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[현대] 인공위성 (두산)
인공위성 artificial satellite 人工衛星 지구에서 쏘아 올려 지구의 둘레를 궤도비행(軌道飛行)하는 인공적인 달. I. 개관 과학위성 ·기상위성 ·통신위성 ·방송위성 등을 말하며, 지구 이외의 행성을 주회하는 인공 행성위성을 말하는 경우도 있다. 인공위성의 운동은 J.케플러의 행성의운동에 관한 3법칙에 따르며, 그 제1법칙으로부터 궤도는 모두 지구의 중심을 초점의 하나로 하는 타원이다. 지구의 중심으로부터 위성까지의 거리[動徑]를 r, 궤도의 이심률을 e, 타원의 긴 지름을 2a(a는 반긴지름), 그리고 r와 a가 이루는 각(반시계방향으로 측정한다)을 θ라고 하면 r는 다음 식으로 구할 수 있다.  타원궤도에서 지구에 가장 접근하는 위치를 근지점(近地點), 가장 멀어지는 위치를 원지점(遠地點)이라고 한다. 케플러의 제2법칙으로부터 위성 속도는 근지점에서 가장 빠르고, 원지점에서 가장 늦어진다. 위성이 궤도를 일주하는 데 필요한 시간을 주기라고 하며, 그것은 지구 중심으로부터 위성까지의 평균거리의 2분의 3제곱에 비례하는 것을 케플러의 제3법칙으로 나타낼 수 있다. 알기 쉽게 e= 0, r=a라는 진원궤도(眞圓軌道)를 생각하면 그 속도 Vc는 중력의 가속도를 g 라고 할 때, Vc=√ag로 얻어진다. g값은 궤도고도에 의하여 변화하는데 지구 표면의 중력가속도를 g0, 지구의 반지름을 R , 궤도고도를 h라고 하면, 진원궤도이면 a=R＋h이므로  가 되며 궤도속도 Vc와 주기 T는 각각 다음 식으로 구할 수 있다.  그리고 R 를 약 6,370 km,g0을 약 9.8 m/s2로서 이 식을 계산하면 지구 표면에서의 속도 Vc는 초속 약 7.9 km(이것을 제1우주속도라고 한다), T는 약 1.4시간이 된다. 그러나 지구 표면은 물론 상당한 고도까지 분포하는 대기의 저항 등 감속요인을 생각하면 궤도고도는 지표로부터 상당히 멀게 할 필요가 있고, 보통 인공위성은 백수십 km 이상의 고도로 궤도를 주회한다. 따라서 인공위성을 궤도고도까지 운반함과 함께 궤도를 주회하는 속도를 주기 위해 로켓 동력비행체를 사용한다. 또 여러 가지 요인 때문에 궤도에 오차가 생기므로 그것을 수정하기 위한 제어시스템이 필요하다. II. 궤도 인공위성의 궤도는 보통 타원이다. 또 정지형(靜止型) 위성 이외에서는 궤도면이 적도면(赤道面)과 어떤 경사를 가지며 궤도경사각으로 그 경사를 나타낸다. 이 경사각은 인공위성을 발사하는 로켓 발사장의 위치 및 발사조건에 따라서 결정된다. 보통의 위성은 지구 자전에 따른 접선속도(接線速度)가 로켓의 비행속도에 가중하도록 진동(眞東) 방향으로 향해서 발사된다. 적도상에 있어서의 자전속도는 초속 약 465m로, 위도가 높아지면서 감소하고 극(極)에서는 0이 된다. 예를 들면, 대략 위치 북위 30°에서 진동으로 발사한 경우, 지구 자전속도에 의한 이득은 초속 약 400m가 된다. 진동으로 발사된 로켓은 항상 지구의 중심으로 끌리므로 점차 남하 진로를 진행하여 적도를 가로질러 남위 약 30°까지 남하하면 이번에는 북위 30°까지 북상한다. 즉, 적도에 대하여 경사각 30°의 궤도를 잡는다. 자전속도에 의한 이득을 생각하지 않고, 또 로켓의 힘에 여유가 있다면 어느 방향으로 발사하는 것도 가능하며, 임의의 경사각을 가진 궤도에도 발사할 수 있다. 그러나 실제로는 다단식(多段式) 로켓을 사용하여 순차적으로 이탈시키면서 가게 되므로 그것들을 낙하시키는 대책을 세워야 한다는 점에서도 발사방향은 상당한 제약을 받는다. 그 때문에 진동으로 발사하여 초기적인 궤도에 진입시키고 나서 궤도면이나 고도 등을 변경시키는, 이른바 궤도변환 조작을 실시하는 일이 많다. 복잡한 궤도변환의 한 예로는 정지형 궤도에의 변환이다. 정지형 궤도는 지구가 자전하는 각속도(角速度)와 같은 각속도로 적도 상공의 원 또는 그것에 가까운 타원궤도를 주회하게 되므로 이 궤도를 동쪽으로 주회하는 인공위성은 그 상공에 정지하고 있는 것처럼 보이기 때문에 이렇게 부른다. 이 궤도속도는 초속 약 3.08km이며, 필요한 반지름은 지구 반지름의 약 6.6배인 4만 2188km가 되며, 고도는 적도 상공 3만 5810km이다. 이러한 궤도에 위성을 단번에 들여보내는 것은 로켓의 에너지를 유효하게 사용하기 위해서는 유리하지 못하다. 그래서 먼저 위성을 발사기점의 위도에 대응한 경사각을 이루는 장원궤도에 발사한 다음에 위성에 조립되어 들어 있는 애포지모터(apogee motor)라고 하는 로켓엔진을 원지점 고도에서 작동시켜 궤도면 및 고도를 바꾼다. 이런 경우 추진력이 작용하는 방향을 바르게 조정하기 위해 위성의 자세를 정확하게 제어해야 하며, 애포지모터의 작동위치나 작동시간 등 일련의 조작을 정밀하게 실시할 필요가 있다. 정지형 통신위성인 경우, 초기중량(初期重量)의 약 반을 애포지모터가 차지하며, 다시 자세제어 및 이후의 궤도수정에 필요한 추진제(推進劑)를 상당히 적재해야 한다. 정지형과 비슷한 것으로 준정지형(準靜止型)이라고 하는 궤도가 있다. 이것은 정지형 궤도의 인공위성인 경우, 지구의 광역(廣域)을 내려다볼 수 있는 반면에, 극에 가까운 고위도 지대는 포괄할 수 없으므로, 약간 경사각을 가지게 하여 적도 상공을 축으로 하여 마치 8자형으로 남북을 이동할 수 있게 한 것이다. 이 궤도의 위성은 북반구에 12시간, 남반구에 12시간의 비율로 원형운동을 하게 된다. 이것과는 다른 준정지형 궤도에는 정지형과 마찬가지로 적도 상공에 있지만 고도를 정지형보다 약 2,000km 낮은 곳에 발사하는 방법이 있다. 이 궤도에 들어간 위성은 매일 약 30°씩 동쪽으로 이동하였다가 12일 후에 본래의 위치로 되돌아온다. 이것을 궤도에 몇 대 이상 배치해 두면 순차적으로 접근하여 오는 위성을 이용할 수 있다. 지구의 적도면은 공전궤도면과 23.4° 경사되어 있으나 이들 면은 1년에 2회, 춘분과 추분날에 교차한다. 그 때문에 지구의 어느 특정 지점의 특정 시각, 예를 들면 정오의 태양 방위는 매일 쏠리게 된다. 이 쏠림은 360°÷ 365일 ＝ 0.99°로 인공위성의 궤도면을 매일 이만큼 쏠리게 하면 특정 시각 특정 지점의 상공에 위성이 나타나게 된다. 이러한 궤도를 태양동기궤도(太陽同期軌道)라고 하며, 군사용의 정찰위성과 같이 특정 지점을 매일 정기적으로 내려다보는 데 편리한 궤도이다. III. 기본구성 인공위성은 미션계, 텔레미트리·추적사령계(追跡司令系), 궤도·자세제어계, 전원계, 구조체 등으로 이루어진다. ⑴ 미션계:그 위성이 궤도상에서 실시하는 계획상의 임무를 수행하는 장치나 기기의 집합을 말한다. 통신위성인 경우, 중계하는 지상으로부터의 통신전파를 수신하는 안테나로부터 수신기를 거쳐 증폭하여 목적지로 송출하는 송신기나 송신 안테나까지를 포함한 것이 미션계가 된다. ⑵ 텔레미트리·추적사령계:이 계에서 중요한 것이 텔레미트리(telemetry:원격측정)이다. 이것은 위성내의 여러 가지 상태나 장치의 관리에 필요한 데이터를 계측하여 지상 기지로 통보하는 시스템이며, 지상 기지는 그 데이터에 의하여 위성의 운영·관리에 필요한 처치를 판단하고 위성에 대하여 전파로 지시를 보낸다. 그리고 위성 쪽에서는 이 사령을 받아 장치를 제어하도록 되어 있다. 이 밖에 인공위성의 시시각각의 위치를 지상에 알리기 위하여 지상의 레이더가 추적하는 단서가 되는 신호를 발하는 기능도 이 계에 포함된다. ⑶ 궤도·자세제어계:위성궤도는 지구의 중력이나 고층대기 등의 영향에 의하여 장기간에 상당히 변동하므로, 때때로 수정할 필요가 있는 동시에 위성의 자세변화도 일어나므로 정확하게 해야 한다. 이러한 수정을 실시하는 것이 궤도·자세제어계이다. 특히, 지구 표면을 관측하는 텔레비전 카메라나 관측기기가 바른 각도를 향하도록 하거나, 날카로운 지향성(指向性)을 가진 전파를 송수신하는 안테나의 방향 등을 제어하는 데도 위성의 자세제어는 중요하다. 또 태양전지(太陽電池)에 의한 기전력(起電力)은 전지면의 태양방향 지향정도(指向精度)가 나쁘면 대폭적으로 저하하므로 이 제어도 실시되는 일이 많다. 앞서 말한 정지형 궤도로 하기 위한 일련의 궤도수정 조작을 실시하는 것도 이 계의 임무이며, 통신·기상·자원탐사 등 특히 정도가 높은 미션(사용목적)을 가진 위성에서는 이 계가 상당히 대규모적인 것이 되고 중량적으로도 커진다. 궤도·자세를 변화시키는 동력(動力)으로서는 대형 애포지모터나 소형 제트분사장치 등 외에 모터로 휠을 돌려서 얻어지는 토크나 자이로(gyro) 효과 또는 요요(yoyo)와 같은 추를 선단에 단 와이어를 방출하는 등 여러 가지 종류가 있고, 필요수정량에 대응하여 사용한다. 가장 기본적인 자세안정법으로는 위성 전체를 팽이처럼 회전시키는 스핀 안정이 있다. 본체 표면에 태양전지를 가득 붙인 형의 위성에서는 위성을 일정한 속도로 회전시키지 않으면 태양전지의 각 면이 고르게 빛을 받지 못하므로 적정한 회전율로 위성에 스핀을 주는 일이 필요하다. ⑷ 전원계:인공위성에 탑재되는 여러 가지 장치를 작동시키는 힘은 대부분이 전력에 의존하는데, 전원계는 이러한 전력을 확보하고 공급하는 역할을 한다. 이것이 고장이 나서 전력공급이 멎게 되면 위성의 기능은 모두 정지하게 되므로, 특히 높은 신뢰성과 안정된 성능이 요구된다. 특수한 예를 제외하면 전원계는 발전 또는 기전계(起電系)와 이것을 받아 충전하는 2차 전지, 전지로부터 기기로 급전할 때 안정이나 정격화(定格化)를 실행하는 제어계, 그리고 바르게 각 기기에 전력을 분배·접속하는 계로 이루어진다. 현재 인공위성의 발·기전계를 대표하는 것은 태양광선을 받아서 광기전효과(光起電效果)에 의하여 전기에너지로 변환하는 태양전지를 이용하는 것이다. 태양전지의 기전력은 수광면적(受光面積)에 비례하며 수광면에 직각으로 태양광을 받은 경우는 지구 주변의 궤도에서 1m2당 100W 전후이다. 궤도에 있어서의 위성은 태양으로부터 광선뿐만 아니라 고에너지 방사선도 받으므로 그대로는 태양전지의 수광면에 손상이 생긴다. 방호를 위하여 전지 표면에 석영(石英) 유리를 피복해야 하는데, 그 때문에 태양전지의 무게는 1m2당 3kg 전후가 되어 있다. 아폴로 우주선에서 활약하고 스페이스 셔틀 등 유인우주선의 전원으로 이용되는 것은 연료전지이다. 이것은 수소와 산소와의 화학반응에 의하여 발전하는 것으로 효율이 높은 것과 발전량의 제어가 쉽다는 장점이 많은 반면, 반응제를 탱크에 수납하여 궤도에 운반하기 때문에 이용기간이 반응제의 양으로 제한된다. 이 밖에 방사선 동위원소(放射線同位元素)가 붕괴할 때 방출되는 방사선을 용기의 안벽에 받으면 가열되므로 이 열을 제벽효과[熱起電力效果]에 의하여 전력으로 변환하는 방법을 행성탐사기 등에서 사용하고 있다. 사용하는 방사성 동위원소는 주로 플루토륨 238이다. 기전용 열전쌍(熱電雙) 1조에 대하여 기전력은 0.4W로 낮기 때문에 1천 수백 조가 집합하여 1조로 한 것을 사용하고 있다. 이 방법으로는 발열이 있기 때문에 방열장치가 필요하며, 위성기기로부터 멀리 떨어지게 탑재하여 방사선이나 열로부터 방호해야 한다. 특히, 대전력이 요구되는 경우에는 특수한 예이지만, 소형의 발전용 원자로(原子爐)가 위성에 탑재되는 일이 있다. 부피 및 무게를 감안하여 고속중성자로(高速中性子爐)를 사용하는 것이 일반적이다. 노에서 발생하는 열의 흡수, 노심의 냉각을 알칼리금속으로 실시하고 이것에 의하여 수은을 작업유체(作業流體)로 하는 보일러를 가열하여 증기가 된 수은으로 터빈을 돌려 교류발전기를 구동하는 것이 전형적이다. 이 밖에 태양열을 모아 보일러를 가동시키는 태양로를 이용하는 발전도 제안되고 있다. 그러나 현재로는 태양전지를 주류로 하고 있다. 주기 100분인 인공위성에서는 일조시간(日照時間)이 약 60분이므로 이 사이에 2차 전지에 태양전지의 기전력에 의하여 충전하고, 그늘에 들어가는 약 40분간은 2차 전지의 방전기간이 되도록 충방전 사이클을 설정한다. 위성탑재 규격의 2차 전지는 니켈-카드뮴형이며 앞의 충방전사이클이 7,000~1만 회 이상 가능한 것이라야 한다고 되어 있다. 또 과충전을 방지할 필요가 있으므로 제어장치가 부속된다. ⑸ 구조체:인공위성은 발사로켓의 머리부에 설치되는 노즈콘(nosecone:단두원뿔)이라고 하는 원통 부분에 수용해야 하므로, 그 외형은 대부분 다면구체(多面球體) 또는 원통형으로 되어 있다. 태양전지를 본체에 장착하지 않고 평판패널에 배치하는 것은 패널을 접어서 탄도원뿔 안에 수납하여 탄도원뿔을 이탈시키고 나서 전개시킨다. 인공위성은 가벼워야 한다는 것이 절대조건이므로 기기를 받치는 구조체는 가급적 가벼운 재료로 만들어진다. 그러나 발사시의 가속도나 충격·진동에 견딤과 함께 자세·궤도의 제어에 적합한 구조이어야 하는 것도 중요하다. 기기의 대부분은 전자장치(電子裝置)이며 그것들이 한정된 내부부피에 수납되므로 기기상호간의 전기적 간섭이 생길 가능성이 높고 그 대책도 중요시된다. 인공위성 중에는 궤도를 일정기간 비행시키고 나서 지상으로 강하시켜 회수할 필요가 있는 것이 있다. 유인위성이나 군사 정찰위성 등이 그 예이다. 이 경우 궤도로부터 감속·이탈시키기 위한 장치나 대기권 진입 중에 생기는 공기력 가열에 견디는 구조가 필요하게 된다. 또 지상에 강하할 때의 충격에 의한 파괴를 방지하기 위하여 낙하산이나 역분사 로켓이 조립되어 들어간다. 회수는 위성 본체 전부를 대상으로 하는 것이 아니고 대개는 그 일부를 미리 캡슐로 만들어 두고 그것을 강하·회수한다. 군사 정찰위성 중에는 캡슐 몇 개를 탑재하여 발사하고 정기적으로 1개씩 회수하는 것도 있다. 해상에서 회수하는 것을 전제로 한 것은 회수선(回收船)이 도착할 때까지 떠 있을 수 있는 에어백(바람자루)의 준비나 전파로 위치를 나타내는 발신장치가 필요하게 된다. IV. 응용 인공위성을 사용목적별로 분류하면, ① 과학관측·연구, ② 지구상의 경제사회 활동의 지원, ③ 군사를 포함하는 안전보장상 필요한 정보수집, ④ 우주공간을 이용하는 산업활동 등이 있다. 우주공간의 과학관측이나 연구 분야는 인공위성이 실용화된 초기에는 고층대기나 지구의 자기권(磁氣圈) 등이 연구 대상이었다. 그 후 태양활동과 지구 환경과의 상관(相關)이나 행성간 대기의 물리학적 조사·관측 등에 확대되어, 태양계뿐만 아니라 은하계나 우주구조 등 광범위하게 미치고 있다. 그 때문에 과학위성은 점차 전문화되어 국제 공동연구로 실시되는 경우도 많아지고 있다. 스페이스 셔틀에 탑재되는 우주실험실 스페이스래브에서는 대량의 관측·실험장치를 한번에 탑재할 수 있으므로 여러 분야의 연구가 동시에 실시되고, 또한 전문과학자가 탑승하는 일도 있어서 큰 성과를 기대할 수 있다. 국제통신, 기상관측, 자원·환경탐사 등은 인공위성을 응용하여 지상의 경제사회 활동을 지원하는 분야이다. 특히 통신은 1970년대 후반에는 국내용으로서도 이용되는 경향이 강해지고 있다. 또 1976년 9월 정부간 해사협의기구(IMCO:Inter-Governmental Maritime Consultative Organization)는 국제해사위성기구(INMARSAT:International Marine Satellite Organization)의 설립을 결의하고, 1980년대 해사위성(海事衛星)을 발사하여 해상항행 중의 선박과 지상간 통신 연락체제의 정비를 하게 되어 있다. 1964년 8월 발족한 국제상업통신위성기구는 1973년 2월부터 항구조직(恒久組織)으로 되어 국제전기통신위성기구(INTELSAT)로 개칭되어, 현재 대서양·태평양·인도양 상공에 15개의 상업통신위성을 정지형 궤도에 배치하여 활발한 국제통신 중계업무를 수행하고 있다. 또 항공기를 대상으로 하는 에어로샛 위성조직의 설립도 국제간에서 협의되고 있다. 자원·환경탐사에서는 미국이 1972년 7월 발사한 어츠 1호(ERTS 1:뒤에 Landsat 1호로 개칭)의 성과가 예상 외로 크고 세계 각국으로부터의 탐사제안도 수백 건에 이르렀기 때문에 계획은 순조롭게 확대·발전하여 탐사 데이터의 이용범위도 확대되고 있다. 또 이러한 탐사를 육상에만 그치지 않고 해양자원 ·환경에도 미치기 때문에 미국에서는 해양탐사위성을 발사하고 있다. 제16회 유엔 총회의 결의에 따라 세계기상기구(WMO)는 1967년 세계기상감시(WWW) 계획을 채택하여 5항목의 과제를 대상으로 하여 기상업무의 충실·정비를 도모하게 되었다. 그 중의 하나는 인공위성에 의한 지구대기연구계획(GARP:Global Atmospheric Research Program)이다. 이것은 정지형 궤도에 5대, 극주회(極周回) 궤도에 2대의 기상관측 위성을 발사하여 입체적 관측을 항시 실시할 것을 목표로 하였다. 그리고 미국과 러시아가 각 2대, 일본이 1대의 정지형 기상위성을 분담하여 발사하였다. 군사를 포함하는 안전보장상의 정보수집을 인공위성에 의하여 실시하는 것은 우주활동 개시 때부터 실시되어 왔으며, 근년에는 점차 범위가 확대되어 대규모적이고 정밀한 것이 되고 있다. 주요한 것은 사진정찰·적외선탐지·전자정찰(電子偵察)·군사통신·기상관측·측거(測距) 등이며, 특히 미사일 발사기지의 상황이나 미사일 성능의 평가, 부대의 이동 ·전개의 추적 등이 중요 항목이다. 현재로는 미국과 러시아가 주로 실행하고 있다. 장래의 인공위성의 이용으로는 스페이스 셔틀과 같은 대형물체를 궤도에 운반하는 수단을 실용화하여 우주공간의 무중량(無重量)이나 고진공 등의 특수환경을 이용하여 지상에서는 제작·합성할 수 없는 재료나 물질을 생산할 계획이 진행되고 있다. 지금까지 로켓이나 인공위성의 개발과정에서 이루어낸 신기술을 민간산업에 응용하는 데 그친 우주기술을 보다 적극적으로 산업면에서 이용하려는 것이다. 또 초대면적의 태양전지 패널을 궤도에 올려 태양광선으로 얻은 대전력을 마이크로파로 변환하여 지상에 보내고 수전설비(受電設備)로 이것을 다시 전력으로 바꾸는 태양발전위성(太陽發電衛星)도 검토하고 있다. 보다 원대한 계획에는 달의 암석을 정련하여 얻어지는 금속재료를 주로 사용하여 우주콜로니[植民地]를 건설하려는 계획이 있다. 이것들은 현재 가지고 있는 기술로 충분히 실현가능하다는 것은 알고 있으나 건설에 소요되는 방대한 경비가 제약 요인이 되고 있다. V. 세계 1970년대 후반부터 인공위성의 전성시대를 맞이하였는데 1994년 현재까지 지구에서 발사한 인공위성은 대략 6,000여 개에 이르고 있으나 이 가운데 폐기하거나 대기권에 진입하여 타서 없어진 것을 제외하면 현재 운용되고 있는 것은 약 2,000여 개에 불과하다. 미국·러시아 외에 독자적으로 개발한 로켓으로 인공위성을 발사한 나라는 프랑스·영국·일본·중국·인도·이스라엘 등으로, 영국은 1회만 실시하고 활동을 정지하였고, 프랑스는 그 후 독일 등 서유럽 여러 나라와 함께 결성한 유럽우주기구(ESA)의 중심이 되어 공동으로 아리안이라는 대형로켓을 계획하여 현재 아리안 4까지 개발한 상태이고 아리안 5가 개발 중에 있다. 일본도 인공위성발사를 몇 번 시도하였고, 중국도 인공위성을 발사하였으며, 그 중에서 몇 개는 회수하기까지도 하였다. 한편, 동유럽 여러 나라도 러시아의 힘을 빌려 우주연구·이용조직을 만들어 과학위성이나 생물실험위성을 발사하고 있다. 그 밖에 국토가 넓고 미개발지역을 안고 있는 나라에서는 통신위성이 통신체계 정비에 유리하다는 데서 미국에 통신위성 발사를 위탁하는 나라가 1970년대부터 급격히 늘어나고 있다. 이미 영국·캐나다 등에서도 실시하고 있으며, 인도네시아에서도 국내용 통신위성 파라파를 미국의 로켓으로 발사하여 사용하고 있다. 한국은 1992년 8월 소형 실험위성인 우리별 1호를 발사하여 국적위성을 보유한 22번째 나라가 되었고, 1993년 9월에는 우리별 2호를 발사하였다. 최근에는 통신·방송위성인 무궁화 1호(1995)와 무궁화 2호(1996)를 발사, 궤도진입에 성공하여 위성관련 첨단기술 개발과 우주개발 경쟁에 대비하고 있다. 출전 : [두산세계대백과 Encyber Deluxe], ㈜두산, 2002 |
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