우주라는 공간을 생각 할 때 가장 먼저 영화에서 보던 멋진 우주선들이 생각난다. 그 다음 순서로 떠오르는 것은 인공위성이다.

인공위성은 사람들이 우주에 가지 못하는 시절부터 지구 밖에서 자리를 지키며 우리를 굽어보고 있었다.

인공위성은 어떤 것들이 있고, 어디에 있을까?

인공위성의 종류

인공위성의 종류는 임무, 형상, 안정화 방식 그리고 궤도와 같이 4 가지 방법으로 나눌 수 있다.

임무에 따라서 인공위성을 나누자면, 크게 실용위성과 과학위성으로 나눌 수 있다.

실용위성의 경우 우리의 일상 생활과 밀접하게 관련이 있는 위성들로 삶게 가장 밀접하게 연관된 통신 및 방송 위성을 비롯해 기상위성 등을 뽑을 수 있다.

과학위성의 경우 대표적으로 행성 탐사용 위성과 지구환경 측정용 위성이 있고, 여러 과학 실험이 진행되고 있는 우주정거장도 포함된다.

인공위성을 임무에 따라서 나누는 방법도 있지만, 형상이나 안정화 방식에 따라서도 나눌 수 있다.

위성의 형상은 궤도, 탑재체의 종류나 위성체의 안정화 방식, 기존에 존재하는 위성들과의 호환성(혹은 양립성)에 따라 결정된다.

형상은 박스형과 원통형이 있는데, 박스형의 경우 3축 안정화를 위한 형상이고 원통형은 회전 안정화를 위한 형상이다.

안정화 방식은 위성의 형상 분류에서 잠깐 살펴본 바와 같이 두 가지 대표적인 안정화 방식인 회전 안정화 방식과 3축 안정화 방식의 위성을 비롯해서 중력구배 안정화 방식과 자기 안정화 방식을 사용하는 위성 등이 있다.

가장 널리 쓰이는 안정화 방식은 3축 안정화 방식인데, 정확하고 빠른 제어가 가능한 반면 반응이 너무 빠르고 비용이 많이 든다는 단점이 있다.

대체로 박스 형사의 위성에서 채택되는 안정화 방식으로, 위성 내부에 회전하는 반작용 휠을 통해 회전 강성을 얻어 위성을 안정화 시킨다.

원통형 몸체를 가지는 위성은 회전 안정화 방식을 채택하는데, 위성 몸체의 축을 중심으로 팽이팽 돌 듯 등속도로 회전시키면서 자세를 안정화 시킨다.

방식이 간단하고 어떠한 방향으로도 안정화가 가능하다는 장점이 있지만, 안테나와 센서를 비롯한 태양전지판이 관성목표를 향하게 조정할 수 없다는 단점도 존재한다.

위성과 궤도

인공위성이 우주로 진입하면 지구를 중심으로 움직이는데, 이 때 위성이 지나가는 길을 궤도라고 한다. 위성의 궤도는 4 가지 종류로 저 궤도, 중궤도, 정지궤도, 타원궤도(몰니야 궤도)가 그것들이다.

저궤도는 인공위성이 지구와 가깝게 떠 있을 때 지나는 길인데, 통상적으로 160km에서 2,000km 사이를 지칭한다.

위성이 같은 해상도의 카메라를 장착하고 있을 때, 낮은 고도에 있다면 더 선명한 사진을 얻을 수 있다. 그러나 낮은 궤도에서는 공기 저항의 영향을 더 크게 받고 고도 유지에 더욱 많은 연료를 소모할 필요가 있다. 따라서 인공위성의 수명이 줄어드는 단점이 존재했다.

최근에는 전자-광학 기술의 발달로 더욱 높은 고도에서도 선명한 사진을 찍을 수 있게 되면서 고도가 점점 높아져 대부분의 저궤도 위성들이 500km 이상에서 운용되고 있다. 저궤도 위성들은 궤도를 따라 공전함에 있어 1시간 30분에서 2시간 정도의 짧은 주기로 하루에 10 번 정도 공전한다.

중궤도는 지구에서부터 2,000~36,000km 사이의 궤도를 일컫는데, 고도 10,000km를 기준으로 위성의 공전주기는 6시간 정도다.

중궤도에는 밴 앨런 대라는 영역이 존재하는데, 이 영역에는 고에너지 입자들이 집약되어 있어 전파통신 장애를 유발할 수 있다. 따라서 인공위성의 활동에 제약이 생기는 것을 피하기 위해 중궤도 위성들은 주로 1,500~5,000km와 15,000~30,000km의 두 영역에 떠있다.

정지궤도는 인공위성의 공전주기를 지구의 자전주기인 23시간 56분 4초에 맞춘 궤도이다.

정지궤도를 도는 인공위성의 경우 주로 통신-방송위성과 기성위성으로 구성된다. 이것은 지구에서 보았을 때 인공위성이 항상 같은 위치에 떠 있는 것과 같은 상태로 유지되기 때문이다. 따라서 해당지역에서의 통신이나 관측을 위해서 안테나나 특정한 목적의 장치를 움직일 필요가 없이 고정된 지역에서 수명이 다할 때까지 지속적으로 임무를 수행한다.

고위도 지역은 정지궤도에 떠 있는 인공위성이 관찰하기 힘들다. 러시아와 같이 위도가 높은 지역을 지속적으로 관찰 하기 위해서는 인공위성을 고위도 지역을 오랫동안 관찰 할 수 있는 궤도에 올려주어야 한다.

타원궤도는 러시아 같은 지역을 관찰하기 위한 인공위성들의 궤도이다. 인공위성이 원궤도를 돌고 있을 때 속도를 증가시켜주면 타원궤도로 진입하게 된다. 속도의 증가분이 크면 클수록 더욱 길게 늘어난 타원궤도를 만들게 된다.

타원궤도의 원지점이 약 40,000km이고 근지점이 약 600km인 고타원 궤도를 몰니야 궤도라고도 한다 이 궤도의 장점은 다른 궤도보다 긴 12시간 정도의 공전을 통해 러시아 같은 고위도 지역에서 오랜 시간 머무를 수 있고, 해당 지역에서 앞서 살펴본 정지궤도의 위성들처럼 통신 및 관측 임무를 수행할 수 있다.