인공위성

인공위성은 인간이 만든 위성, 즉 지구 따위의 행성 둘레를 돌도록 로켓을 이용하여 쏘아 올린 인공의 장치이다.  태양계를 구성하는 천체 중에서 행성의 인력에 의해 그 주위를 도는 자연 천체를 위성(Satellite)이라 한다. 인공위성은 인간이 어떤 목적을 달성하기 위해 인공적으로 만들어 주로 지구 주위를 돌도록 배치한 위성이다. 배치된 고도에 따라 정지궤도위성과 비정지궤도위성으로 나눌 수 있으며 목적과 용도에 따라 과학위성, 통신위성, 군사위성, 기상위성 따위로 분류한다. 인공으로 만들어져 지구 주위를 돌고 있는 장치, 또는 물체 중에서 수명이 다하여 작동을 하지 않는 물체와 로켓이나 인공위성에서 떨어져 나온 파편과 부속물 등은 인공위성이라 부르지 않으며 따로 '우주쓰레기(Space Debris)'라는 용어를 사용한다. 여기에서는 인공위성의 원리와 역사를 다룬다. 인공위성이 어떻게 구성되는지는 인공위성 시스템에서 별도로 설명하고, 인공위성의 다양한 종류는 인공위성의 분류에서 별도로 설명한다.

목차

인공위성의 원리는 지면과 나란한 수평 방향으로 발사된 포탄이 형성하는 궤적의 모양으로 설명할 수 있다(그림 1 참조). 발사되는 포탄의 속도를 초속 1km 부터 시작해서 조금씩 올린다고 상상해보자. 포탄이 날아가는 거리는 조금씩 늘어날 것이고 이론적으로 포탄의 속도가 초속 7.9km 가 되면 지면으로 다시 떨어지지 않고 지구 주위를 계속 돌게 될 것이다. 그리고 만약 포탄의 속도가 초속 11.2km 를 넘으면 지구 중력권을 탈출하게 된다. 결국 초속 7.9km 이상, 초속 11.2km 이하의 속도를 가진 인공위성은 중력에 의해 지구 주위를 돌게 된다. 이때, 비행속도가 초속 7.9km 이면 원궤도, 그 이상이면 지구 중심을 한 촛점으로 하는 타원궤도가 된다.

그림 1. 포탄의 발사속도와 생성 궤적의 관계(출처:http://javalab.org/lee/2015/principle_of_satellite/)

위와 같이 인공위성은 해당 고도에 맞는 적절한 속도를 유지하므로써 지상으로 낙하하지 않고 행성 주위를 공전하는 궤도 상에 머무를 수 있다. 다시 말해 지상으로 낙하하거나 반대로 행성의 중력권을 벗어나 우주공간으로 튕겨 나가지 않고 공전운동을 지속하기 위해서는 그 고도를 유지할 수 있는 속도를 계속 지니고 있어야 한다. 이때 필요한 속도는 공전 중인 행성의 중력 크기와 행성의 질량 중심으로부터 얼마나 떨어져 있는지, 즉 거리에 의해 결정되며 다음과 같이 뉴턴의 타원운동 공식에 의해 계산할 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@ V_{sat} = \sqrt{ G \left( M + m \right) \left( \frac{2}{r} - \frac{1}{a} \right) } @@NAMATH_DISPLAY@@

위 식에서 @@NAMATH_INLINE@@V_{sat}@@NAMATH_INLINE@@ 은 인공위성의 속도, @@NAMATH_INLINE@@G@@NAMATH_INLINE@@ 는 중력상수( @@NAMATH_INLINE@@ \approx 6.67384 \times 10^{-20} \rm{km^3 kg^{-1} sec^{-2}}@@NAMATH_INLINE@@ ), @@NAMATH_INLINE@@M@@NAMATH_INLINE@@ 은 행성의 질량, @@NAMATH_INLINE@@m@@NAMATH_INLINE@@ 은 인공위성의 질량, @@NAMATH_INLINE@@r@@NAMATH_INLINE@@ 은 행성의 질량중심에서 인공위성의 현재 위치까지 거리, @@NAMATH_INLINE@@a@@NAMATH_INLINE@@ 는 타원궤도의 장반경을 의미한다.

만약 인공위성이 그리는 공전궤도(=타원)가 원궤도에 아주 가까워서 @@NAMATH_INLINE@@ r @@NAMATH_INLINE@@ 과 @@NAMATH_INLINE@@ a @@NAMATH_INLINE@@ 가 거의 같다면 그리고 인공위성의 질량이 행성의 질량에 비해 아주 작아서 무시할 수 있을 정도라면 위의 식은 다음과 같이 간략하게 쓸 수 있다.

@@NAMATH_DISPLAY@@ V_{sat} = \sqrt{ \frac{G \cdot M}{r} } @@NAMATH_DISPLAY@@

따라서 공전궤도를 원궤도로 가정할 수 있는 경우에는 식(2)에 의해 인공위성의 속도를 계산할 수 있다. 이때 행성이 지구가 아닌 다른 행성이라면 그에 따라 행성 질량 @@NAMATH_INLINE@@ M @@NAMATH_INLINE@@ 이 달라지며 그러므로 같은 거리의 궤도라도, 즉 @@NAMATH_INLINE@@ r @@NAMATH_INLINE@@ 이 같더라도 행성에 따라 인공위성의 공전속도는 당연히 다르다.

우주에 떠있는 물체가 일정 속도를 유지할 수 있다면 지면으로 떨어지지 않고 영원히 지구 주위를 돌 수 있을 것이라는 생각은 뉴턴 시대 이후로 잘 알려진 사실이었다. 다만 그 정도로 높은 속력을 낼 수 있는 방법이 개발되지 않았다. 실제로 비행이 가능한 인공위성의 시작은 제2차세계대전에서 독일이 사용한 V2로켓에서 비롯되었다. 세계대전이 끝난 후 미국과 냉전 중이던 소련(소비에트연합, 현 러시아)에서 V2로켓 엔진을 개량한 R7로켓을 개발하고 이를 이용하여 세계 최초의 인공위성을 발사하는 데에 성공한다. 곧이어 소련은 두 번째 인공위성에 '라이카'라는 이름의 개를 탑승시킴으로써 생명체의 우주비행 가능성까지 시도하게 된다.

인류가 만든 세계 최초의 인공위성은 소련(구.소비에트 연합)에서 개발한 스푸트니크1호이며 1957년 10월 4일에 발사되었다(그림 2 참조).

그림 2. 세계 최초의 인공위성 스푸트니크1호(출처: )

우리나라 최초의 인공위성은 한국과학기술원(KAIST) 인공위성연구센터에서 개발한 우리별 1호이며 1992년 8월 11일에 발사되었다(그림 3 참조).

그림 3. 우리나라 최초의 인공위성 우리별 1호(출처: )