두 가지로 구분된다. 하나는 얇은 금속 테이프 또는 메쉬 재질의 반사면이 스프링의 복원력에 의해 자동으로 펼쳐지는 방식이다. 다른 하나는 형상 기억 합금 힌지나 소형 전동기를 이용해 롤러를 회전시켜 안테나를 정밀하게 펼치는 구동 방식이다. 롤아웃 안테나는 전개 후에도 평평한 판 형태를 유지하거나, 특정 곡률을 가진 파라볼라 형태로 고정되는 설계가 존재한다.

이 메커니즘의 주요 장점은 높은 수납 효율성과 간단한 구조에서 오는 높은 신뢰성이다. 반면, 전개 후 구조의 강성과 표면 정밀도를 확보하는 것이 기술적 도전 과제이다. 특히 파라볼라 안테나로 사용될 경우, 전개 후 반사면의 정확한 곡률을 유지해야 하므로 지지 구조물의 설계와 재료 선택이 매우 중요하다. 롤아웃 방식은 폴드아웃 안테나에 비해 일반적으로 더 큰 직경의 안테나 구현이 가능하다.

폴드아웃 안테나는 접이식 구조를 펼쳐 전개하는 방식의 안테나이다. 이 방식은 지상에서 컴팩트하게 접혀 있다가 우주 공간이나 목표 지점에서 기계적 구동 방식이나 형상 기억 합금 등의 작동원리에 의해 펼쳐진다. 주로 판넬이나 트러스 구조를 힌지로 연결하여 다수의 패널이 한 번에 또는 순차적으로 전개되는 형태를 가진다. 이는 발사체의 제한된 공간에 대형 안테나를 수납하기 위한 고전적이면서도 효과적인 해결책으로 평가받는다.

폴드아웃 안테나는 그 전개 패턴과 구조에 따라 세부 유형으로 나뉜다. 대표적으로, 선형 힌지를 따라 팬처럼 펼쳐지는 팬 폴드 방식과, 책장을 넘기듯이 접힌 패널들이 순차적으로 전개되는 북 폴드 방식이 있다. 또한, 데플렉터 안테나처럼 단일 곡면이 전개되거나, 복잡한 메쉬 안테나의 지지 구조를 구성하는 데에도 활용된다. 전개는 주로 스프링, 모터, 또는 가스/스프링 구동 방식에 의해 이루어진다.

이 방식의 주요 장점은 높은 전개 신뢰성과 강성 확보에 있다. 완전히 전개된 후에는 견고한 구조를 유지하여 안정적인 안테나 성능을 제공한다. 또한, 평평한 반사판 표면을 구현하기 용이하여 고주파수 대역에서도 효율적인 성능을 발휘할 수 있다. 그러나 다수의 기계적 조인트와 힌지가 필요하기 때문에 설계가 복잡하고, 전개 과정에서 걸림이나 간섭이 발생할 위험이 존재한다는 단점도 지닌다.

폴드아웃 안테나는 지구 관측 위성, 통신 위성, 그리고 우주 탐사 임무에 널리 사용된다. 대형 태양 전지판을 전개하는 데에도 동일한 원리가 적용된다. 설계 시에는 발사 중의 진동과 충격을 견디도록 접힌 상태의 강성을 확보하고, 극한의 열 환경에서도 힌지와 구동부가 정상 작동할 수 있도록 하는 것이 핵심 과제이다.

인플레이터블 안테나는 접었을 때는 작은 부피를 차지하지만, 우주 공간에서 가스를 주입하여 팽창시켜 대형 안테나 구조물을 형성하는 방식이다. 이 기술의 핵심은 가벼우면서도 강성을 유지할 수 있는 특수 복합 재료로 제작된 막 구조에 있다. 발사 전에는 이 막을 압축하여 소형으로 포장하고, 궤도 상에서 질소나 다른 불활성 가스를 주입하여 설계된 형상으로 팽창시킨다. 팽창 후에는 재료 자체의 경화 반응이나 외부 코팅을 통해 구조적 강성을 확보하여 안테나 반사면으로 기능한다.

이 방식의 가장 큰 장점은 전개 면적 대비 발사 부피와 질량이 극도로 작다는 점이다. 기존의 경질 판금 구조나 메쉬 구조로는 구현하기 어려운 초대형 경량 안테나를 제작할 수 있다. 이를 통해 고이득과 정밀한 빔 형성이 가능해지며, 특히 저궤도 소형 위성에서도 대형 안테나 성능을 구현할 수 있는 길을 열었다. 대표적인 예로 NASA의 인플레이터블 안테나 실험(IAE)이 있다[3].

그러나 장기간의 우주 환경에서 재료의 열화, 자외선 노출, 원자 산소 부식, 그리고 미세운석 및 우주 쓰레기 충돌에 대한 내구성을 확보하는 것이 주요 기술적 과제이다. 또한 팽창 과정의 제어와 최종 형상의 정밀도를 보장해야 하며, 팽창 후 구조물의 강성을 안정적으로 유지하는 메커니즘(예: 경화성 수지 코팅)이 필수적이다. 이러한 문제들을 해결함으로써, 인플레이터블 기술은 차세대 대형 우주 구조물의 핵심 기술로 주목받고 있다.

안테나 전개 메커니즘 설계에서 경량화와 컴팩트함은 가장 핵심적인 목표 중 하나이다. 특히 우주 발사체의 경우, 발사 비용은 탑재 중량과 부피에 크게 의존하기 때문에, 발사 시 가능한 한 작고 가벼운 형태로 접혀 있어야 한다. 이는 발사체의 페이로드(탑재물) 공간을 효율적으로 활용하고, 전체 임무 비용을 절감하는 데 직접적으로 기여한다.

경량화를 달성하기 위해 설계자들은 고강도 경량 소재를 적극적으로 채택한다. 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)과 같은 복합재료는 높은 비강도와 비강성을 제공하여 무게를 크게 줄이면서도 구조적 안정성을 유지한다. 또한, 알루미늄 합금이나 티타늄 합금도 경량 구조물에 널리 사용된다. 메커니즘의 구성 부품 수를 최소화하고, 일체형 구조를 설계하는 것도 무게 감소와 신뢰성 향상에 도움이 된다.

컴팩트한 수납을 위한 설계는 메커니즘의 유형에 따라 다양한 접근 방식을 요구한다. 롤아웃 안테나는 얇은 판재나 그물 구조를 롤 형태로 감아 매우 작은 부피에 저장한다. 폴드아웃 안테나는 경량 지지대(붐)와 반사경을 힌지 구조로 여러 번 접어 평평한 패널 형태로 만든다. 인플레이터블 안테나는 가스를 주입하기 전까지는 얇은 막 상태로 접어 수납하여 극단적인 컴팩트함을 실현한다. 이러한 설계는 발사체의 페어링(발사체 보호 덮개) 내 제한된 공간에 최대한 큰 안테나를 탑재할 수 있게 해준다.

안테나 전개 메커니즘은 발사 과정과 우주 공간이라는 극한 환경에서도 정상적으로 기능해야 하므로, 환경 내구성은 설계의 핵심 고려사항이다. 주요 환경 요인으로는 발사 시의 강력한 진동과 충격, 궤도상의 극단적인 열 환경 및 진공 상태가 있다.

발사 과정에서 로켓 엔진과 공기역학적 하중으로 인해 발생하는 진동과 충격은 메커니즘의 구조적 무결성을 위협한다. 설계자는 유한 요소 해석 등을 통해 진동 모드를 분석하고, 전개 부품이 공진하지 않도록 강성을 확보하거나 감쇠재를 적용한다. 또한, 발사 시 안테나가 접힌 상태에서 풀리지 않도록 잠금 장치의 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다.

궤도에 진입한 후에는 태양에 노출되는 부분과 그렇지 않은 부분 사이에 수백 도에 달하는 극심한 온도 차이가 발생한다. 이러한 열 변형은 메커니즘의 구동 정밀도와 안테나 반사판의 형상을 왜곡시킬 수 있다. 따라서 열팽창 계수가 낮은 재료를 선택하거나, 서로 다른 재료 간의 열변형을 보상하는 설계가 필요하다. 또한, 진공 환경은 윤활제의 휘발과 진공 용접 현상을 유발할 수 있어, 특수 우주용 윤활제를 사용하거나 건식 베어링을 채택하는 등의 대책이 요구된다.

전개 신뢰성은 안테나 전개 메커니즘이 설계된 대로 한 번에 완벽하게 전개되고, 임무 기간 동안 그 형태와 기능을 유지하는 능력을 의미한다. 특히 위성이나 우주 탐사선에 탑재되는 안테나는 발사 후 단 한 번의 기회를 통해 전개되어야 하며, 지상에서의 수리나 조정이 불가능하기 때문에 가장 중요한 설계 요구사항 중 하나이다. 전개 실패는 전체 임무의 실패로 직결될 수 있다.

신뢰성을 확보하기 위한 핵심 접근법은 단일고장점을 제거하는 것이다. 이를 위해 주요 구동부나 잠금 장치에 중복 설계를 적용하거나, 백업 전개 방식을 마련한다. 예를 들어, 주 모터에 장애가 발생했을 때를 대비해 예비 모터를 설치하거나, 형상 기억 합금 힌지와 스프링을 병렬로 구성하여 한쪽이 작동하지 않아도 전개가 완료되도록 한다. 또한 전개 과정의 각 단계를 모니터링하고 제어할 수 있는 센서와 제어 알고리즘이 통합된다.

전개 신뢰성은 설계 단계에서부터 철저한 검증을 통해 확보된다. 지상에서는 무중력, 진공, 극한의 온도 등 우주 환경을 모사한 조건 하에서 수십에서 수백 회에 걸친 반복 전개 시험을 수행한다. 이러한 시험을 통해 구속 방출 현상[4]이나 부품의 마모, 재료의 피로와 같은 잠재적 고장 모드를 사전에 발견하고 제거한다. 최종적으로는 비행 모델이 실제 발사 환경을 견딜 수 있고, 우주에서 단 한 번의 명령으로 완벽하게 전개될 것임을 입증해야 한다.

위성 통신은 안테나 전개 메커니즘이 가장 핵심적으로 활용되는 분야이다. 우주 공간에서 고이득, 대형 안테나를 사용하여 고주파 대역의 신호를 효율적으로 송수신하기 위해서는 발사체의 페어링(fairing) 내부 공간 제약을 극복해야 한다. 이를 위해 발사 시에는 안테나를 최대한 작게 접어 수납하고, 궤도 상에서 정확하게 전개하여 설계된 형상을 완성한다. 이 과정은 통신 용량과 링크 예산을 결정짓는 중요한 요소가 된다.

통신 위성의 안테나는 주로 롤아웃(Roll-Out) 안테나나 폴드아웃(Fold-Out) 안테나 방식을 채택한다. 대표적으로 금속 메쉬를 사용한 대형 반사경은 접었다가 전개되는 방식으로 구현된다. 정지궤도 통신 위성의 경우, 다중 빔을 형성하거나 특정 지역에 고출력 신호를 집중시키기 위해 직경 수 미터에서 십 수 미터에 이르는 대형 안테나가 필요하며, 이들의 성공적인 전개는 위성의 전체 임무 수명을 좌우한다.

소형 위성이나 군집 위성 네트워크 분야에서는 더욱 컴팩트한 전개 메커니즘이 요구된다. 큐브샛이나 소형 위성에 탑재되어 고속 데이터 다운링크를 제공하기 위해 얇은 필름 형태의 안테나가 접혀 있다가 전개되는 방식도 연구 및 적용되고 있다. 이러한 기술 발전은 전통적인 대형 정지궤도 위성뿐만 아니라 저궤도 위성군을 이용한 글로벌 인터넷 서비스의 실현을 가능하게 하는 기반이 된다.

우주 탐사 임무에서 안테나 전개 메커니즘은 지구와 탐사선 사이의 원거리 통신을 가능하게 하는 핵심 요소이다. 깊은 우주 공간으로 향하는 탐사선은 고이득, 대형 안테나를 필요로 하지만, 발사체의 페어링 내부 공간 제약으로 인해 발사 시에는 접혀 있다가 궤도 상에서 전개되어야 한다. 이러한 임무는 딥 스페이스 네트워크와의 안정적인 데이터 링크를 유지하기 위해 높은 신뢰성을 요구한다.

주요 우주 탐사 임무에 적용된 예로는 보이저 탐사선의 3.7미터 파라볼라 접시형 고이득 안테나가 있으며, 이는 기계적 힌지 구조를 통해 전개되었다. 화성 탐사 임무에서는 로버에 장착된 안테나가 롤아웃(Roll-Out) 안테나나 얇은 필름 형태의 폴드아웃(Fold-Out) 안테나를 사용하여 컴팩트한 발사 상태에서 넓은 면적을 확보한다. 최근에는 초경량 구조를 구현할 수 있는 인플레이터블(팽창형) 안테나 기술도 활발히 연구되고 있다[5].

이러한 메커니즘의 성능은 임무 성패를 좌우한다. 수억 킬로미터 떨어진 거리에서 안테나 전개에 실패하면 탐사선과의 통신이 단절될 수 있다. 따라서 극한의 온도 변화, 우주진, 장기간의 진공 환경에 노출되어도 정확히 작동하도록 설계되고, 발사 전 철저한 지상 시뮬레이션과 환경 시험을 거친다.

군사 분야에서 안테나 전개 메커니즘은 신속한 전개와 철수가 요구되는 전술 통신 시스템에 필수적이다. 이동식 지휘소, 전술 데이터 링크, 그리고 전자전 장비에 사용되어, 작전 지역에서 즉각적인 장거리 통신망을 구축하는 역할을 한다. 특히, 경량화되고 컴팩트하게 수납 가능한 설계는 병력과 장비의 기동성을 보장하는 핵심 요소이다.

이동 통신 분야에서는 재난 구호나 임시 통신 인프라가 필요한 상황에서 유용하게 활용된다. 대규모 행사장이나 재해 지역에 신속하게 가설 기지국을 설치하여 통신 서비스를 복구하거나 확장할 때, 자동 전개가 가능한 안테나 시스템이 배치된다. 이러한 시스템은 드론이나 이동 차량에 탑재되어 공중 또는 지상에서 신속하게 전개될 수 있다.

군사 및 이동 통신용 안테나 전개 메커니즘은 다음과 같은 특수 요구사항을 충족해야 한다.

이러한 요구조건으로 인해, 롤아웃 안테나나 폴드아웃 안테나와 같이 간단한 기계적 구동 방식을 활용한 설계가 선호되는 경향이 있다.

지상 시뮬레이션은 안테나 전개 메커니즘이 실제 우주 환경에서 성공적으로 작동할 수 있음을 검증하기 위한 필수적인 단계이다. 이 과정에서는 무중력, 진공, 극한의 온도 변화 등 우주 공간의 조건을 지상에서 최대한 모사하여 메커니즘의 성능을 평가한다. 주로 무중력 효과를 모방하기 위해 다양한 기법이 사용되며, 이를 통해 전개 과정 중 발생할 수 있는 간섭, 걸림, 불완전 전개 등의 문제를 사전에 발견하고 해결한다.

무중력 시뮬레이션을 위한 주요 방법은 다음과 같다.

이러한 시뮬레이션을 통해 전개 궤적, 전개 속도, 최종 형상 정확도, 그리고 부품 간의 간섭 여부를 상세히 측정한다. 또한, 전개 구동력의 균일성과 형상 기억 합금(SMA)의 작동 온도 구간, 가스/스프링 구동 방식의 작동 압력 등 구동 원리의 정상 작동 여부도 확인한다. 시뮬레이션 데이터는 컴퓨터 모델의 정확도를 검증하고 개선하는 데 활용되어, 실제 비행 모델의 설계 신뢰도를 높이는 기초 자료가 된다.

환경 시험은 안테나 전개 메커니즘이 실제 운용 환경에서 요구되는 성능과 신뢰성을 확보하기 위한 필수 과정이다. 특히 열진공 시험과 진동 시험은 우주 공간에 적용되는 안테나에 있어 가장 중요한 검증 절차에 해당한다.

열진공 시험은 우주 환경을 지상에서 모사하는 시험이다. 시험체는 진공 챔버 내부에 배치되고, 우주 공간의 극한 온도 조건을 재현하기 위해 가열판과 액체 질소 등을 이용해 온도 사이클을 가한다. 이 시험을 통해 열팽창에 의한 구조적 변형, 극한 온도에서의 기계적 구동 성능, 재료의 열적 특성 변화, 그리고 진공 상태에서의 가스 배출 현상 등을 평가한다. 시험 중에는 전개 메커니즘이 정상적으로 작동하는지, 지정된 위치에 정확히 전개되는지, 그리고 열 변형으로 인한 성능 저하가 발생하지 않는지를 확인한다.

진동 시험은 발사체에 의한 극심한 기계적 하중을 견딜 수 있는지를 검증한다. 시험체는 진동 테이블에 고정되고, 발사 과정에서 예상되는 진동 및 충격 스펙트럼을 입력받는다. 이 시험은 크게 세 가지 유형으로 구분된다.

이러한 시험을 통해 전개 메커니즘의 고정 장치 강도, 핵심 부품의 피로 수명, 그리고 시험 후에도 기능이 정상적으로 유지되는지를 종합적으로 평가한다. 모든 환경 시험은 일반적으로 시험 전·후의 성능을 비교하는 기능 시험과 결합되어 진행되며, 시험 데이터는 설계 검증 및 개선에 활용된다.

정밀한 전개 제어는 안테나가 설계된 형상과 위치로 완벽하게 펼쳐지도록 보장하는 핵심 기술이다. 특히 우주 공간에서의 임무는 지상에서의 물리적 접근과 수리가 불가능하기 때문에, 단 한 번의 전개 과정에서도 오차가 발생하지 않아야 한다. 이를 위해 마이크로프로세서와 다양한 센서(예: 자이로스코프, 가속도계, 광학 센서)를 활용한 폐쇄 루프 제어 시스템이 구축된다. 이 시스템은 전개 각도, 속도, 안테나 표면의 평탄도 등을 실시간으로 모니터링하며, 필요시 구동부에 피드백을 제공하여 정확한 궤적을 따라 움직이도록 조정한다.

전개 제어의 정밀도는 안테나의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 반사경이나 배열 안테나의 경우, 전개 후 형상의 미세한 왜곡도 이득 감소나 빔 패턴 열화를 초래할 수 있다. 따라서 유한 요소 해석을 통한 사전 설계 최적화와 함께, 전개 메커니즘의 백래시나 마찰 계수와 같은 기계적 불확실성을 최소화하는 것이 중요하다. 형상 기억 합금을 사용하는 경우, 가열 타이밍과 온도 프로파일의 정밀한 제어가 균일한 전개를 결정한다.

복잡한 대형 안테나의 경우, 여러 개의 독립적이지만 협력하는 구동 모듈이 필요하다. 이때 각 모듈의 동작을 완벽하게 동기화시키는 것이 주요 과제이다. 제어 알고리즘은 예상치 못한 장애물(예: 냉간 용접 현상)에 대응할 수 있는 내결함성 기능을 포함하기도 한다. 최근에는 인공지능 기반의 예측 제어 알고리즘을 도입하여, 시뮬레이션 데이터를 학습시켜 실제 전개 과정에서 발생할 수 있는 변수를 사전에 보정하는 연구가 진행되고 있다.

우주 환경은 극한의 조건을 가지며, 안테나가 임무 기간 동안 설계된 성능을 유지하려면 이러한 조건에 대한 내성이 필수적이다. 주요 도전 과제는 원자 산소, 자외선, 극저온과 고온의 극심한 열 사이클, 그리고 우주 먼지와 우주 쓰레기의 충돌 위험이다.

원자 산소는 지구 저궤도에서 풍부하게 존재하며, 특히 유기물 기반의 복합 재료나 특정 코팅을 침식시켜 구조적 약화를 초래할 수 있다. 이를 방지하기 위해 실리콘 또는 금속 산화물 기반의 보호 코팅이 적용된다. 또한, 장기간의 자외선 노출은 폴리머 재료의 분해를 유발할 수 있어, 자외선 차단 기능을 가진 재료 선정이 중요하다. 열 환경에 대응하기 위해서는 낮은 열팽창 계수를 가진 재료를 사용하고, 열 변형을 최소화하는 구조 설계가 필요하다.

장기 성능 유지를 위한 접근법은 크게 재료 공학적 해결책과 시스템 설계적 해결책으로 나뉜다. 재료 측면에서는 형상 기억 합금과 같은 스마트 재료의 피로 수명과 열 안정성을 높이는 연구가 진행된다. 시스템 설계 측면에서는 전개 메커니즘이 단일 실패점을 가지지 않도록 중복성을 확보하거나, 부분적으로 고장 나도 임무를 계속할 수 있는 허용 내 고장 설계 개념을 도입한다. 또한, 지상에서의 가속 수명 시험과 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수십 년에 달하는 우주 환경의 영향을 예측하고 검증한다.