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by 수북강녕 Jan 11. 2022

별바라기 StarFlower #2

#2. 내가 너의 이름을 불러주었을 때, 너는 나에게로 와서 ★이 되었다

- 유튜브 채널 '별바라기 StarFlower'에서도 함께 소개하는 내용입니다 -

#나노위성_도요샛 #세계최초_편대비행 #힘차게_날아라

도요샛 가상도 (한국천문연구원)

나노 위성의 편대 비행은 도요샛이 세계 최초입니다.

쉼 없는 최장거리 비행 기록을 가진 도요새와, 우리 기술로 개발한 나노 위성 도요샛의 신비로운 만남이 여기 있습니다.

도요샛은 한국천문연구원에서 지구 주변의 우주 날씨 관측을 위해 만든 총 4기의 초소형 인공위성입니다. 도요샛은 가로 10cm, 세로 20cm, 높이 30cm 크기로, 나노위성 또는 큐브위성으로 분류됩니다. 도요샛에 부착된 태양 전지판은 위성의 날개에 해당하는데, 처음에는 접힌 상태로 발사되었다가, 우주에서 날개를 펴게 됩니다. 위성에서 사용하는 전기를 생산하는 중요한 기능을 합니다. 태양 전지는 양쪽 날개 외에도 몸체 곳곳에 부착되어 있으며, 총 48개가 있습니다.

도요샛의 전면에는 별을 보고 도요샛이 향하는 방향을 알 수 있도록 하는 별센서와, GPS 신호를 수신하는 GPS 안테나, 이리디움 위성과 통신할 수 있는 이리디움 안테나가 부착되어 있습니다. 도요샛은 이리디움과 통신할 수 있는 국내 최초의 위성입니다. 또한, 지상에서 컴퓨터와 통신하기 위한 연결단자가 있는데, 도요샛 개발자들이 이곳을 배꼽이라 부르고 연결선을 탯줄이라 표현하며 의인화하는 점이 재미있습니다. 도요샛의 옆구리에는 자세 제어 또는 궤도 조정 시 사용하는 추력기가 달려 있습니다. 옆면에 보이는 것은 연료통이며, 뒷면에는 가스를 분사하는 구멍이 4개 있습니다. 추력기의 연료로는 R236fa 를 사용하는데, 이것은 소화기에도 사용되는 냉매로, 친환경적이면서도 안전성이 뛰어납니다.

도요샛의 관측 장비로는, 오로라를 만드는 입자를 측정하는 입자검출기가 옆면과 뒷면에 각각 하나씩 있으며, 전리권 플라즈마를 측정할 수 있는 랑뮈어 탐침기도 위성의 날개에 붙어 있습니다. 도요샛의 아랫면에는, 관측한 자료를 지구로 전송할 때 사용하는 S-Band 안테나와, 지구에서 위성으로 명령을 전송할 때 사용하는 UHF 안테나가 있습니다.

도요샛 기술 검증 모델 (한국천문연구원)

지금부터는 도요샛이라는 이름의 의미를 살펴 보겠습니다.

도요샛은 도요새라는 작은 새의 이름과 인공위성을 뜻하는 Satellite라는 영어 단어의 합성어입니다. 도요새는 영어로 Snipe라고 하는데, 이는 저격수를 뜻하는 Sniper의 어원이기도 합니다. 몸집이 작고 움직임이 빨라, 예로부터 도요새를 사냥하기 위해서는 사냥술이 아주 뛰어나야 했다고 하네요. 도요샛의 영문명도 SNIPE인데, Small Scale MagNetospheric and Ionospheric Plasma Experiment, 즉, ‘작은 규모의 자기권 및 전리권 플라스마 실험’이라는 뜻입니다.

“내가 너의 이름을 불러 주었을 때, 너는 나에게로 와서 별이 되었다.”

도요샛 위성은 각각, 일반 대중의 공모로 지은 예쁜 한글 이름을 가지고 있습니다. 가람, 나래, 다솔, 라온이 그것인데요. 가,나,다,라 순서로 이름을 한 번씩 불러보며 도요샛을 여러분의 별로 만들어 보시기 바랍니다 ^^

도요샛 4기 - 가람 나래 다솔 라온의 모습

도요새는 작은 몸집에도 불구하고 장거리 여행을 하는 것으로 유명합니다. 2020년 9월 18일, ‘4BBRW’로 (왼쪽 다리에 파랑(B)과 파랑(B) 인식 띠를, 오른쪽 다리에는 빨강(R)과 흰(W) 인식 띠가 있음) 불리는 이 도요새는 알래스카를 출발하여 아흐레 이상 쉬지 않고 12,050km를 비행한 끝에 9월 27일 뉴질랜드에 도착하였고, ‘쉼없는 최장거리 비행’ 기록을 갈아 치웠습니다. 이 새는, 앞서 2020년 4월 12일부터 우리나라 서해안 금강 하구에 40 여일을 머물렀는데, 같은 시간, 그리 멀지 않은 대전의 천문연구원에서는 나노 위성 도요샛의 개발이 한창 진행 중이었습니다. 5월 21일 우리나라를 떠나 알래스카를 향해 출발한 ‘4BBRW’는 천문연구원 위를 지나며 아기 도요샛들과 운명적인 만남을 갖습니다. 아마도 이 아기 위성들이 자신처럼 멋지게 비행하기를 바랐겠지요.

도요새와 도요샛의 만남이 운명적이라는 또 다른 증거는, ‘4BBRW’의 비행 경로가, 남극과 북극 주변을 지나는 도요샛의 궤도와 매우 닮아 있다는 것입니다. 다른 점이 있다면, 도요샛은 지상 500 km 상공에서 동일한 위성 4기가 편대 비행을 한다는 점인데요. 편대 비행에는 몇 가지 장점이 있습니다. 종렬 편대 비행을 하면 동일한 지점에 대한 순차적인 변화를 관측할 수 있고, 횡렬 편대 비행을 하면 넓은 지역을 한 눈에 관측할 수 있습니다.

각 위성 간의 간격은 10km에서 400 km까지 조정할 계획인데, 편대 비행 시 기준점이 되는 것은 가장 잘 나는 도요샛이 아니라 오히려 가장 통제가 어려운, 즉, 건강 상태가 안 좋은 위성이라고 합니다. 어려워하는 친구에 발맞추며 기다려 주는 것이지요. 추력기의 연료는 6개월에서 1년까지 사용 가능할 것으로 예상하며, 연료가 모두 소진되면 더 이상 편대 비행을 하지 않고 각자가 자유롭게 비행하며 자료 수집을 계속한다고 합니다. 도요샛의 설계 수명은 1년이며, 최대 10년까지 우주에 남아 있을 것으로 예상합니다. 이후에는 지구로 떨어지며 불타 없어지게 됩니다.

도요샛은 2022년 상반기 중 러시아 소유즈 2 로켓에 실려 우주로 발사할 계획입니다. 소유즈 2에는, 하단에 지상 발사용 1, 2, 3단 로켓이 있고, 상단에 화물선 또는 유인 우주선이 있습니다. 지금 보는 그림은 화물선입니다. 지상에서 발사된 우주선은 지구 저궤도에 도달한 후에 하단 로켓을 분리합니다.

상단 화물선의 아래쪽에는 프리갓이라고 불리는 궤도이동용 추진기가 있고, 그 위쪽에 도요샛 발사관이 있습니다. 화물선이 정해진 궤도에 도달하면 발사관에서 도요샛이 사출됩니다. 지금 보여지는 영상은 발사관과 도요샛의 실측 모형으로, 발사관에서 도요샛이 사출되는 모습을 표현한 것입니다. 발사관 하나에는 두 기의 위성이 실리며, 사출 후 UHF 안테나, 태양전지판을 펼치고, 자세를 바로 잡고, 편대 비행 궤도를 정비하며 본격적인 우주 탐사를 시작하게 됩니다. 도요샛은 하루에 2-3회, 3-5분 동안 천문연구소에 설치된 지상국과 교신을 하게 됩니다.

도요샛 발사 장소는 카자흐스탄에 있는 바이코누르 우주 기지입니다. 세계 최초의 우주 기지로, 옛 소련 시절인 1955년에 만들어졌는데, 카자흐스탄 독립 이후에는 러시아에서 2050년까지 장기 임대하여 사용하고 있습니다. 1961년, 최초의 우주비행사 유리 가가린이 탑승한 로켓이 발사된 장소이며, 이를 기념하기 위해 발사대 중 하나에 가가린 발사대라는 이름을 붙여 놓았습니다. 바이코누르 우주 기지는 발사 현장 견학도 가능하므로, 관심 있는 분들은 도요샛 발사 일정을 확인하고 직접 현장을 방문해 발사 모습을 직관해도 좋을 것 같습니다.

다음은 도요샛이 관측하려고 하는 우주 날씨가 왜 중요한지 알아보겠습니다.

우주 날씨란, 매우 뜨겁고 역동적인 태양 활동에 의해 변화되는 우주 환경을 가리킵니다.

우주 날씨에 가장 큰 영향을 주는 것은 태양풍입니다. 원자가 더 잘게 쪼개져 양성자와 전자로 분리된 상태를 플라즈마라고 하는데, 이 플라즈마 상태의 미립자들이 태양으로부터 사방으로 발산되는 것을 태양풍이라 하며, 그 속도는 초속 약 200에서 800 km에 이릅니다.

태양풍은 생명체 뿐 아니라 전자기기에도 매우 유해합니다. 다행히도 지구는 자기장에 의해 태양풍의 위협에서 안전하게 보호되고 있어, 일반적인 상황에서는 큰 문제가 없습니다. 그러나, 일부 위험한 경우가 있습니다. 첫째, 지구 자기막이 약한 극지방은 태양풍에 매우 취약합니다. 극지방에 나타나는 오로라는 지구의 대기 깊숙이 침투한 플라즈마 입자에 의해 만들어지는 현상이며, 북극항로를 지나는 항공기는 태양풍에 의한 방사능 오염 및 전자기기 피해에 노출되어 있습니다. 둘째, 태양 표면에서 거대한 폭발이 발생하여 태양풍이 강력해지면, 극지방 이외의 지역에서도 자기 방어막이 뚫릴 수 있으며, 이 경우 지구 생명체의 건강을 해칠 수 있고, 수많은 전자기기가 고장나는 상황이 발생할 수도 있습니다. 1989년 3월에 발생한 강력한 태양풍은 캐나다 퀘벡 주 전역의 송전 시설에 영향을 미쳐, 600만 명의 주민이 9시간 동안 전력을 공급받지 못하는 초유의 사건이 발생하였습니다. 셋째, 적도 플라즈마 거품에 의한 통신 장애입니다. 미군은 2002년 아프가니스탄 작전 중 통신 및 GPS 장애로 심각한 타격을 입었다고 합니다.

도요샛은 편대 비행을 하며 플라즈마 입자의 공간적 시간적 변화를 관측하고, 이를 통해, 깜빡이 오로라, 적도 플라즈마 거품 등의 미세 구조 및 발생 원인을 규명하는 역할을 맡고 있습니다.

도요샛은 한국천문연구원과 항공우주연구원의 멋진 ★님들에 의해 개발되었습니다.

한국천문연구원 우주과학본부장 이재진 박사님과 지상국 운영 담당 양태용 박사님, 시스템 엔지니어 황정아 박사님, 과학팀 리더 곽영실 박사님, 과학 탑재체 중 랑뮈어 탐침 담당 이종길 박사님, 과학 탑재체 중 입자검출기 담당 손종대 박사님, 이리디움 통신 모듈 담당 송호섭 연구원님, 항공우주연구원에서 본체 시스템 개발에 참여해 주신 심은송 연구원님과 김기덕 박사님 등이 그분들입니다.

도요샛이 성공적으로 우주 궤도에 안착하고 목표 임무를 멋지게 수행하길 두 손 모아 기도하며, 도요샛 연구 개발에 참여한 모든 분들께 이 영상을 드립니다.

도요샛, 날아라!