대한민국 최초의 군사정찰위성이 2023년 11월 4일 새벽에 미국의 스페이스X 로켓에 의해 발사되었다고 한다. 세계 각 나라는 끊임없이 인공위성을 지구상공에 배치시키고 서로를 감시하며 대립하고 있는 상황이다.
이에 따라서 북한과 대립하고 있는 다만 역시 위성의 필요성에 따라 1990 년대부터 개발을 시작하여 드디어 최초의 군사용 인공위성인 군사정찰위성을 가지게 되었다.
이 글에서는 인공위성의 역사와 원리 그리고 인공위성에 들어가는 핵심 기술 몇 가지에 관하여 당구에 보고자 한다.
인공위성이란 무엇인가?
인공위성은 우주 공간에서 천체를 주기적으로 도는 인공 구조물이다. 이들은 다양한 목적으로 사용되며, 크게 지구위성과 탐사위성으로 분류할 수 있다.
지구위성은 지구를 도는 위성으로, 통신, 방송, 과학 실험, 지구 원격 탐사, 기술 시험 등 다양한 목적으로 사용된다. 이들은 지구의 고정 궤도 또는 낮은 지구 궤도에 위치해 지구의 특정 부분을 관찰하거나 전 세계와 통신을 가능하게 한다.
탐사위성은 다른 천체들을 탐사하기 위한 위성으로, 다른 행성, 달, 혹은 우주 공간의 특정 지점을 연구한다. 예를 들어 화성 탐사 위성은 화성의 대기, 지질, 기후 등을 연구한다.
인공위성은 지구 중력과 우주 공간에서의 관성과 원심력의 균형으로 안정적인 궤도에 유지된다. 이들은 고속으로 움직이며, 지구의 중력을 넘어서 떨어지지 않고, 궤도를 유지한다.
인공위성의 역사
구 소련과 러시아의 인공위성 개발
구소련은 우주 개발 역사에서 중요한 위치를 차지한다. 그들의 가장 주목할 만한 성과 중 하나는 인류 최초의 인공위성, 스푸트니크 호의 발사이다. 스푸트니크 계획의 일환으로, 1957년 10월 4일에 스푸트니크 1호가 발사되었다.
이 인공위성은 타원형의 지구 저궤도로 발사되었으며, 우주시대의 시작을 알렸다. 스푸트니크 1호의 성공은 미국에 큰 충격을 주었고, 이후 우주 경쟁을 촉발시켰다.
러시아는 구소련의 우주 개발 프로그램을 이어받아, 21세기에도 우주 개발을 지속하고 있다. 1957년 스푸트니크의 성공 이후, 러시아는 여러 인공위성을 우주로 발사하였고, 인간을 지구 궤도에 올리는 데에도 성공하였다. 이러한 업적들은 현대 우주 개발의 기초를 마련하는 데 기여하였으며, 러시아는 현재까지도 우주탐사 및 위성 기술 개발에 주력하고 있다[[6†source]].
미국의 인공위성 개발
미국의 인공위성 개발사는 주로 냉전 시대의 우주 경쟁과 밀접한 관련이 있다. 1957년 10월 4일, 소비에트 연방이 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 성공적으로 발사하자, 미국은 자국의 우주 개발 기술이 뒤쳐져 있다는 사실을 깨달았다.
이 사건은 미국 내에서 우주 개발에 대한 국가적인 관심과 투자를 증가시켰다.
초기에 미국은 해군이 개발한 방가드 로켓을 이용한 인공위성 발사를 시도했지만 실패로 끝났다. 이후 아이젠하워 대통령은 육군의 폰 브라운 팀에 발사를 명령하여, 이 팀은 성공적으로 인공위성을 발사하는 데 기여했다.
냉전이 종료된 후, 미국은 우주개발에 소모되는 천문학적 비용과 효용에 대한 회의적인 시각을 겪었다. 이 시기에 유인 우주왕복선 프로그램의 인명사고도 발생하여, 우주 개발에 대한 전략적 재검토가 이루어졌다.
21세기 들어, 미국은 우주 개발을 상업적 차원으로 확대하며 새로운 전환점을 맞이했다. 우주에 인공위성이 더 많이 올라가고 활발히 활동할 수 있는 제도적 틀을 마련하는 방향으로 제도 개선을 추진하고 있다.
또한, 국가안보 목적을 가진 위성 발사를 위해 ULA (United Launch Alliance)와 같은 민간 기업과 협력하고 있다.
대한민국의 인공위성 개발
대한민국의 위성 개발 역사는 1990년대 초반으로 거슬러 올라간다. 중요한 이정표는 1992년 8월 11일로, 이 때 대한민국 최초의 인공위성인 우리별 1호(KITSAT-1)가 발사되었다.
이어서 1993년에는 과학관측 로켓 1호(KSR-1)와 우리별 2호가 발사되며 한국의 우주 개발 역사에 중요한 발자취를 남겼다.
대한민국은 위성체 분야에서 총 19기의 위성을 개발했으며, 이에는 통신위성 5기, 다목적위성 7기, 과학위성 7기가 포함된다.
이들 위성의 개발은 저궤도 소형 인공위성의 국내 독자 개발 능력과 국제 공동 위성 프로젝트에 참여하는 능력을 보여주었다.
1992년 우리별 1호의 발사 이후, 대한민국은 아리랑과 천리안 등을 개발하며 인공위성 개발에 큰 진전을 이루었다. 이러한 개발은 한국의 우주 기술 발전에 중요한 역할을 했다.
인공위성의 원리
인공위성의 원리는 물리학의 기본 법칙에 근거한다.
인공위성은 지구의 중력(구심력)과 원심력 간의 균형을 이용해 안정적인 궤도를 유지한다. 지구의 중력은 위성을 지구 쪽으로 끌어당기는 반면, 위성의 원심력은 그것을 밖으로 밀어낸다.
이 두 힘이 균형을 이룰 때, 위성은 안정적으로 지구 주위를 돌 수 있다.
궤도를 유지하기 위한 위성의 속도는 그 궤도의 반지름에 따라 결정된다. 너무 빠르면 위성은 지구의 중력을 뛰어넘어 우주 공간으로 나가버릴 수 있고, 너무 느리면 지구로 떨어질 수 있다.
이상적인 속도는 위성이 궤도에서 벗어나지 않으면서도 지구의 중력에 의해 끌어당겨지지 않는 정도여야 한다[3].
대부분의 인공위성은 태양 에너지를 활용하는 태양전지판을 통해 에너지를 얻는다. 이 전지판은 위성에 전력을 공급하여 다양한 장비와 센서들이 작동할 수 있게 한다[5], [6].
인공위성의 구조는 발사로켓의 노즈콘에 맞추어 설계되며, 대부분 다면구체 형태로 되어 있다. 이는 우주 환경에서의 효율적인 작동과 보호를 위한 것이다[2].
이러한 원리들이 조합되어 인공위성은 지구 주위를 돌면서 다양한 과학적, 통신적 목적을 수행할 수 있다.
궤도에 따른 인공위성의 속도
인공위성의 속도는 그들의 궤도에 따라 달라진다.
저궤도 위성 (Low Earth Orbit, LEO): 이 궤도에 있는 위성의 속도는 보통 초속 약 7.5km에서 7.9km 사이다. 저궤도 위성은 지구 표면에서 약 300km에서 2,000km 사이의 고도에 위치하며, 지구를 약 90분에서 120분 사이에 한 바퀴 돈다.
고정궤도 위성 (Geostationary Orbit, GEO): 고정궤도 위성은 지구의 적도와 일치하는 궤도에 위치하며, 지구와 동일한 각속도로 회전한다. 이러한 위성은 지구 표면에서 약 35,786km 높이에 있으며, 지구 자전 속도와 동일하게 이동하여 특정 지점을 지속적으로 관찰할 수 있다.
이 궤도에 있는 위성의 속도는 구체적으로 명시되지 않았지만, 지구 자전 속도에 맞춰져 있다.
중간 궤도 위성 (Medium Earth Orbit, MEO): 이 궤도는 LEO와 GEO 사이에 위치하며, 속도는 LEO보다는 느리지만 GEO보다는 빠르다. 이 궤도는 주로 항법 위성 시스템에 사용된다.
위성의 속도는 궤도의 고도와 중력, 그리고 궤도 유지를 위해 필요한 속도에 따라 결정된다. 고도가 높을수록 속도가 낮아지고, 낮을수록 속도가 높아진다.
인공위성의 종류
인공위성은 다양한 용도로 사용되며, 그에 따라 여러 종류로 분류됩니다.
통신 위성: 이 위성들은 지구상의 통신을 가능하게 하는 데 사용된다. 이들은 전화, 데이터, TV 방송 등을 전송하는 데 필요한 신호를 중계한다.
기상 위성: 기상 위성은 지구의 날씨와 기후를 관찰하고 예측하는 데 사용된다. 이들은 태풍, 폭풍, 기타 기상 현상의 이미지와 데이터를 제공한다.
지구 관측 위성: 이 위성들은 지구의 표면을 관찰하고, 환경 모니터링, 농업, 산림 관리 등에 사용된다.
과학 연구 위성: 과학 연구 위성은 태양, 지구 및 우주의 다른 부분에 대한 과학적 데이터를 수집하는 데 사용된다.
군사 위성: 이 위성들은 감시, 정찰, 통신, 타겟 위치 파악 등 군사적 목적으로 사용된다.
항법 위성: 이들은 GPS 시스템과 같이 위치 결정 서비스를 제공한다.
위성의 특성은 그들의 용도와 궤도에 따라 달라진다. 예를 들어, 정지궤도 위성은 지구와 동일한 속도로 회전하여 특정 지역을 지속적으로 관찰할 수 있으며, 편광 궤도 위성은 극지방을 포함한 전 지구를 관찰할 수 있다. 위성의 크기, 모양, 전력 공급 방식 등도 그들의 기능과 임무에 따라 다양하다
인공위성에 포함된 핵심 기술
인공위성 개발에는 다양한 핵심 기술이 필요하다.
궤도 결정 및 예측 기술: 위성의 정확한 궤도를 결정하고 미래의 궤도를 예측하는 알고리즘이다. 이는 위성의 안전한 운영과 목표 지점까지의 효율적인 이동을 보장한다.
영상 레이더 기술: 특히 지구 관측 위성에 사용되며, 비와 구름, 낮과 밤에 관계없이 지상을 관측할 수 있는 기술이다. 이는 아리랑위성 6호와 같은 위성에 적용되었다.
위성 통신 기술: 천리안 1호에 적용된 Ka 대역 위성 기술은 4K 초 고화질 TV와 초고속 인터넷 등 광대역 서비스 제공에 필요한 기술이다. 이는 위성을 통한 데이터 전송과 통신의 효율성을 증가시킨다.
소형 SAR 영상 레이더 기술: 소형화된 영상 레이다 기술은 차세대 소형 위성 2호 개발에 사용되며, 국내 개발된 우주 핵심 기술의 우주환경에서의 검증을 목표로 한다.
초 저고도 광학 인공위성 기술: 초 저고도에서 운영되는 인공위성의 설계와 핵심 기술 개발은 독특한 도전 과제를 제시한다. 이러한 위성은 지구 대기의 상부에 위치하며, 특별한 설계와 관리가 필요하다.
이러한 기술들은 위성의 설계, 제작, 발사, 운영에 중요한 역할을 하며, 각각의 위성 목적에 따라 다양한 방식으로 적용된다.
군사위성
군사위성은 특정 군사적 목적을 위해 사용되는 인공위성이다. 이들은 주로 정보 수집, 항해, 군사 작전 지원 등을 목적으로 운영된다.
이 위성들은 다양한 궤도에 위치할 수 있으며, 그 위치는 감시 또는 통신의 목적에 따라 달라진다. 일반적으로 저지구 궤도, 중지구 궤도, 또는 정지궤도에 배치된다.
주요 용도는 정보 수집(예: 적의 움직임 관찰), 통신(군사 네트워크 지원), 항법(정밀한 위치 정보 제공), 그리고 때로는 대상 추적 및 조준을 위한 것이다.
이들 위성은 고급 이미징 기술, 통신 장비, 항법 시스템, 그리고 때때로 원격 감지 기술을 포함한다. 이 기술들은 지상의 세부적인 활동을 감시하고, 데이터를 실시간으로 전송하는 데 사용된다.
군사 위성의 종류에는 정찰 위성, 통신 위성, 항법 위성 등이 있다. 정찰 위성은 적 지역의 활동을 감시하고 사진을 찍는 데 사용되며, 통신 위성은 군사 통신망을 지원하고, 항법 위성은 GPS 같은 시스템으로 위치 정보를 제공한다.
인공위성과 우주 쓰레기
인공위성은 지구 궤도에 배치되어 다양한 목적으로 사용되는 인공 물체이다. 이들은 통신, 기상 관측, 탐사, 군사 등의 용도로 활용된다. 그러나, 이러한 인공위성이 수명을 다하거나 고장이 나면 ‘우주 쓰레기’가 된다. 우주 쓰레기는 폐기된 인공위성, 로켓의 일부, 그리고 이들이 충돌하여 생긴 파편 등을 포함한다.
우주 쓰레기의 문제는 그 크기와 속도에 있다. 작은 크기의 쓰레기라도 지구 주변을 시속 수만 킬로미터로 돌고 있어, 현재 운영 중인 인공위성이나 우주선과의 충돌 위험을 높인다. 이러한 충돌은 더 많은 쓰레기를 만들어 ‘케슬러 증후군’이라 불리는 연쇄 충돌 반응을 일으킬 수 있다.
해결책으로는 우주 쓰레기를 줄이는 기술 개발, 우주 규정의 강화, 우주 쓰레기 회수 및 제거 방법 등이 연구되고 있다. 예를 들어, 에스토니아는 우주 쓰레기를 적게 만드는 기술을 탑재한 인공위성을 개발했다. 또한, 인공위성의 태양 빛 반사를 줄이거나 우주 그물을 이용해 쓰레기를 수거하는 기술도 개발 중이다.
결론
인공위성은 현대사회에서 통신 기상 군사 분야에서 없어서는 안 될 필수적인 기술이다. 인공위성에 첨단 과학기술을 적용하여 다방면에서 이용되고 있다 특히 적성 국가의 군사 상황을 파악할 수 있는 뛰어난 수단이다.
특히 한국은 북한과 대치하고 있는 상황에서 북한의 군 상황과 미사일 발사 등 남침의 기회를 미리 파악하여 선제적으로 대응할 수 있는 체계를 갖추는 것이 매우 중요하다.
따라서 인공위성의 끊임없는 기술 개발로 뛰어난 성능의 인공위성을 가지고 있어야 할 것이다.