1. 인공위성(Artificial Satellite)
1) 인공위성이란?
큰 질량을 가지는 물체가 당기는 인력과 회전에 의한 원심력이 평행을 이뤄서 질량이 큰 물체 주위를 도는 질량이 작은 물체를 위성이라고 합니다. 이러한 원리를 이용하여 인간이 어떤 특수한 목적을 위해 지구 주위를 일정한 주기로 돌게 만든 위성을 인공위성이라 합니다. 인공위성은 인류가 개발한 우주비행체로 인간이 탑승하는가에 따라 유인 우주비행체와 무인 우주비행체로 나눌 수 있습니다.
2) 인공위성 비행원리
줄에 돌을 매달고 돌려보면 회전운동을 하게 되는데, 이것은 잡아당기는 힘과 탈출하려는 힘이 같기 때문입니다. 인공위성을 지구주위로 회전시키기 위해서는 지구 중력을 극복할 수 있는 충분한 속도가 필요합니다. 공기저항을 무시하고 지표면에서 인공위성의 초기회전을 위해 필요한 이론적인 속도는 약 7.9㎞/s로 제1차 우주비행속도라고 하며, 이보다 낮은 속도로 회전할 경우에는 중력의 영향으로 낙하하게 됩니다. 고도가 높아지면 중력이 감소하기 때문에 위성이 되기 위한 초기속도는 점차 감소하게 됩니다. 우주비행체를 지구궤도가 아닌 달이나 다른 행성으로 보낼 때의 초기속도는 약 11.2km/s로, 이를 탈출속도 또는 제2차 우주비행속도라고 합니다.
지구는 대기층으로 싸여 있으며, 그 밀도는 지구로부터의 거리가 멀어질수록 감소합니다. 약 160km의 고도로 올라가면 공기는 거의 존재하지 않게 되며 대기도 사라지게 됩니다. 이렇게 공기의 저항이 없는 곳을 '우주'라 정의합니다. 일반적으로 인공위성은 공기가 없는 우주에서 비행하도록 설계됩니다. 왜냐하면, 인공위성이 지구의 공기밀도가 높은 곳에서 비행을 하게 되면 공기의 마찰에 의해 자꾸 지구로 떨어지게 되기 때문입니다. 공기저항은 고도의 증가와 함께 기하급수적으로 감소하다가 고도가 약 500km 이상에서는 거의 사라지게 됩니다. 특별한 경우를 제외하고 인공위성을 고도 500km 이상에 위치시키는 것은 바로 이러한 공기저항에 의한 고도저하에 따른 위성의 연료소모를 줄이기 위함입니다.
3) 인공위성의 개발
1945년 영국의 아서 클라크(Arthur Clarke)는 <무선 세계(Wireless World)>라는 잡지에 24시간 주기의 궤도를 갖는 유인 위성 네트워크에 관한 논문을 발표했습니다. 24시간은 지구의 자전 주기로 인공위성이 지구의 자전과 동일한 속도로 움직이게 되면, 지구의 한 지점에서 바라볼 때 인공위성이 계속 정지해 있는 것처럼 보이게 됩니다. 이 궤도를 정지 궤도 또는 클라크 궤도(Clarke Orbit)라고 부릅니다.
1958년 10월 4일, 옛 소련은 세계 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호(Sputnik 1)를 지구 저궤도에 올려놓아 전 세계를 깜짝 놀라게 했습니다. 스푸트니크 1호의 발사는 우주시대의 서막을 열었으며, 미·소 두 강대국의 우주경쟁에 기폭제가 되었습니다. 옛 소련의 인공위성 발사 성공은 미국이 소련에게 우주개발에서 선두를 빼앗기고 살상무기인 대륙간 탄도미사일의 개발경쟁에서도 뒤처짐을 의미하는 것이었습니다. 스푸트니크 1호는 직경 0.58m, 질량 83.6kg의 알루미늄 구형 위성으로 간단한 라디오 전송기를 장착하여 31.5 MHz 무선신호를 방송하였습니다. 또한 고도 900km의 저궤도에서 24시간 동안 지구 둘레를 무려 16번이나 회전하였습니다. 그리고 소련은 약 2개월 후인 12월 3일 스푸트니크 2호 위성에 '라이카'라는 개를 탑승시켜 최초로 생명체를 지구궤도에 올려놓는 개가를 이루었습니다. 이 비행에서 생명체에 미치는 발사환경 및 미세 중력에 의한 영향을 최소화함으로써 인간의 우주비행에 대한 가능성을 증명하게 되었습니다.
미국의 첫 번째 인공위성인 익스플로러 1호(Explorer 1)는 스푸트니크 1호가 발사된 지 거의 4개월 만인 1958년 1월 31일 쥬피터(Jupiter)-C 발사체에 의해 발사되었습니다. 익스플로러 1호는 길이 1.2m, 직경 20.3cm, 무게가 14.6kg인 극소형 인공위성이었습니다. 원지점 고도는 스푸트니크 1호보다 훨씬 높은 2,460m에 이르렀으며, 이 고도에서 익스플로러 1호는 지구 자기장 내에 강력한 복사대가 형성되어 있음을 발견하였습니다. 이것이 밴 앨런 복사대(Van Allen Radiation Belts)입니다.
- 밴 앨런 대: 지구자기장은 주로 플라즈마의 운동, 정류, 지구자기장에 잡힌 고에너지의 대전입자로서 우주환경에 많은 영향을 줍니다. 또 우주선과 관련된 고에너지 입자가 지구를 비껴가도록 하기도 합니다. 지구 쌍극 자장이 지구의 중심으로부터 약간 벗어나 있기 때문에 이온복사는 남미의 동해안에서 가장 낮은 고도를 가지며, 이는 이 지역에서 세기가 가장 약하고 밀도가 높게 나타납니다. 이곳을 남대서양 이상(South Atlantic Anomaly, SAA) 지역이라고 합니다. 이 지역에는 지구 자기장의 요동이 하루 이상 지속되는 지자기 폭풍도 있어, 이곳을 비행하는 위성체는 피해를 입을 확률이 매우 높습니다. 밴 앨런 대에 잡히는 입자는 30 KeV 이상의 에너지를 가지며 양성자와 전자로 구성되어 있고, 이러한 낮은 에너지를 갖는 이온들은 위성체를 통과하는 복사와는 다르게 위성시스템에 손상을 줄 수 있습니다. 위성체 표면의 화학적 결합을 깨뜨려서 페인트와 보호유리의 효율을 감소시키며 전자회로, 통신 및 재료 등에 손상을 일으키게 됩니다.
1960년대 초 미국과 소련의 관계는 정치적으로 최악의 위기를 맞고, 케네디 대통령은 우주경쟁의 기반 위에서 정치적인 반전과 미국민의 자존심을 회복하기 위해 1961년 5월 유인 달 착륙 프로젝트인 '아폴로 계획'을 발표합니다. 미항공우주국(NASA)은 가용한 모든 인력 및 예산을 충분하게 지원 받으며 개발에 박차를 가했고, 1969년 7월 드디어 아폴로 11호 우주선은 달 표면에 착륙하여 우주비행사 닐 암스트롱이 첫발을 내딛는 인류 역사상 대업을 이루었습니다.
4) 인공위성의 종류
- 임무(탑재체)에 따른 분류: 통신/방송위성, 지구관측위성/기상위성, 항행/측지위성, 과학위성, 군사/정찰위성, 행성탐사위성 등
- 형상 또는 안전화 방식에 따른 분류: 박스형(3축 안정화 방식), 원통형(회전 안정화 방식), 트러스형(UARS 위성) 등
- 궤도에 따른 분류: 저궤도, 태양동기궤도, 중궤도, 정지궤도, 고타원궤도 등
5) 위성시스템 구성
인공위성은 지상국, 발사체, 위성체로 시스템이 구성됩니다. 위성체는 탑재체와 본체로 구성되고, 본체는 다시 구조/열제어계, 전력계, 자세제어계, 원격계측 명령계, 추진계의 부분체로 나뉘어집니다. 자세제어계는 자이로(Gyro), 반작용휠(reaction wheel) 또는 모멘텀 휠, 추력기 및 각종 센서 등의 부품으로 구성되는 부분체입니다.
6) 위성설계 시 고려사항
진공환경에 의한 위성의 이상 및 실패를 미연에 방지하기 위해 설계할 때 다음과 같은 사항을 고려합니다.
- 낮은 가스분출 특성을 갖는 안정한 재료와 코팅을 선택합니다.
- 위성체에 설치하기 전에 재료나 부품을 진공에서 가스나 증기를 분출시켜서 실제 비행 중의 가스분출을 최소화하거나, 초기운영 단계에서 극저온 표면을 가열시켜 오염필름을 분출시키는 것과 같은 궤도상에서의 가스나 증기를 분출할 수 있는 시간적 여유를 둡니다.
2. 로켓과 위성 발사체
로켓은 공기가 없는 우주에서 비행할 수 있는 유일한 운반체이며, 탑재체에 따라 우주비행체인 인공위성을 탑재한 발사체와 화학탄이나 원자탄 등의 무기를 탑재한 미사일로 구분됩니다. 인공위성을 원하는 궤도에 올려 주는 로켓시스템을 위성 발사체라고 합니다.
1) 로켓의 작동원리
공기가 가득 찬 풍선을 잡고 있다가 놓으면 공기가 빠져나오면서 풍선은 반대 방향으로 날아갑니다. 이러한 현상은 뉴튼의 제3법칙인 작용과 반작용 원리로, 작용하는 모든 힘에는 같은 크기의 힘이 반대 방향으로 작용한다는 것을 말합니다. 이것이 로켓의 기본 원리입니다. 우주에는 공기가 없기 때문에 로켓은 연료를 연소시킬 수 있는 산화제를 싣고 비행합니다.
2) 로켓의 종류
로켓은 크게 열 로켓, 전기 로켓, 원자력 로켓으로 분류됩니다.
- 열 로켓은 사용되는 추진제에 따라 화학 로켓, 태양풍 추진로켓, 레이저 로켓으로 나눌 수 있습니다.
- 전기 로켓은 이용되는 방식에 따라 전열 로켓, 정전기 로켓, 전자기 로켓으로 나누어집니다.
열 로켓 중 화학 로켓은 고체 로켓, 액체 로켓, 하이브리드 로켓으로 분류됩니다. 고체 로켓은 고체 추진제를 사용하며 오래 전부터 군사용으로 사용되어 왔었습니다. 고체 추진제는 보통 연료와 산화제의 혼합물인 그레인을 사용하며, 현재는 발사체의 추력 보강용 로켓으로 주로 사용됩니다. 시스템이 간단하여 복잡한 기계장치가 필요하지 않기 때문에 제작비용이 저렴하지만, 추력의 조절 및 재시동이 불가능하여 로켓의 유도 및 제어가 상대적으로 불리한 것이 단점입니다. 액체 로켓은 액체 상태의 추진제를 사용합니다. 시스템이 복잡하지만, 추력의 조절과 재시동이 용이하여 위성 발사체에 주로 사용됩니다. 하이브리드 로켓은 고체 추진제의 단점을 보강하여 추력을 조절할 수 있도록 만든 것입니다. 고체 연료 위에 액체 산화제를 분사시켜 연소하는 방식이며, 대기 공기를 사용할 수 있기 때문에 대기권 내에서는 산화제를 절약할 수 있습니다.
3) 인공위성 발사체
인공위성을 우주에 올려 주는 로켓 시스템을 위성 발사체라고 하며, 이러한 발사체는 위성체를 원하는 궤도에 올려줄 수 있어야 합니다. 발사체는 다음과 같은 과정을 통해 선정됩니다.
- 임무운용개념에 따른 요구조건과 제한조건을 세웁니다. 이때 발사당 위성의 수와 위성의 중량, 위성체의 제원, 임무궤도, 임무과정, 비용 등이 고려되어야 합니다.
- 발사체의 형상을 분석하고 검증합니다. 위성체 추진제의 무게와 궤도 진입 로켓의 무게, 부스터 어댑터의 무게, 가용한 성능 마진, 발사체의 신뢰도 등을 파악합니다.
- 위성체 개념 설계 중 발사 여유를 두기 위해 다수의 발사체 후보를 고려한 후, 발사능력과 비용, 신뢰도, 발사장을 포함한 발사 가용성 등을 기준으로 발사체를 선정합니다.
- 선정된 발사체에 할당되는 위성 설계 조건 및 발사 환경을 결정합니다. 페어링의 크기 및 형상, 최대 가속도, 진동 주파수 및 크기, 온도 극한치뿐만 아니라 궤도 진입 정밀도와 발사장 및 발사체와의 접속 관계 등도 고려하여 결정합니다.
4) 위성 발사체와 미사일의 차이
기본적으로 위성 발사체 로켓과 미사일에 사용되는 기술은 탑재체 및 비행경로를 제외하고는 동일하다고 볼 수 있습니다. 다만 발사체는 페어링 내에 위성이나 우주비행체와 같은 특수 임무를 수행하는 탑재체를 싣고 있는 반면, 미사일은 로켓 페어링 내에 인명이나 시설을 파괴할 수 있는 원자핵이나 화학무기를 탑재하고 있습니다. 또한 비행경로도 발사체의 경우 주차궤도나 임무궤도에서 비행체를 분리하며 그 궤도에서 선회할 수 있는 초기 속도를 제공하여야 하나, 미사일의 경우 지상이나 공중의 목표물을 향하여 발사해 적중시키는 임무를 갖고 있습니다. 위성 발사체를 보유하고 있는 국가는 미사일을 개발할 수 있는 능력을 갖추고 있으며, 역으로 대륙간 탄도 미사일을 보유하고 있는 국가는 우주 발사체를 개발할 수 있는 능력을 갖추고 있다고 볼 수 있습니다.