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[현대] 인공위성 (한메)
인공위성 人工衛星 artificialsatellite 지구의 주위를 공전하는 인공천체. 지구의 위성인 달과 마찬가지로 지구의 인력과 균형을 이룬 원심력을 지닌 속도로 지구 주위를 도는데, 외력의 영향을 받지 않는 한 계속 그 궤도상을 돌 수 있다. 여러 가지 목적에 적합한 장치를 갖춘 물체, 즉 인공위성을 로켓을 이용하여 지구에서 발사한다. 이 때 인공위성에 필요한 속도를 주어서 지구 주위의 원형 또는 타원형 궤도에 진입시켜 선회하도록 한다. 여기서 필요한 속도는 궤도의 높이나 모양에 따라 다른데, 높이 200㎞의 원궤도인 경우에는 7.2㎞/s, 정지궤도(geostationary orbit)라고 불리는 높이 약 3만 6000㎞인 경우에는 3.1㎞/s이다. 속도를 이것보다 빠르게 하면 인공위성은 발사지점으로부터 지구 둘레의 반을 돈 지점에서는 고도가 높아져 궤도 모양은 타원형이 된다. [인공위성의 역사] 로켓을 이용하여 인공위성을 발사할 수 있다는 생각은 1898년 러시아의 K.E.치올코프스키와 1919년 미국의 R.H.고더드의 저서에서 볼 수 있는데, 이를 실현하기 위해 필요한 강력한 로켓의 개발이 당시로서는 불가능하였다. 로켓에 관한 기술은 제2차세계대전 중 독일을 중심으로 급속히 발전하였고 전후에는 미국과 소련을 중심으로 개발되어서 과학관측에 이용되기에 이르렀다. 미국은 57년의 국제지구관측의 해(International Geophysical Year;IGY)에 지구를 관측하는 수단으로 인공위성 뱅가드 발사계획을 공표하고, 로켓 및 인공위성의 개발과 이것을 지상에서 추적, 관측할 수 있도록 준비하고 있었다. 그런데 개발에 차질이 생겨 뱅가드 발사가 지연되던 중, 57년 10월 4일 옛소련이 인공위성 스푸트니크 발사에 성공하고 <전파를 발신하면서 지구 주위를 비행중이다>라고 갑작스럽게 발표하였다. 공전주기가 약 96분인 스푸트니크는 발표했던 대로 지구의 각 도시 상공에 나타나 육안으로 관측되었는데, 이와 같이 전파를 계속 송신하면서 지구를 선회하는 최초의 인공천체의 출현은 전세계 사람들을 경탄케 하였다. 옛소련에 선수를 빼앗긴 미국에서는 예정하였던 뱅가드계획을 익스플로러로 번경하여 1958년 1월 31일 이를 발사하는 데 성공하였다. 이후로 개나 원숭이 등의 생물을 태운 인공위성, 달을 향해 발사하는 달로켓, 인공위성을 다시 지상으로 회수하는 기술, 유인인공위성, 랑데부 및 도킹 기술, 우주유영, 월면탐사기 및 그 밖의 새로운 기술을 개발하기 위해 미국과 구소련의 치열한 우주개발 경쟁이 진행되었다. 인공위성을 발사하려던 처음 목적은 ① 궤도상에서의 지구 관측 ② 인공위성이 비행하는 공간의 과학적 관측 ③ 지구의 대기에 방해받지 않는 고공에서의 천체관측 등이었다. 그러나 그 뒤 우주개발 추세는 이와 같은 과학적 관측(과학위성·천문위성 등)의 목적 외에 사람의 탑승용 인공위성(보스토크·머큐리·스페이스셔틀), 무선통신의 중계국으로서의 역할을 하는 것(통신위성·방송위성·항행위성), 지구의 자원이용을 위해 지구를 관측하는 장치(육역관측위성·해역관측위성·기상위성), 진공·무중력 등 특수한 환경을 이용하는 공학적·생물학적 실험실 등으로서 유용하게 사용할 정도에 이르렀다. 또한 지구 주위를 도는 인공위성뿐만 아니라 유인 달탐사계획인 아폴로계획이 실시되었고, 화성이나 금성 등에 탐사기를 연착륙시켜 표면의 촬영 및 자료수집 등을 하거나 수성·목성·토성 등의 행성 가까이를 비행하며 관측하는 우주탐사기(인공행성) 부문도 매우 발전하였다. [인공위성의 역학] 인공위성의 운동에 대한 역학적 고찰은 처음에는 질량중심이 우주공간 속에서 어떤 운동을 하는가를 해석하는 궤도역학이 주류를 이루었다. 그러나 고성능 인공위성이 출현함에 따라 탑재한 관측기계가 일정한 방향을 향하도록 하거나 특히 다른 궤도로 진입되도록 하기 위해 인공위성의 소형 로켓을 분사시켜 자세제어나 궤도제어를 할 필요가 생겼으며, 위성의 질량중심 둘레의 회전을 해석하는 자세역학도 중요한 위치를 차지하게 되었다. 지구 주위를 도는 인공위성의 공전운동은 태양주위를 도는 각 행성과 흡사한데, 여기에는 J.케플러가 행성에 대해 경험적으로 유도해 낸 <케플러의 법칙>이 적용된다. 즉 ① 인공위성은 지구의 질량중심을 하나의 초점으로 하는 타원(원을 포함한다)상을 운행한다(제 1 법칙). ② 지구의 질량중심과 인공위성을 잇는 동경(動徑)이 단위시간에 통과하는 면적은 일정하다(제 2 법칙). ③ 인공위성의 궤도긴반지름의 3제곱을 공전주기의 제곱으로 나눈 값은 모든 인공위성에서 일정하다(제 3 법칙). 이와 같은 성질로 운행하는 인공위성의 궤도를 더욱 명확하게 알기 위해서는 6가지 물리량이 필요한데, 이를 궤도요소(orbitalelement)라고 부른다. 케플러의 6요소라고도 하는 궤도요소는 다음과 같은 것들이다. ① 궤도긴반지름:타원에서 장축의 1/2로 정의되며 타원궤도의 크기를 나타내는 것이다. ② 궤도이심률:타원궤도의 모양을 정하는 양(量)이다. ③ 궤도경사각:인공위성의 궤도가 만드는 평면(궤도면)이 적도면과 이루는 각도이다. ④ 승교점적경:인공위성의 궤도가 지구의 적도면을 남쪽에서 북쪽으로 지나가는 점을 승교점이라 하고, 지구 중심에서 춘분점 방향과 승교점 방향 사이의 각을 승교점적경이라고 한다. 궤도경사각과 승교점적경이 주어지면 우주공간에서 궤도면의 위치가 정해진다. ⑤ 근지점인수(近地點引數):인공위성의 궤도상에서 지구와 가장 가까워지는 점을 근지점, 가장 멀어지는 점을 원지점이라 한다. 궤도면상에서 타원의 방향을 정의하기 위해 승교점 방향과 근지점 방향 사이에 이루는 각을 이용하는데, 그 각거리를 근지점인수라고 한다. ⑥ 근지점통과 시각:임의의 시각에서 인공위성의 궤도상 위치를 계산하기 위해 인공위성이 근지점을 통과하는 시각을 정한다. 이 6가지 물리량이 주어지면 임의의 시각에 인공위성이 우주공간의 어디에 위치하며 어떤 속도를 가지고 있는지 계산할 수 있다. 이들 6가지 요소의 값은 제 1 근사로서는 언제나 같은 값을 유지하며 인공위성은 동일한 궤도상을 계속 운행하여야 하지만, 실제로는 지구의 적도 부분이 볼록하므로 그에 따른 인력, 달이나 태양이 미치는 인력, 지구대기에 의한 저항력 등의 영향을 받아 궤도의 상태는 시간이 흐름에 따라 변한다. 이것을 궤도의 섭동(攝動)이라고 한다. 인공위성의 자세를 그 인공위성의 목적을 달성하기 위해 필요한 방향으로 유지하는 방법으로는 위성을 팽이처럼 하나의 축 둘레로 자전시켜 자세를 안정시키는 스핀제어방식과 위성 내에 고속 회전하는 속도조절바퀴를 장착한 3축제어방식이 있다. [인공위성의 관측] 인공위성의 궤도를 결정하기 위한 관측방법(tracking)에는 광학적 수단에 의한 것과, 전파를 이용하는 것 2가지가 있다. 광학적인 것으로는 슈미트카메라처럼 시야가 넓고 밝은 렌즈를 갖춘 망원경으로 배경이 되는 항성과 동시에 인공위성을 촬영하여 항성의 위치를 기준으로 인공위성이 위치하는 방향을 구하는 방법과, 레이저광을 인공위성을 향해 발사하여 인공위성 표면에 장착한 역반사경에 의해 레이저광이 반사되어 돌아오는 데 걸리는 시간을 이용하여 거리를 구하는 방법이 대표적인 방법이다. 전파적인 것으로는 전파를 지상국과 인공위성 사이를 왕복시켜 그 소요시간에 의해 거리를 구하는 방법과 도플러효과에 의해 생기는 발신주파수의 변이를 측정하여 지상국과 인공위성 사이의 거리가 시간에 따라 어떻게 변하는가를 알아내는 방법, 이들 관측을 통해 전파를 주고 받을 때 안테나가 향하고 있는 방향을 인코더(encorder)에 의해 구해서 위성이 위치하는 방향을 알아내는 방법, 여러 개의 안테나를 간섭계가 되게 조합하여 각 안테나에 전파가 도달하는 시각의 조그만 차이에 의해 인공위성의 방향을 구하는 방법 등이 대표적인 것이다. 일반적으로 파장이 짧은 광학적 수단에 의한 것이 측정 정밀도가 높다. 그러나 기상이나 관측 가능한 시각에 제한을 받는다는 어려움이 있다. 전파를 이용한 방법은 관측 데이터를 곧 컴퓨터에 연결하여 실시간처리가 가능하다는 장점이 있다. 인공위성의 자세를 구하기 위한 관측장치로는 인공위성의 회전축 방향과 태양 방향이 이루는 각을 구하는 선센서(sun sensor), 지구 방향과 이루는 각을 알아내는 어스센서(earth sensor), 밝은 항성과의 상대적 위치를 알아내는 스타 센서(star sensor) 등이 있다. 이들 데이터를 사용해서 인공위성의 회전축이 우주공간 속에서 어느 방향을 향하고 있는지를 계산할 수 있다. [인공위성의 궤도와 발사] 인공위성은 주어진 목적을 달성하는 데 가장 적합한 높이와 형태의 궤도를 취하고, 그 궤도에 진입시키기 위해 다단식 로켓 또는 스페이스셔틀 등을 이용하여 발사한다. 예를 들면 지구의 북극과 남극 상공을 지나 적도와 직교하도록 비행하는 극궤도상의 위성은 지구의 모든 구역에 걸쳐 선회하므로 지구관측위성·기상위성·정찰위성 등에 적합하다. 최근에 특히 그 유용성이 인정되고 있는 것으로 정지위성이 있다. 케플러의 제 3 법칙(조화법칙)에 의하면 원형 궤도를 도는 인공위성이 지구를 일주하는 데 걸리는 시간은 지표면으로부터의 높이가 높을수록 점점 길어진다. 지표에서 200㎞ 상공을 도는 인공위성은 지구를 일주하는 데 1시간 28분이 걸리지만, 1만㎞ 높이에서 도는 인공위성은 5시간 47분이 걸린다. 만약 3만 5790㎞의 높이로 발사되면 지구를 일주하는 데 걸리는 시간은 23시간 56분이 되어 지구가 1회 자전하는 데 걸리는 시간(1항성일)과 일치한다. 만약 이 높이에서 위성이 적도 상공을 동쪽으로 비행하도록 발사했다고 하면, 지구 표면에서 이 인공위성을 볼 때는 언제나 하늘의 한 점에 정지하고 있는 듯이 보이는데 이러한 궤도에 진입시킨 인공위성을 정지위성이라고 부른다. 3개의 정지위성을 적도 위에 적당한 간격을 두고 배치하면 양극지방을 제외한 지구 대부분의 지역을 가시범위에 둘 수 있으므로 통신의 중계기지로서 통신위성·방송위성, 또는 기상을 감시하는 관측국의 역할을 하는 기상위성궤도로 가장 적합하다. 인공위성을 발사장에서 3단 로켓에 의해 발사하여 목표한 궤도에 올리기까지의 상황을 정지위성을 예로 들어 설명하면 다음과 같다. 먼저 3단식 발사로켓의 제 1 단이 점화되어 발사 지점에서 수직으로 상승하는데, 미리 지정한 프로그램에 따라 진행방향 및 지평면과의 기울기를 유지한다. 수분 후에는 연소가 끝난 제 1 단 로켓의 연소된 부분이 분리되고 제 2 단 로켓이 점화된다. 대기권을 벗어날 즈음에는 대기권에서 인공위성을 보호하기 위해 달려 있던 페어링(fairing)을 떼내 버린다. 제 2 단 로켓의 연소에 의해 인공위성을 탑재한 제 3 단 로켓 부분을 높이 약 200㎞의 대기궤도(待機軌道;parking orbit)에 진입시킨 뒤, 자세를 안정시키기 위해 1분간 50회 정도의 자전속도(회전)를 가한다. 따라서 제 2 단째 비행의 유도가 순조롭고 그 궤도 및 자세가 계획된 것과 일치하느냐의 여부가 정지궤도 진입의 성패를 좌우하는 하나의 고비가 된다. 대기궤도상을 비행하는 제 3 단 로켓은 적도 상공을 통과할 때 점화되어 변이궤도(transfer orbit;근지점 고도 약 200㎞, 원지점 고도 약 3만 6000㎞인 대기궤도와 정지궤도의 중개역할을 하는 궤도)에 진입하는데, 여기서 인공위성이 분리된다. 발사부터 분리까지 걸리는 시간은 약 25분이다. 로켓에서 분리된 인공위성은 회전을 계속하면서 변이궤도상을 약 10시간 30분 주기로 비행한다. 이렇게 돌면서 인공위성의 자세를 조금씩 조정하여 인공위성에 고정되어 있는 고체로켓(apogeemotor)을 목표한 방향으로 제어한다. 그 후 적당한 원지점에 들어설 때 애퍼지모터에 점화하여 위성을 거의 정지궤도와 동일한 표류궤도(drift orbit)에 진입시킨다. 여기서 애퍼지모터는 속도 증가와 함께 궤도면을 적도면에 일치시키기 위해 제어하는 역할을 한다. 연소 후 궤도는 거의 적도면상의 고도 3만 6000㎞인 원궤도로 되는데, 일반적으로 궤도경사각이 0°는 되지 않는다. 또 지구를 일주하는 주기도 엄밀하게 지구의 자전주기와 일치하지 않기 때문에 정확히 정지궤도라 할 수는 없고, 조금 남북방향으로 기울거나, 아니면 동서방향으로 이동해가는 것처럼 보인다. 그러므로 이 궤도를 표류궤도라고 부른다. 이 동서방향의 이동으로 인공위성을 정해진 위치로 운반하여 몇 번의 궤도제어를 통해 예정된 적도상의 경도에 정지시킨다. 이와 같이 발사부터 정지시키기까지 걸리는 기간은 보통 2주 정도이다. [인공위성의 메커니즘] 인공위성은 여러 목적으로 발사되는데, 각각 주어진 임무를 수행하기 위해 필요한 장치, 이를테면 통신위성에서의 트랜스폰더(transponder)나 기상위성에서의 회전주사카메라 등을 탑재하고 있으며 이를 미션(mission) 기기라 한다. 그 외에 어떤 인공위성이나 공통으로 갖추어야 할 기본적 기기가 있는데 이를 버스(bus) 기기라고 한다. 주요한 버스 기기에는 태양전지판과 같은 전력발생장치와 축전지, 인공위성 내의 온도를 조절하는 히터나 열제어장치, 인공위성의 상태를 지상에 전하기 위한 텔레메트리계(telemetry系) 통신장치, 지상에서 인공위성에 명령이나 정보를 전하는 커맨드계(command系) 통신장치, 인공위성의 궤도나 자세가 예정된 위치를 이탈했을 때 이를 수정하기 위해 필요한 2차추진계 등이다. 이것들은 모두 발사시 심한 진동과 우주공간의 혹독한 환경을 이겨내며, 수년간 고장 없이 계속 작동해야 한다. 따라서 인공위성은 부품 하나하나는 물론이고 인공위성 조립 도중이나 완성 뒤에도 진동시험장치나 우주환경모의장치를 이용하여 엄격한 검사를 받는다. 인공위성을 일단 발사한 뒤에는 수리하기가 어렵다고 보아야 하기 때문에 인공위성의 개발은 품질관리·신뢰성관리의 중요성을 인식시키고 이것을 체계화하는 데 크게 공헌하였다. [세계의 동향] 우주개발의 선구자는 미국·옛 소련 양국이라 할 수 있다. 미국은 수준 높은 기술을 이용해 기상·통신·지구관측과 같은 실용위성 분야, 아폴로우주선에 의한 달 착륙, 보이저행성탐사기, 스페이스셔틀 운행 성공 등 우주개발에 빛나는 이정표를 수립하였다. 이에 비해 옛 소련은 거의 정보를 발표하지 않아 확실히 알 수 없으나, 스푸트니크로부터 보스토크의 발사까지는 미국보다 우위에 있었지만 지금은 미국에게 추월당한 상황에 있다. 그러나 옛소련이 가진 큰 무게의 인공위성이나 우주선, 또한 이것들을 우주공간에 발사하는 로켓 기술은 높이 평가해야 한다. 프랑스는 미국·소련에 이어 일찍부터 우주개발에 관심을 가지고 국립우주연구센터(CNES)를 설립하여 독자적인 연구개발을 해왔다. 또한 서유럽 여러 나라들은 공동으로 로켓 및 위성개발을 추진하기 위해 유럽우주연구기구(ESRO)와 유럽로켓개발기구(ELDO)를 설립하였으며, 1975년 이것을 발전적으로 해체하고 벨기에·덴마크·프랑스·독일·이탈리아·네덜란드·에스파냐·스웨덴·스위스·영국·아일랜드 등 11개국으로 이루어진 유럽우주기구(ESA)를 설립하여 활동을 시작하였다. 그 최초의 성과는 프랑스의 CNES가 주도하여 개발한 약 1t의 인공위성을 정지궤도에 발사하는 능력을 가진 아리안로켓의 개발 성공, 미국의 스페이스셔틀에 탑재하는 유인우주실험실(스페이스래브)의 개발 등인데, 스페이스래브는 독일(서독)을 중심으로 이루어졌다. 아시아에서 우주개발을 추진해온 나라는 자력으로 인공위성을 발사한 일본을 비롯하여 중국과 인도, 국내통신 목적으로 76년 정지통신위성을 미국 로켓을 이용해 발사한 인도네시아 등이다. 동유럽 여러 나라의 우주 활동은 거의 옛 소련의 협력에 의한 것인데, 과학연구를 위한 인터코스모스계획, 통신망 확립을 위한 인터스푸트니크계획 등이 추진되었다. 84년 말 현재 미국·옛 소련의 인공위성 발사수는 미국이 1037기, 옛 소련이 2013기, 그 다음으로 일본이 29기였다. 미국은 챌린저호의 참사를 겪기도 하였지만 스페이스셔틀의 정상 운행과 함께 스페이스셔틀에서 인공위성의 발사나 고장난 위성의 회수·수리 등을 시작하였다. 옛 소련은 우주과학실험실인 살류트·미르 등을 이용하여 활발한 우주유인활동을 벌인 바 있다. ESA는 아리안로켓을 정상적으로 운용하여 각종 위성을 발사하는 한편, 추진력이 더 큰 로켓 개발을 추진하고 있다. 1986년 핼리혜성의 지구 접근 때 소련의 베가, ESA의 지오토 등의 인공위성(탐사체)이 활약했으며, 특히 지오토는 핼리혜성의 핵(核)에 약 600㎞까지 접근하여 그 모습을 처음으로 촬영하였다. 한국은 1992년 8월 11일 국내 최초의 인공위성인 <우리별 1호>를 발사하였다. 우리별 1호는 초소형 과학위성으로 아리안 52로켓에 의해 발사되었다. 또 1993년 9월 26일에는 <우리별 2호>를 발사하였으며, 본격적인 방송통신용 인공위성인 <무궁화호>를 미국의 맥도널더글러스사에 발사를 의뢰해 1995년 8월 5일 발사하였다. → 우주개발 <조경국> 출전 : [한메디지탈세계대백과 밀레니엄], 한메소프트, 1999 |
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