인공위성: 인류의 값진 산물
케네디 우주 센터(Kennedy Space Center)우주산업이란 정확히 무엇을 의미하는가?
우주산업이란 우주로 가는 모든 비행물체와
그 구성요소를 생산 및 유지하는 것이다.
우주산업은 크게 3가지로 분류된다.
인공위성 산업.
발사체 산업.
지상설비 시스템 산업.
하지만 이 주제는 너무 방대하기 때문에
오늘은 인공위성 산업에 대해서 간단히 알아보도록 하자.
인공위성 산업의 실태
본래 모든 물체는 질량을 갖고 있으며
이 질량은 그 크기에 비례한 중력을 과시한다.
달은 지구를 공전하고 지구는 태양을 공전하고
태양은 우리 은하 가운데에 있는 블랙홀을 공전한다.
태양을 공전하는 지구이의 연장선으로 인공위성도 우리 지구를 공전한다.
2014년 기준으로 우주산업 시장의 총 규모는 330조원[1] .
이 중에 인공위성 산업은 2018억원으로 우주산업의 총 61%을 차지했다.
그리고 2015년, 인공위성 산업의 시장 규모는 2080억원까지 상승했으며[2]
현재 지구를 공전하며 활동중인 인공위성은 총 1450개다[3] .
이는 5년만에 50% 증가한 수치로 최근 우주산업의 성장을 잘 보여준다.
하지만 이 인공위성도 종류가 매우 다양하며
그 공전 유형에 따라 크게 저궤도 위성과 정지궤도 위성으로 분류된다.
지주 관측 위성Low Earth Orbit Satellites (저궤도 위성)
저궤도 위성은 지상으로부터 상공 2000km안에 위치한다.
지구의 중력은 지상으로부터 가까워질수록 강해지기에
저궤도 위성은 그 공전주기가 약 90분으로 매우 빠르며
하루에 14번에서 16번 지구를 돈다.
짧은 공전주기 때문에 저궤도 위성은
하루안에 지구의 모든 지점과 접할 수 있으며
이 때문에 통신위성을 설치할 경우
지속적이고 활발한 커뮤니케이션이 가능하다.
그렇다면 저궤도에는 어떤 위성이 있을까?
우리가 흔히 아는 우주산업 인류 최대의 산물
ISS(International Space Station) 국제 우주정거장.
ISS는 상공 400km에 자리잡은 우주선으로
이를 조립하기 위해 155번 이상의 우주비행이 이루어졌다 [4].
현재는 6명의 우주 비행사가 다양한 연구를 진행하고 있으며
ISS는 2024년까지 임무를 유지할 계획이다.
국제우주정거장(International Space Station)
허블우주망원경.
1990년에 임무를 시작한 인류의 첫 우주망원경은 상공 550km에 위치해있다.
현재까지 약 130만개가 넘는 다양한 우주 이미지를 송신했으며
우주의 팽창과 모든 은하 내부에 거대한 블랙홀 이 존재한다는 사실을
확인하여 인류 과학지식의 진보를 이끌었다[5].
허블 우주 망원경(Hubble Space Telescope)
이런 기존의 위성들과 함께 현재 우주산업계에서
저궤도 위성을 향한 혁신이 전개되고있다.
바로 소형연구위성 Cubesat.
말그대로 큐브형태의 위성으로 크기는 10cm x 10cm x 10cm다.
올해 2월 14일, 인도는 한 번에 104개의 위성을 발사하면서 화제가 됐는데
그 중에 101개가 소형연구위성 Cubesat 이었다[6] .
크기도 작고 무게도 1kg으로 제조하는 시간과 비용이 절감되는 장점을 갖고있다.
이에 힘입어 2011년에는 고작 12개의 소형위성이 발사됐지만
2017년에는 약 569개가 발사됐다 [7].
소형 연구 위성(Cubesat)
Sun Synchronous Satellites (태양 동주기 궤도)
태양 동주기 궤도 위성은 고도 1000km 안팎으로
저궤도에 포함되며 지구를 극궤도,
즉 북극과 남극을 기준으로 위아래로 공전한다[8] .
태양 동주기 궤도 (Sun Synchronous Orbit)는 극궤도로 북극과 남극을 기준으로 공전한다이 위성은 공전궤도면이 태양을 기준으로 동일하기 때문에
항상 일정한 양의 태양 빛을 받는다.
아마 머리에 그림이 안 그려질 것이다.
필자도 그랬다.
그래서 사진과 더불어 링크를 제공하겠다.
아래 링크를 들어가면 공전궤도를 확인할 수 있다.
https://www.youtube.com/watch?v=tOp1UYbmp0Y
지구는 회전하지만 위성은 아래 그림처럼 태양에 맞춰서 일정한 궤도면을 유지한다.
태양 동주기 궤도는 태양을 기준으로 일정한 궤도면을 보여준다
감이 조금 잡히는가?
그렇다면 이 궤도를 왜 사용할까?
보기와 다르게 태양 동주기 궤도는 상당히 유용하다.
그 이유는 인공위성이 항상 일정한 양의 태양 빛을 받기 때문에
지형이나 환경변화, 인간의 활동, 또는 기상관측을 할 때 용이하다.
한마디로 지속적으로 정밀한 관찰을 수행할 수 있는 것이다.
지구정지궤도 위성(Geosynchronous Satellites)
지구정지궤도 위성은 지구의 자전과 같은 속도로 돌기에
한 공전주기가 24시간이다.
지구에서 보면 멈춰있는 것 같기에 정지궤도라고 불린다.
정지궤도 위성은 상공 35,788km에 위치하며
정찰 위성의 경우 한 곳을 끊임없이 관찰하기에
지형변화를 인식 할 때 용이하다.
하지만 독자님도 추론할 수 있겠지만 다른 곳의 지형을 관찰할 수는 없다.
지구 정지궤도 위성 (Geostationary Orbit Satellite)
정지궤도 위성은 정찰용도 뿐만 아니라
비디오와 TV, 또는 통신 용도로 사용되며
이를 담당하는 안테나는 그 방향을 고칠 필요없이
한 위성에만 집중하면되는 편리성을 갖고 있다.
이 유형의 위성은 지구의 40%를 책임질 수 있는 통신범위를 갖고있어
보통 3개의 위성이 120도 간격으로 범지구적인 통신을 담당한다.
단점을 꼽자면 고도가 높기 때문에
통신 주기가 240 밀리초(millisecond)로 긴 편이며
송수신을 할 때마다 71,600km의 거리를 감당해야 된다 [9].
몰니야 궤도(Molniya Orbit)
우주산화 시대를 개척한 소련은 몰니야라는 특별한 공전궤도를 사용한다.
이 궤도는 아래 그림과 같이 타원형이며 한 공전에 12시간이 소요된다.
몰니야 궤도는 지구 중력의 영향을 받아
2/3을 북반구와 남반구에서 보내도록 설계되어있어
북반구에 위치한 러시아 입장에서는 최적의 위성궤도라고 할 수 있다[8].
러시아가 사용하는 몰니야 궤도(Molniya Orbit)
여기에서 라그랑주 지점 (Lagrangian Point) 개념을 짚고 넘어가보자.
중력이 다스리는 우주.
그 안에는 천체들의 중력이 서로 무효화되는 지점이 존재한다.
이를 라그랑주 지점이라 하며
중력적으로 안정되어있어 위성을 고도에 안착시킬 때 사용된다.
지구와 태양 사이에는 L1 부터 L5까지 5개의 라그랑주 지점이 있다.
하지만 L4 와 L5 지점만이 안정적이며 L1부터 L3까지는 위태롭다.
라그랑주 지점(Lagrangian Ponit) L1 - L3는 불안정하고 L4와 L5는 안정하다
쉬운 비유를 하자면 L1부터 L3는 언덕 위에 균형을 잡은 공과 같다.
공을 조금만 건드려도 언덕 밑으로 굴러 떨어질 것이다.
하지만 L4와 L5 지점은 밥 그릇 안에 위치한 공과 같다.
공을 건드려도 다시 원위치로 돌아갈 것이다 [10].
위성 충돌 가능성
위성은 지구, 달, 태양, 그리고 다른 위성들로부터 중력의 영향을 받기 때문에
위치가 조금씩 변한다.
특히나 적도정지궤도에서의 자리는 한정됐기 때문에
위성은 서로 언제나 충돌 가능성이 존재한다.
이 적도정지궤도는 무엇인가?
적도정지궤도는 적도를 따라 도는 정지궤도 위성이다.
이 고도는 1800개의 위성을 수용할 수 있으며
현재 약 402개의 위성들이 활동중이다[11] .
적도정지궤도: 이 고도는 1800개의 위성을 수용할 수 있으며 현재 약 402개의 위성들이 활동중이다1800자리 중에 402개의 자리면 넓다고 생각할 수 있지만 방대한 우주에서는 좁다.
케슬러 신드롬(Kessler Syndrome)은 이 위성 충돌 가능성을 가리키는 전문용어다.
이를 방지하기 위해
국제전기통신연합(International Telecommunication Union)은
각 위성의 이동범위인 박스(box)를 배정해준다[11] .
박스의 크기는 경도 0.1도로 약 70km다 [12].
이 박스 범위를 벗어나서는 결코 안되기 때문에 위성에는 자체적인 추진체가 있다.
위성의 미래
우주산업의 61%를 책임지는 위성산업.
인류가 발달함에따라 그 중요성은 날이 갈수록 커져가고 있다.
다행히 우리나라도 위성분야에서는 일가견이 있으며
한국의 지구관측 위성은 세계 선두권에 자리하고 있다.
자세한 소개는 다른 포스팅에서 하고 싶지만 간단한 소개를 하자면
관측위성의 월드클래스를 판가름 짓는 잣대는 해상도에 있다.
우리나라의 다목적 실용위성 아리랑 2호는
해상도 1m의 관측장치를 장착하였다.
흔히 올림픽 육상에서 100m를 10초안에 들어오는 선수를
월드클래스라고 판단하듯이
해상도 1m의 관측위성도 그 판단의 잣대가된다.
비록 발사체 분야에서는 갈 길이 멀지만
우리나라 국민으로써 한국 위성을 보고 자부심을 가지자.
해상도 1m는 100m를 10초안에 들어오는 월드클래스와 같다
[1] "Space Foundation Report Reveals Global Space Economy Climb to $330 Billion" Space Foundation
[2] "Satellite Industry Revenue Tops $208 Billion in 2015: Trade Group" Reuters
[3] "Satellite Industry Generated more than $260 in Revenues in 2016, According to New Report" SpaceNews
[4] "Facts and Figures" NASA
https://www.nasa.gov/feature/facts-and-figures
[5] "About the Hubble Space Telescope" NASA
https://www.nasa.gov/mission_pages/hubble/story/index.html
[6] "India Sets Record with Launch of 104 Satellites on a Single Rocket" SpaceNews
http://spacenews.com/india-sets-record-with-launch-of-104-satellites-on-a-single-rocket/
[7] "How a $6 Million Launch Vehicle could Transform the Satellite Business" Gizmodo
[8] "Polar Orbiting Satellites" phy6,org
http://www.phy6.org/Education/wlopolar.html
[9] "Geostationary Satellite" TechTarget
http://searchmobilecomputing.techtarget.com/definition/geostationary-satellite
[10] "Three Classes of Orbit" Earth Observatory
https://earthobservatory.nasa.gov/Features/OrbitsCatalog/page2.php
[11] "What is a Geosynchronous Orbit?" Space.com
https://www.space.com/29222-geosynchronous-orbit.html
[12] "Dealing with Galaxy 15: Zombiesats and On-orbit Service" The Space Review
