인공위성전쟁 [Newton Special]

[Newton Special] 인공위성 전쟁 세계 각국의 ‘경쟁’과 ‘협력’이 우주 개발의 새로운 미래를 열다

세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호가 발사된 것은 1957년. 그로부터 약 65년간 세계 각국은 인공위성 개발과 발사에서 격전을 벌이고 있다. 개발된 각종 인공위성은 방송과 통신, GPS 등에 이용됨으로써 우리의 일상생활을 유지하는 한편 우주의 신비로운 모습을 포착해 보내주고 있다. 그러나 한편 우주는 군사적 경쟁의 장이기도 하다. 미래에 위성끼리 서로 공격하는 이른바 우주전쟁이 일어날 가능성까지 제기된다. 인공위성의 기초부터 최신 정보까지 각국의 경쟁에 초점을 맞추어 소개하는 인공위성과 우주개발의 역사

인공위성 개발 경쟁은 냉전에서 비롯되었다

1957년 10월 4일, 「소비에트 사회주의 공화국 연방」(소련)이 세계 최초의 인공 위성 「스푸트니크 1호」를 발사했다. 당시 소련과 냉전 상태에 있던 미국도 이듬해인 1958년 인공위성 익스플로러 1호를 발사하는 동시에 미 항공우주국(NASA)을 설립했다.

1960년부터 1970년대 초까지 미국과 소련은 앞다퉈 다양한 인공위성을 발사했다. 또 유인우주계획과 우주정거장 개발에도 양국은 치열한 경쟁을 벌였다.

그리고 이 시기에 영국(1962년 4월), 캐나다(1962년 말), 이탈리아(1964년), 프랑스(1965년) 등 세계 각국도 인공위성 발사에 성공했다. 일본도 1970년 2월 인공위성 오스미 발사에 성공했고 약 2개월 뒤에는 중국이 둥팡훙 1호 발사에 성공했다. 한국은 1992년 대한민국 최초의 인공위성 우리별 1호를 성공적으로 발사했다.

●경제뿐 아니라 국제협력도 우주개발 원동력

1970년대 중반 냉전의 긴장이 일시적으로 완화되었다. 그 상징과도 같은 사건이 아폴로와 소유스의 도킹 실험(1975년)이다. 이는 국제협력에 의한 미션의 선구가 되기도 했다. 냉전 종식 후에는 많은 국제협력 미션이 이루어졌으며, 그러한 국제협력 미션의 큰 성과 중 하나가 ‘국제우주정거장'(ISS.1988 ㄴ노 건설 개시, 2011년 완성)이다. 국제우주정거장의 건설과 운용에는 미국과 러시아, 일본, 캐나다, ESA(유럽우주기구)도 참가했다.

1980년대 이후의 큰 화두는 미국의 우주개발을 유지한 우주왕복선 계획이다. 획기적인 성능으로 천문학에 큰 진보를 가져온 ‘허블우주망원경(1990년 발사)’의 발사, 수리, 유지에는 모두 우주왕복선이 사용됐다.

2011년 우주왕복선 운용이 종료된 이후 미국에는 ‘유인우주선’이 없었다. 그 상황을 바꿔 2020년 민간기업으로 시작해 유인우주비행에 성공한 회사가 ‘스페이스X’다. 향후 우주 개발에서는 스페이스X와 같은 민간 기업이 큰 영향력을 가질 것으로 보인다.

중국의 영향력도 확대될 것으로 보인다. 중국은 2000년경부터 활발하게 우주개발에 참여해 유인비행과 달 탐사, 우주정거장 개발 등에 독자적으로 몰두하고 있다.각국의 인공 위성 세계 각국의 위성이 지구를 에워싼다

스푸트니크 이해 2021년 현재까지 많은 국가, 조직, 기업의 인공위성이 발사되고 있다. 유엔우주공간평화이용위원회(UNOOSAUnited Nations Office for Outer Spaceaffairs) 웹사이트에 따르면 발사된 우주기(인공위성 외에 탐사기, 우주정거장 등 우주공간을 비행하는 물체의 총칭) 중 현재 궤도상에 있는 것은 7500대 이상으로 추정되고 있다(운용상황을 공표하지 않은 우주기도 있어 정확한 수는 알 수 없다.

현재 궤도상에 있는 우주기 가운데 미국 것이 4000대 가까이 될 것으로 추정되고 있다. 2위인 러시아가 1500대 정도인 점을 감안하면 미국은 압도적인 우주강국이라 할 수 있다. 이후 중국 영국 일본 인도 등이 이어진다.

고도에 따라 위성의 궤도는 네 종류로 나뉜다

인공위성의 궤도 고도는 저궤도(고도 200~2000km), 중궤도(2000~3만5786km), 정지궤도, 고궤도(3만5786km 이상) 등 4개로 분류된다. 정지궤도란 적도 바로 위, 고도 3만5786km를 도는 궤도를 말한다. 이 궤도에 들어간 위성은 지구의 자전과 같은 속도로 지구 주위를 돌기 때문에 지구에서 보면 하늘의 한 점에서 정지해 있는 것처럼 보인다.

궤도는 위성의 용도에 따라 구분한다. 예를 들어 지표를 자세히 관찰하는 위성이나 다른 나라의 시설을 정찰하는 위성은 가능한 지표 근처에서 관측하는 것이 좋을 것이다. 그래서 그런 위성들은 대부분 저궤도에 투입된다. 한편 통신위성의 일부나 기상위성 등 어느 특정 지역에 서비스를 상시 제공하는 위성은 그 지역 상공에 항상 머물도록 정지궤도에 투입하는 경우가 많다. 과학위성이나 지국관측위성은 목적으로 하는 관측에 의해서 복수의 궤도를 가지는 것이다.

최근에도 인공위성의 수는 갈수록 늘고 있다. 예를 들어 미국 스페이스X는 통신위성을 4만여 대 발사하는 스타링크라는 계획을 추진하고 있는데 이미 1500여 대의 스타링크 위성이 운용 중이다.

인공위성의 궤도

정지궤도 태양동기궤도 회귀궤도 목적에 맞는 궤도요소 선택 중요

인공위성의 궤도는 타원이다. 거의 원에 가까운 궤도를 도는 위성이 있는가 하면 가늘고 긴 타원을 그리며 지구에서 멀어진 가까워졌다는 위성도 있다.

궤도 주기, 즉 지구를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 궤도 고도로 정해지며 높이 날고 있는 위성일수록 주기가 길어진다. 예를 들어 고도 300킬로미터의 저궤도라면, 1바퀴는 약 90분이다.

인공위성을 발사해 어떤 궤도에 올린다는 것은 궤도인 타원의 가늘고 긴 정도(이심률), 고도(궤도 긴 반경), 적도면에 대한 궤도 기울기(궤도 경사각) 등의 ‘궤도 요소’를 택한다는 것이다. 인공위성이 취하는 궤도는 다종다양하다. 여기서는 자주 사용되는 궤도를 소개한다.

궤도 불안정을 이용한 태양동기궤도

고도가 약 3만6000㎞인 인공위성이 지구를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간과 지구가 한 번 자전하는 데 걸리는 시간이 같다. 따라서 그 위성이 적도 상공을 날면 지표로 볼 때 그 위성은 한 점에 정지하는 셈이다. 이것이 「정지 궤도」이다. 어떤 지역에 전파방송을 하는 방송위성이나 어떤 지역의 기상을 감시하는 기상위성 등에 적합한 궤도이다.

지구는 완전한 구체가 아니기 때문에 지구의 중력은 구체에 의한 중력과 어긋난다. 그러면 위성의 궤도면은 매우 느리지만 마치 회전하는 팽이의 축처럼 흔들린다. 이 현상을 세차운동이라고 한다. 세차를 제대로 이용한 것이 태양 동기 궤도다. 태양동기궤도는 남극권과 북극권 상공을 통과하는 극궤도의 일종으로 지국의 태양 주위를 한번 공전할 때(1년) 태양동기 궤도면도 지구를 한 바퀴 돈다. 그러면 태양과 위성의 궤도면이 이루는 각도가 항상 일정해지고, 이 특징을 살리면 지구의 밤과 낮 경계선상을 주회하면서 즉 주위를 빙 돌며 태양을 계속 관찰할 수 있다.

회귀 궤도도 세차를 이용하는 궤도다. 회귀궤도에서는 한 지역 상공을 매일 통과하도록 세차와 궤도 주기를 선택한다. 한편 어떤 지역의 상공을 며칠마다 통과하는 궤도를 준회귀궤도라고 한다.

각국의 로켓 발사장 로켓 발사에 적합한 발사장의 입지 조건은?

인공위성을 발사할 때는 로켓으로 충분히 가속해야 한다. 인공위성을 지구 주회궤도에 투입하기 위한 최저속도를 제1우주속도라고 하며 초속 약 8km다. 그 정도의 고속으로 가속하기 위해 폐연료탱크를 끄는 ‘다단식’을 적용하는 방법 등 로켓에는 다양한 기술적인 방안이 강구되고 있다.

발사 시 지구의 자전을 이용하는 것도 방법이다. 자선에 의한 지표면의 속도가 가장 빠른 적도 위에서 지구는 음속(초속 약 340m)보다 빠른 초속 약 460m로 동쪽을 향해 돌고 있다. 따라서 적도 부근에서 동쪽으로 로켓을 발사하면 지구의 자전에 밀려 연료를 절약할 수 있다. 로켓 발사장은 가능하면 저위도로 건설하는 것이 이득이라고 할 수 있는 것이다.

예를 들어 프랑스 국립우주센터가 소유한 로켓 발사장 ‘기아나 우주센터’는 북위 5.3°로 매우 저위도인 남아프리카대륙의 프랑스령 기아나에 있다. 이외에도 로켓 발사장은 인근에 바다가 열려 있는 것처럼 필요한 몇 가지 입지 조건이 있다. 각국은 입지조건을 최대한 충족하는 위치에 발사장을 건설하고 있다.

바이코누르 우주 기지는 바이코누르에 없다

세계 최대의 인공위성 강국인 미국은 국내에 여러 개의 발사장을 갖고 있다. 그중 플로리다주에 있는 ‘케네디 우주센터'(북위 28.524°)는 아폴로 시리즈와 우주왕복선 발사로 유명하다. 또 인접한 ‘케이프커내버럴 우주군 시설’도 군용과 상용 등 여러 인공위성을 발사하고 있다.

러시아가 운용하는 바이코누르 우주기지(북위 45.965 소재 카자흐스탄 공화국)는 소련 시절 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호와 유인우주선 보이스톡 발사로 세계에 알려졌다. 북위 약 46°는 구소련에서는 비교적 저위도이다. 바이코누르는 지명이지만 실제로 우주기지가 있는 튜라탐이라는 도시는 바이코누르에서 약 320㎞나 떨어진 곳에 있다. 비밀을 유지하려던 소련은 스푸트니크의 진짜 발사 장소를 숨기기 위해 바이코누르라고 명명한 것이다.

일본의 주요 로켓 발사장은 우치노우라 우주공간관측소(북위 31.251°)와 다네가시마 우주센터(북위 30.40°)도 일본에서 상당히 저위도인 가고시마 현에 있다. 우리나라 우주센터인 ‘나로우주센터(북위 34.26°0)’는 발사장 주변 안전성과 우주발사체 비행 영역 및 추진체별 낙하지역의 안전 영역 확보를 최우선으로 고려해 영토에서 저위도이면서 바다와 근접한 전남 고흥에 세워졌다.국제 우주 스테이션 국제 협력의 결정, 「국제 우주 스테이션」. 「최대 인공 위성」은 향후 어떻게 될까.

국제우주정거장은 미국 러시아 일본 캐나다 ESA의 협력으로 건조된 사상 최대의 유인 인공위성이다. 첫 번째 모듈(구성요소)이 19

[Newton Special] 인공위성 전쟁 세계 각국의 ‘경쟁’과 ‘협력’이 우주 개발의 새로운 미래를 열다

세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호가 발사된 것은 1957년. 그로부터 약 65년간 세계 각국은 인공위성 개발과 발사에서 격전을 벌이고 있다. 개발된 각종 인공위성은 방송과 통신, GPS 등에 이용됨으로써 우리의 일상생활을 유지하는 한편 우주의 신비로운 모습을 포착해 보내주고 있다. 그러나 한편 우주는 군사적 경쟁의 장이기도 하다. 미래에 위성끼리 서로 공격하는 이른바 우주전쟁이 일어날 가능성까지 제기된다. 인공위성의 기초부터 최신 정보까지 각국의 경쟁에 초점을 맞추어 소개하는 인공위성과 우주개발의 역사

인공위성 개발 경쟁은 냉전에서 비롯되었다

1957년 10월 4일, 「소비에트 사회주의 공화국 연방」(소련)이 세계 최초의 인공 위성 「스푸트니크 1호」를 발사했다. 당시 소련과 냉전 상태에 있던 미국도 이듬해인 1958년 인공위성 익스플로러 1호를 발사하는 동시에 미 항공우주국(NASA)을 설립했다.

1960년부터 1970년대 초까지 미국과 소련은 앞다퉈 다양한 인공위성을 발사했다. 또 유인우주계획과 우주정거장 개발에도 양국은 치열한 경쟁을 벌였다.

그리고 이 시기에 영국(1962년 4월), 캐나다(1962년 말), 이탈리아(1964년), 프랑스(1965년) 등 세계 각국도 인공위성 발사에 성공했다. 일본도 1970년 2월 인공위성 오스미 발사에 성공했고 약 2개월 뒤에는 중국이 둥팡훙 1호 발사에 성공했다. 한국은 1992년 대한민국 최초의 인공위성 우리별 1호를 성공적으로 발사했다.

●경제뿐 아니라 국제협력도 우주개발 원동력

1970년대 중반 냉전의 긴장이 일시적으로 완화되었다. 그 상징과도 같은 사건이 아폴로와 소유스의 도킹 실험(1975년)이다. 이는 국제협력에 의한 미션의 선구가 되기도 했다. 냉전 종식 후에는 많은 국제협력 미션이 이루어졌으며, 그러한 국제협력 미션의 큰 성과 중 하나가 ‘국제우주정거장'(ISS.1988 ㄴ노 건설 개시, 2011년 완성)이다. 국제우주정거장의 건설과 운용에는 미국과 러시아, 일본, 캐나다, ESA(유럽우주기구)도 참가했다.

1980년대 이후의 큰 화두는 미국의 우주개발을 유지한 우주왕복선 계획이다. 획기적인 성능으로 천문학에 큰 진보를 가져온 ‘허블우주망원경(1990년 발사)’의 발사, 수리, 유지에는 모두 우주왕복선이 사용됐다.

2011년 우주왕복선 운용이 종료된 이후 미국에는 ‘유인우주선’이 없었다. 그 상황을 바꿔 2020년 민간기업으로 시작해 유인우주비행에 성공한 회사가 ‘스페이스X’다. 향후 우주 개발에서는 스페이스X와 같은 민간 기업이 큰 영향력을 가질 것으로 보인다.

중국의 영향력도 확대될 것으로 보인다. 중국은 2000년경부터 활발하게 우주개발에 참여해 유인비행과 달 탐사, 우주정거장 개발 등에 독자적으로 몰두하고 있다.각국의 인공 위성 세계 각국의 위성이 지구를 에워싼다

스푸트니크 이해 2021년 현재까지 많은 국가, 조직, 기업의 인공위성이 발사되고 있다. 유엔우주공간평화이용위원회(UNOOSAUnited Nations Office for Outer Spaceaffairs) 웹사이트에 따르면 발사된 우주기(인공위성 외에 탐사기, 우주정거장 등 우주공간을 비행하는 물체의 총칭) 중 현재 궤도상에 있는 것은 7500대 이상으로 추정되고 있다(운용상황을 공표하지 않은 우주기도 있어 정확한 수는 알 수 없다.

현재 궤도상에 있는 우주기 가운데 미국 것이 4000대 가까이 될 것으로 추정되고 있다. 2위인 러시아가 1500대 정도인 점을 감안하면 미국은 압도적인 우주강국이라 할 수 있다. 이후 중국 영국 일본 인도 등이 이어진다.

고도에 따라 위성의 궤도는 네 종류로 나뉜다

인공위성의 궤도 고도는 저궤도(고도 200~2000km), 중궤도(2000~3만5786km), 정지궤도, 고궤도(3만5786km 이상) 등 4개로 분류된다. 정지궤도란 적도 바로 위, 고도 3만5786km를 도는 궤도를 말한다. 이 궤도에 들어간 위성은 지구의 자전과 같은 속도로 지구 주위를 돌기 때문에 지구에서 보면 하늘의 한 점에서 정지해 있는 것처럼 보인다.

궤도는 위성의 용도에 따라 구분한다. 예를 들어 지표를 자세히 관찰하는 위성이나 다른 나라의 시설을 정찰하는 위성은 가능한 지표 근처에서 관측하는 것이 좋을 것이다. 그래서 그런 위성들은 대부분 저궤도에 투입된다. 한편 통신위성의 일부나 기상위성 등 어느 특정 지역에 서비스를 상시 제공하는 위성은 그 지역 상공에 항상 머물도록 정지궤도에 투입하는 경우가 많다. 과학위성이나 지국관측위성은 목적으로 하는 관측에 의해서 복수의 궤도를 가지는 것이다.

최근에도 인공위성의 수는 갈수록 늘고 있다. 예를 들어 미국 스페이스X는 통신위성을 4만여 대 발사하는 스타링크라는 계획을 추진하고 있는데 이미 1500여 대의 스타링크 위성이 운용 중이다.

인공위성의 궤도

정지궤도 태양동기궤도 회귀궤도 목적에 맞는 궤도요소 선택 중요

인공위성의 궤도는 타원이다. 거의 원에 가까운 궤도를 도는 위성이 있는가 하면 가늘고 긴 타원을 그리며 지구에서 멀어진 가까워졌다는 위성도 있다.

궤도 주기, 즉 지구를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 궤도 고도로 정해지며 높이 날고 있는 위성일수록 주기가 길어진다. 예를 들어 고도 300킬로미터의 저궤도라면, 1바퀴는 약 90분이다.

인공위성을 발사해 어떤 궤도에 올린다는 것은 궤도인 타원의 가늘고 긴 정도(이심률), 고도(궤도 긴 반경), 적도면에 대한 궤도 기울기(궤도 경사각) 등의 ‘궤도 요소’를 택한다는 것이다. 인공위성이 취하는 궤도는 다종다양하다. 여기서는 자주 사용되는 궤도를 소개한다.

궤도 불안정을 이용한 태양동기궤도

고도가 약 3만6000㎞인 인공위성이 지구를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간과 지구가 한 번 자전하는 데 걸리는 시간이 같다. 따라서 그 위성이 적도 상공을 날면 지표로 볼 때 그 위성은 한 점에 정지하는 셈이다. 이것이 「정지 궤도」이다. 어떤 지역에 전파방송을 하는 방송위성이나 어떤 지역의 기상을 감시하는 기상위성 등에 적합한 궤도이다.

지구는 완전한 구체가 아니기 때문에 지구의 중력은 구체에 의한 중력과 어긋난다. 그러면 위성의 궤도면은 매우 느리지만 마치 회전하는 팽이의 축처럼 흔들린다. 이 현상을 세차운동이라고 한다. 세차를 제대로 이용한 것이 태양 동기 궤도다. 태양동기궤도는 남극권과 북극권 상공을 통과하는 극궤도의 일종으로 지국의 태양 주위를 한번 공전할 때(1년) 태양동기 궤도면도 지구를 한 바퀴 돈다. 그러면 태양과 위성의 궤도면이 이루는 각도가 항상 일정해지고, 이 특징을 살리면 지구의 밤과 낮 경계선상을 주회하면서 즉 주위를 빙 돌며 태양을 계속 관찰할 수 있다.

회귀 궤도도 세차를 이용하는 궤도다. 회귀궤도에서는 한 지역 상공을 매일 통과하도록 세차와 궤도 주기를 선택한다. 한편 어떤 지역의 상공을 며칠마다 통과하는 궤도를 준회귀궤도라고 한다.

각국의 로켓 발사장 로켓 발사에 적합한 발사장의 입지 조건은?

인공위성을 발사할 때는 로켓으로 충분히 가속해야 한다. 인공위성을 지구 주회궤도에 투입하기 위한 최저속도를 제1우주속도라고 하며 초속 약 8km다. 그 정도의 고속으로 가속하기 위해 폐연료탱크를 끄는 ‘다단식’을 적용하는 방법 등 로켓에는 다양한 기술적인 방안이 강구되고 있다.

발사 시 지구의 자전을 이용하는 것도 방법이다. 자선에 의한 지표면의 속도가 가장 빠른 적도 위에서 지구는 음속(초속 약 340m)보다 빠른 초속 약 460m로 동쪽을 향해 돌고 있다. 따라서 적도 부근에서 동쪽으로 로켓을 발사하면 지구의 자전에 밀려 연료를 절약할 수 있다. 로켓 발사장은 가능하면 저위도로 건설하는 것이 이득이라고 할 수 있는 것이다.

예를 들어 프랑스 국립우주센터가 소유한 로켓 발사장 ‘기아나 우주센터’는 북위 5.3°로 매우 저위도인 남아프리카대륙의 프랑스령 기아나에 있다. 이외에도 로켓 발사장은 인근에 바다가 열려 있는 것처럼 필요한 몇 가지 입지 조건이 있다. 각국은 입지조건을 최대한 충족하는 위치에 발사장을 건설하고 있다.

바이코누르 우주 기지는 바이코누르에 없다

세계 최대의 인공위성 강국인 미국은 국내에 여러 개의 발사장을 갖고 있다. 그중 플로리다주에 있는 ‘케네디 우주센터'(북위 28.524°)는 아폴로 시리즈와 우주왕복선 발사로 유명하다. 또 인접한 ‘케이프커내버럴 우주군 시설’도 군용과 상용 등 여러 인공위성을 발사하고 있다.

러시아가 운용하는 바이코누르 우주기지(북위 45.965 소재 카자흐스탄 공화국)는 소련 시절 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호와 유인우주선 보이스톡 발사로 세계에 알려졌다. 북위 약 46°는 구소련에서는 비교적 저위도이다. 바이코누르는 지명이지만 실제로 우주기지가 있는 튜라탐이라는 도시는 바이코누르에서 약 320㎞나 떨어진 곳에 있다. 비밀을 유지하려던 소련은 스푸트니크의 진짜 발사 장소를 숨기기 위해 바이코누르라고 명명한 것이다.

일본의 주요 로켓 발사장은 우치노우라 우주공간관측소(북위 31.251°)와 다네가시마 우주센터(북위 30.40°)도 일본에서 상당히 저위도인 가고시마 현에 있다. 우리나라 우주센터인 ‘나로우주센터(북위 34.26°0)’는 발사장 주변 안전성과 우주발사체 비행 영역 및 추진체별 낙하지역의 안전 영역 확보를 최우선으로 고려해 영토에서 저위도이면서 바다와 근접한 전남 고흥에 세워졌다.국제 우주 스테이션 국제 협력의 결정, 「국제 우주 스테이션」. 「최대 인공 위성」은 향후 어떻게 될까.

국제우주정거장은 미국 러시아 일본 캐나다 ESA의 협력으로 건조된 사상 최대의 유인 인공위성이다. 첫 번째 모듈(구성요소)이 19