인공위성

인공위성(Artificial Satellite)는 사람이 특수한 목적을 달성하기 위해 지구 주변을 돌도록 만든 물체이다. 인공위성의 경우 지구궤도상에 있는 것뿐만 아니라, 다른 행성탐사를 위해서 지구로부터 멀리 날아가는 경우도 편의상 인공위성으로 간주한다. 인공위성은 1957년 세계 최초의 인공위성이 발사된 이후 안보, 산업, 경제, 문화 등 다양한 영역에서 쓰임새가 급속도로 확대되어 왔다.

역사

인공위성을 원하는 지구궤도에 올리려면 강력한 엔진을 가진 우주발사체가 필수적이기 때문에 우주개발의 역사는 이러한 우주발사체를 만드는 역사이기도 하다. 최초의 로켓은 1232년 금나라에서 화약을 이용한 화전이라는 불화살이 유럽의 나라로 전파되면서 1379년 이탈리아의 제노아 군대가 화전을 응요안 로케타를 사용하면서 로켓의 어원이 생겼다고 한다. 로켓은 점점 발전하다가 연구를 거듭하면서 1957년 옛 소련에서 스푸트니크 1호가 발사를 성공하면서 초조해진 미국도 로켓개발을 무리하게 발사다가 실패했지만, 1958년 익스플로러 1호 발사에 성공한다. 1960년대에는 미국과 소련 두나라가 본격적으로 우주경쟁을 시작했다. 1961년에 소련의 유리 가가린(Yuri A Gargarin)이 탑승한 보스토크 1호의 발사를 성공했다. 이후 미국의 아폴로 11호가 달에 착륙하면서 인류가 처음으로 달을 탐사하는 역사를 만들어 냈다. 1970년대에는 행성탐사가 본격적으로 시작된 시대이고, 1980년대는 유인 우주왕복선의 시대가 되어 우주왕복선을 통해 위성을 지구 궤도로 올리기도 하고, 고장난 위성을 고치기도 하였다. 1990년대는 통신, 기상, 지구관측 위성들이 주로 활약하였다. 2000년대에는 세계 각국에서 더욱 정교하게 만들어진 인공위성과 우주선들이 지구와 우주에서 각종 활동을 하게 되었다.

인공위성의 분류

용도에 따른 분류

군사 위성

군사적인 목적으로 개발된 인공위성으로 정찰위성, 조기경보위성, 군사통신위성, 핵폭발 탐지위성, 항행위성, 군사기상위성 등이있다. 넓게 의미에선 모두 첩보위성에 속하지만, 좁은 의미에서 첩보위성은 정찰위성, 조기경보위성, 도청위성만을 가리킨다.

• 군사 통신 위성

극초단파에 의한 원거리 통신과 많은 용량의 군사 통신에 대한 중계소 역할을 하는 위성이다.

군사위성과 첩보위성의 차이

군사용으로 사용되는 위성에는 정찰위성, 조기경보위성, 도청위성, 군사통신위성, 항행위성, 군사기상위성 등이 있다. 넓은 의미에서는 모두 첩보위성에 속한다. 하지만 좁은 의미에서의 첩보위성은 정찰위성, 조기경보위성, 도청위성만을 가리킨다.

• 정찰위성

군사 행동 상황에 관한 정보 수집을 주목적으로 하는 위성으로 카메라, 각종 센서, 밀리파 라디오미터, 통신/전자 정보 수집 장비, 레이더 등을 적절히 탑재하여 사진 정찰, 전자 정찰, 해양 감시 등의 임무를 수행한다.

• 조기경보위성

적의 대륙간탄도탄 또는 잠수함발사탄도탄의 공격에 대하여 될 수 있는 한 긴 반응시간을 갖기 위하여 이들의 발사를 조기에 탐지하는 임무를 가진 위성이다. 미국의 대표적인 조기경보위성인 DSP(Defense Support Program) 위성은 미사일이나 로켓에서 뿜어 나오는 배기가스의 열을 적외선 센서를 사용해 감지한다. 걸프전 때에는 이라크의 스커드미사일의 발사를 감지해 이스라엘과 사우디아라비아의 인구밀집지역이나 군사지역에 미리 알려 피해를 최소화했다.

• 도청위성

적국의 전파나 통신을 도청하는 일을 맡는다. 국가정찰국은 1992년 일반에게 알려질 때까지 존재 자체가 비밀이었다. 매그넘/오리온 계열의 위성은 미사일 시험중에 전송되는 원격계측정보를 도청하고, 볼텍스위성은 여기에 음성도청을 가미했다. 샬리트/볼텍스위성은 비밀정보도청을 수행했다. 1996년 4월 미 공군은 타이탄 4호 로켓으로 첩보위성을 발사했는데, 고급형 볼텍스 계열의 통신도청위성인 것으로 알려지고 있다. 이것은 마이크로파신호, 전파신호, 장거리전화 및 워키토키 대화내용 등을 도청할 수 있는 대형통신집진기를 갖추고 있었다.

민간 위성

민간위성은 방송이나 통신, 지구관측, 기상 등 민간인이 활용할 수 있는 위성을 말한다.

• 기상위성

일반적으로 모든 인공위성은 대기현상을 측정하고 밝혀주므로 기상위성이라고 할 수 있으나 정확하게 구별하면 기상관측을 주목적으로 설계하여 발사된 인공위성만을 가리킨다. 기상위성은 단기예보에 필요한 저기압 또는 전선 등의 정확한 위치와 크기 등을 파악하며, 지구로부터 우주공간으로 복사되는 복사에너지, 지구와 대기가 반사하는 태양광선의 반사량, 대기권 밖의 태양에너지 등을 관측한다. 기상위성은 극궤도 기상위성과 정지기상위성 두 종류로 나눈다. 극궤도 기상위성은 저궤도에서 지구의 남북을 회전하며 실시간으로 관측한 기상자료를 이용국에 제공해주고, 정지기상위성은 지구 정지 궤도에 위치해 일정한 지역에 대한 관측을 주로 한다.

• 통신 위성

지구 상공 일정한 궤도에서 지구 주위를 회전하면서 지상 통신국으로부터 송신하는 신호를 수신하여 그 신호를 증폭 변환한 후 다시 상대 지구국에 재송신하는 우주 전파중계소 역할을 하는 인공위성으로 일반 통신뿐만 아니라, 방송신호도 송수신한다.

• 과학위성

천문학 및 물리학에서 우주의 변화와 여러가지 현상들을 관찰하기 위한 인공위성이다. 이를 우주망원경이라고 한다. 지구상에서 확인 불가능한 천체나 잘 보이지 않는 천체를 볼 수 있도록 해준다. 대표적인 예로는 허블망원경, 찬드라, XMM-뉴턴망원경, 나이서, 우주배경 탐사선, 윌킨슨 마이크로파 비등방성 탐색기 등이 있다.

• 항행위성

항행위성은 날씨와 무관하게 지상의 수신자가 정확한 위치와 시간을 알 수 있도록 정보를 제공해 주는 인공위성이다. 비행기, 선박, 자동차 등의 운항에 사용되고 있으며, 대부분의 스마트폰에도 지피에스 수신기가 장착되어 있다. 원래 군사용으로 개발 및 운영이 되었으나, 1983년 (구)소련의 대한항공 격추 사건 이후, 미국 로널드 윌슨 레이건(Ronald Wilson Reagan) 대통령에 의해 민간 목적으로 사용이 허가되었다. 항행위성은 지구 중궤도에 위치하고 있다.

• 통신위성

위성을 지구 정지 궤도에 띄워 지상 통신국으로부터 송신하는 신호를 수신하여 그 신호를 증폭 변환한 후 다시 상대 지구국에 재송신하는 우주 전파 중계소 역할을 하는 인공위성이다. 이동통신과 위성중계방송, 위성방송을 시청할 수 있게 해준다. 하지만 높이와 위치가 정해져 있기 때문에 공간을 차지하려는 경쟁이 치열하다.

기타

• 우주정거장

우주에서 안정된 궤도로 일정한 상태에 있으면서 특정한 임무를 수행하고 우주선이 정박할 수 있는 환경이 갖추어진 인공위성이다. 주정거장은 세 명, 많아야 다섯 명 이내의 인원이 수 개월, 길게는 1년 가까이 이어지는 장기 체류를 진행한다.

• 탐사선

지구나 다른 천체를 탐사하기 위해 우주로 쏘아 올린 관측도구를 말한다. 태양으로부터 멀어지면 태양광판에 닿는 광량이 떨어져서 효율이 기하급수적으로 떨어진다. 때문에 외우주로 나가는 것들은 대부분 원자력 전지를 쓰기 때문에 가격이 비싸다. 무인 탐사선과 유인 탐사선이 있는데, 무인 탐사선은 주로 태양계 바깥이나 인간이 착륙하기 힘든 행성을 탐사한다. 유인 탐사선은 지구를 벗어나 다른 천체로 가려면 1년 이상은 기본이고 연료를 아끼기 위해 스윙바이로 가속하려면 중간에 경유지까지 설정해야 하기 때문에 시간도 오래 걸린다. 게다가 귀환까지 해야 되기 때문에 현재까지 유인우주선인 탐사선은 아폴로뿐이다.

무게에 따른 분류

위성의 질량은 부여된 임무에 따라 결정되며, 일반적으로 소형위성급 이상은 실용 목적으로, 소형 이하급 위성은 과학실험, 기술 개발 및 검증을 목적으로 한다. 보통 나노, 피코, 펨토 위성은 초소형 위성으로 분류한다.

종류	질량
대형위성	1000kg 이상
중형위성	500~1000kg
소형위성	100~500 kg
마이크로위성	10~100 kg
나노위성	1~10 kg
피코위성	0.1~1 kg
펨토위성	0.1 kg 이하

궤도

인공위성이 지구로 추락하지 않고 지구 주위를 회전할 수 있는 이유는 중력과 회전에 의한 물체의 원심력이 평행을 이루기 때문이다.

궤도 높이(km)	회전 속도(km/sec)	주기(분)
100	7.9	90
1600	7.2	120
6400	5.6	255
19200	4	720
36000	3.04	1440(1일)

모든 위성은 자신만의 궤도가 있다. 위성의 임무에 따라 궤도의 형태는 다르며, 일반적으로 고도에 따라 저궤도, 중간궤도, 지구정지궤도, 고궤도로 나누어진다. 또한 특정 목적을 위해 크기나 모양이 특이한 극궤도와 타원궤도도 있다. 정지궤도 위성은 지구의 자전 주기와 동일한 공전주기를 가지고 지구 주위를 도는 위성으로 약 3만6천km 고도에서 지구 주위를 돌게 된다. 이때 지구의 자전주기와 정지궤도 위성의 공전주기가 같기 때문에 항상 같은 지역 위에 떠 있는 것처럼 보인다. 이러한 정지궤도 위성은 통신 위성, 기상 위성 등의 목적으로 사용된다. 저궤도 위성은 대기 밀도가 거의 0에 가까운, 지구 대기의 최상층부를 도는 위성이다. 이러한 저궤도 위성은 지구와 가까이 돌고 있어 지구의 아름다운 광경들을 볼 수 있는데, 우주에서 찍어오는 아름다운 사진들이 거의 저궤도에서 찍어오는 사진들이다. 또한 대기 밀도가 거의 0에 가깝기 때문에 천문 관측시 대기에 의한 영향을 받지 않는다. 따라서 허블 우주망원경 같은 관측 장비를 궤도상에 올려서 먼 우주를 촬영하는 데 사용한다. 저궤도 위성 주로 고도 500~1500km 사이의 궤도에서 돌고 있는데, 그 이유는 500km이하에서는 공기저항으로 인공위성이 1년 내에 떨어지게 되고, 1500km 이상에서는 밴앨런대로 인해 지자기의 영향을 받게 되기 때문이다. 저궤도 위성은 주로 원격탐사, 기상관측, 지구관측 등의 목적으로 많이 사용된다. 중궤도 위성은 고도가 약 2000~36000km에서 도는 위성을 말하는데, 1500~5000km와 15000km~30000km사이에 밴앨런 대가 형성되어 있는데 이 사이에는 고에너지 입자들이 모여있는 지역으로서 전파통신에 악영향을 미친다. 정지 궤도 위성은 적도 36000km 상공의 원형 궤도로, 통신, 방송 위성을 포함한 인공위성 운용시 가장 큰 이점이 있는 궤도이다. 정지 궤도 위성은 지상에서 발사후에 타원궤도를 돌다가 원지점에서 원지점 모터를 가동해 정지 궤도에 들어간다. 3개의 정지 궤도 위성으로 대부분의 지구표면을 커버할 수 있으나 기하학적으로 위도 81도이상의 극지역에서는 위성이 수평선 아래로 사라져 서비스 이용이 불가능해 몰니야 궤도를 사용한다. 극궤도 위성은 저궤도 위성의 특별한 형태로, 북극과 남극을 잇는 궤도를 돈다. 위성이 북극과 남극을 도는 동안 지구가 자전하게 되는데 이로 인해 인공위성이 서쪽으로 조금씩 치우쳐 가는 현상을 볼 수 있다. 지구의 전체 표면을 관측할 수 있다는 특징이 있으며 이러한 특징을 잘 이용해 기상위성, 관측위성, 군사위성 등으로 사용된다. 타원궤도 위성은 궤도의 찌그러짐 정도가 커서 지구와 가까운 지역을 지날 때의 비행시간보다 반대편을 비행하는 시간이 상대적으로 매우 긴 특성을 가진다. 모든 위성의 궤도는 원 또는 타원의 형태를 가지고 있지만, 원형궤도는 지구와의 거리(고도)가 일정하고 속도도 일정하게 움직인다. 반면 타원형 궤도는 지구로부터의 거리가 일정하지 않아 고도가 높은 지점과 낮은 지점이 생기게 된다. 이때 고도가 가장 높은 지점을 원지점, 고도가 가장 낮은 지점을 근지점이라고 한다. 타원형 궤도를 도는 위성들은 근지점 근처에서는 아주 빠른 속도로 움직이고 원지점 근처에서는 아주 느리게 움직이게 된다. 타원궤도를 응용한 몰니야 궤도는 근지점은 남반구에, 원지점은 북반구에 오도록 궤도를 형성하면 위성은 남반구보다는 북반구에 훨씬 더 오래 머무르게되어 정지궤도 위성과 통신을 할 수 없는 고위도 지방에서 통신이나 방송용으로 사용하고 있다. 따라서 적도상의 정지궤도 위성을 사용할 수 없는 러시아 같은 고위도에 위치한 국가에서는 이러한 몰니야 궤도상의 위성을 이용해서 통신을 할 수 있게 된다.

구조

인공위성은 크게 위성본체와 탑재체로 나눌 수 있다. 탑재체는 통신을 위한 중계기, 땅 위나 구름의 사진을 찍는 카메라 같은 것이 탑재체라고 불린다. 위성본체는 7개의 요소로 나눌 수 있고 모든 요소가 다 중요하다. 그 중 첫번째 요소는 구조이다. 위성체의 형태를 유지시키고 다른 요소들을 받쳐준다. 두번째 요소는 열제어이다. 우주에는 공기가 없어 태양 빛을 받는 쪽은 매우 뜨겁고, 받지 않는 쪽은 매우 차갑다. 그래서 태양 빛을 차단하기 위해 다층박막단열재를 입히고, 위성체 내부에서 발생한 뜨거운 열을 밖으로 내보내기 위해서 거울처럼 보이는 이차면경이라고 하는 것을 붙인다. 세번째와 네번째 요소는 추진 및 자세제어이다. 인공위성에도 우리가 원하는 곳을 바라보기 위한 눈과 움직이기 위한 발이 필요하다. 자세를 알아내기 위한 태양센서, 지구센서, 별센서 같은 것들이 있어야만 인공위성이 태양, 지구, 별과의 상대적인 자세를 파악해서 인공위성의 정확한 자세를 알아낸다. 자세를 알아내면 원하는 방향으로 이동하기 위해 추력기와 반작용휠이 필요하다. 추력기는 연료를 태워서 생기는 가스를 외부로 분출하여 움직이는 힘을 얻고, 반작용 휠은 질량을 가진 물체가 회전하게 되면 그 반대방향으로 움직이려고 하는 관성력이 생기는데 이 힘을 이용한다. 다섯 번째 요소는 전력이다. 인공위성에는 여러 전기장치들이 있기 때문에 주로 태양열 에너지와 축전지를 사용한다. 여섯 번째와 일곱 번째 요소는 원격측정명령과 탑재소프트웨어이다. 인공위성에도 컴퓨터가 실려 있어서 보고 들은 내용을 판단하고 일을 하도록 명령을 내린다. 이때 올바른 판단을 하도록 프로그래밍되어 있는 것이 바로 탑재소프트웨어다. 위성체에서 통신을 하는 역할은 안테나이다.

우주 쓰레기

우주 공간에 있는 인간이 만든 물체를 통틀어 인공우주물체라고 한다. 지구 궤도에 있는 인공우주물체는 임무를 수행 중인 살아 있는 인공위성과 그들을 제외한 나머지로 나뉘는데, 그 나머지를 우주 쓰레기 또는 우주 잔해물이라고 부른다. 우주 쓰레기에는 수명이 다하거나 고장 난 인공위성, 우주발사체에서 분리된 페어링이나 로켓 상단, 인공위성이 폭발하거나 다른 물체와 충돌해 생긴 파편 등이 모두 우주 쓰레기가 된다. 현재 지구궤도에는 인공우주물체 2만3000여개가 있다. 그중 인공위성은 10%이고 나머지 90%가 우주 쓰레기다. 우주 쓰레기는 운영 중인 인공위성과 충돌을 일으킬 수 있고, 다 쓴 인공위성들이 쓰레기가 되어 지구궤도를 꽉 채우게 되면 새 인공위성이 자리잡을 공간이 없어진다. 일부 파편은 지상으로 떨어져 피해를 일으키기도 한다. 영국 콘월에서 열린 주요 7개국 정상회의에서 우주 쓰레기가 주요 안건으로 논의됐다. 이에 따라 우주 쓰레기 처리 시장도 성장하고 있다. 레이저를 이용해 우주 쓰레기 표면을 기화시켜 원하는 곳으로 이동시킨 뒤 대기권 진입을 유도하는 방법, 전도성 끈을 이용해 파편을 위성 궤도에서 이탈 시키는 방법, 로봇팔 4개가 달린 청소 위성을 올려보내는 방법, 작살을 이용해 우주 쓰레기를 잡은 후 대기권으로 끌고 와 태워 없애버리는 방법, 우주 쓰레기들이 모여 있는 곳에 끈적끈적한 폴리머 거품을 방출해 쓰레기 파편들이 붙게 한 후 대기권으로 떨어뜨리는 방법 등 여러가지 방법이 시도되고 있다.

참고자료

• 〈인공위성관련 정보〉, 《인공위성연구소》
• 〈세계를 보는 우리의 첨단 위성〉, 《한국항공우주연구회》
• 박상영, 〈인공위성과 우주개발의 역사〉, 《아이티파인드》
• 〈인공위성〉, 《나무위키》
• 〈탐사선〉, 《나무위키》
• 〈인공위성의 용도와 떨어지지 않는 이유는〉, 《매일경제》, 1999-05-27
• 이종화, 〈인공위성도 다니는 길이 있다〉, 《네이버포스트》, 2005-07-04
• 〈정지궤도〉, 《위키백과》
• 〈인공위성〉, 《한국항공우주연구회》
• 안선희, 〈우주 쓰레기가 온다…지구 둘러싼 90% 물체가 ‘폐기물’〉, 《한겨레》, 2021-07-02
• 〈(우주산업 리포트) 우주쓰레기 청소 사업에 나선 기업들〉, 《동아사이언스》, 2021-06-18

같이 보기

• 지구
• 궤도
• 우주

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