[상식한입+] 인공위성은 왜 쏘아올리는 걸까? (feat. 누리호)

[상식한입+] 인공위성은 왜 쏘아올리는 걸까? (feat. 누리호)

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🐱 IRIS
🐱 IRIS

어제 최초의 한국형 발사체인 누리호의 2차 발사가 성공해 우리나라가 세계 7대 우주 강국에 올라섰는데요. 누리호의 2차 발사는 우리나라 우주산업에 한 획을 긋는 사건인 것 같긴 한데, 최초의 한국형 발사체라는 것이 정확히 무엇이며, 인공위성이랑 발사체의 차이는 또 무엇인지 궁금하지 않으신가요?

인공위성이 무엇인지, 과거의 우주산업에 비해 최근의 우주산업은 어떤 차이가 있는지, 이와 관련된 우리나라의 최근 이슈에는 무엇이 있는지 등이 궁금하신 분들은 오늘 <상식 한 입+>에 주목해주세요!


인공위성이란?

인공위성의 정의

인공위성(Artificial Satellite)이란 로켓과 함께 지구에서 대기권 바깥으로 쏘아 올려진 후, 지구 표면 겉에 둥근 모양, 혹은 타원형의 궤도를 만들며 비행하는 위성과 같은 물체입니다. 위성이란 큰 물체 주변을 도는 작은 물체인데요. 쉽게 생각하면 인공위성은 인공적으로 만든 위성입니다. 세계 각국은 여러 목적으로 인공위성을 발사하는데요. 인공위성을 어디 사용하는지는 아래에서 더 자세히 다루겠습니다.

인공위성이 지구를 맴도는 원리
© 인공위성연구소

인공위성이 하늘 높은 곳까지 올라가기 위해서는 무게가 최대한 가벼워야겠죠. 보통 인공위성은 인공위성 발사체(로켓)와 함께 우주를 향해 쏘아 올려지는데요. 연료를 가득 채운 발사체는 무겁기 때문에, 연료를 다 사용하면 인공위성과 분리되어 버려집니다. 로켓 발사 장면을 보면 로켓이 분리면서 최종적으로는 조그마한 인공위성만 남는 것을 볼 수 있습니다. 이렇게 최종 단계의 인공위성만 남겨둔 채로, 발사체는 단계적으로 분리됩니다.

모든 분리가 이루어지고 남은 마지막 단의 인공위성은 가장 가벼운 상태로 지구 지표면과 평행하게 계산된 궤도를 따라 움직입니다. 인공위성처럼 지구 주변을 일정하게 도는 물체에는 두 가지 힘이 작용합니다. 지구로 인공위성을 잡아당기는 '중력'과 지구 밖으로 인공위성을 튕겨내는 힘 '원심력'입니다. 인공위성은 중력과 원심력이 정확히 같아지는 궤도에 위치하도록 발사됩니다. 덕분에 인공위성은 튕겨 나가거나 지구로 돌아오지 않고 지구 주변을 빙글빙글 돌 수 있죠.


인공위성 산업 현황 및 트렌드

앞서 알아본 인공위성은 어디에 이용될까요? 아래 그림은 세계 우주산업이 세부적으로 어떠한 영역으로 나뉘는지, 각각의 시장 크기는 어떠한지를 보여주고 있는데요. 회색 비위성 산업 영역을 제외한 위성산업 중에서도 파란색으로 표시된 '위성 서비스' 영역에 해당하는 사업들이 구체적인 인공위성의 사용처라고 볼 수 있습니다. 현재 인공위성 제작이나 발사체 산업에 해당하는 시장보다는, 인공위성을 활용하는 서비스를 제공하는 위성 서비스 시장이 훨씬 큰 것을 볼 수 있죠.

© Institute for International Trade
인공위성 활용 영역

인공위성의 주요 활용처는 크게 방송 통신, 기상, 지구관측, 항법/위치 정보 제공, 과학기술연구로 나뉩니다. 방송 통신의 영역에서는 TV, 라디오, 전화, 데이터 중개 등에 활용되며, 기상 영역에서는 날씨 정보, 허리케인 등 재난 정보 제공 및 구호 활동에 활용됩니다. 지구관측은 지표면 영상 촬영, 자원 탐사, 해수면 온도 및 해류 상태 관측, 대기 기온 및 습도 관측 등을 포함합니다. 이외에도 GPS 시스템을 위한 데이터를 제공하여 항법 및 위치 정보를 제공하며, 행성 탐사 및 천체 관측 등의 과학기술연구에도 활용됩니다.

요즘 인공위성 산업의 트렌드는?

① 우주산업의 '민간화'

우주산업은 전통적으로 정부 주도로 발전해왔습니다. 그러나 최근, 민간 기업들의 참여가 확대되고 있는 추세인데요. 과거의 우주산업을 의미하는 '올드 스페이스'에서는 정부가 주도하는 대형 프로젝트에서 정부가 주도적으로 대형 민간 업체의 하드웨어 부품을 구매하여 활용하는 형태로 우주산업이 발전해왔습니다.

최근의 민간화 트렌드를 반영하는 우주산업은 '뉴 스페이스'로 불립니다. 스타트업 등 민간 주체들이 주체적으로 우주산업에서 기회를 창출하고 있으며, 소형 위성 발사를 통해 위성 및 발사체 제작 비용을 줄이고 있습니다. 그렇기 때문에 뉴 스페이스에서의 우주 개발은 산업적 성격이 강하며 우리의 일상과 밀접한 통신 및 정보 분야에 초점이 맞춰져 있습니다.

© Institute for International Trade

② 인공 위성의 '소형화'

이렇게 민간 우주시대가 다가오면서 초소형 위성 또한 트렌드가 되고 있습니다. 초소형 위성은 말 그대로 거대하고 무거운 위성이 아닌 작은 위성인데요. 초소형 위성은 한꺼번에 여러개가 쏘아 올려진 뒤, 각각 통신망 구축 및 정보 수집에 활용됩니다. 아무래도 민간 기업이 비교적 저렴한 비용을 들여 개발할 수 있는 초소형 위성이 뉴스페이스에서 활용도가 더 높겠죠.

이러한 초소형 위성은 수명이 짧기 때문에 수명이 다하면 다시 새 초소형 위성을 쏘아 올려야 하는데요. 그러기 위해서는 인공위성 발사체가 여러 번 필요하겠죠. 그렇기 때문에 재활용할 수 있는 발사체도 주목을 받고 있습니다. 2016년, 일론 머스크의 스페이스X는 실제로 인공위성 발사 과정에서 활용되고 분리되었던 로켓을 회수함으로써 로켓 재활용의 시대를 열었습니다.

인공위성의 새로운 사용처

앞서 설명한 우주산업의 민간화 및 위성의 소형화 트렌드 때문에 '뉴 스페이스'에서의 우주 개발은 산업적 성격이 강하며, 우리의 일상과 밀접한 통신 및 정보 분야에 초점이 맞춰져 있습니다.

우선 통신 분야에서는 통신사 기지국의 역할을 대신하는 초소형 인공위성들이 케이블 매설이 어려운 곳에서의 빠른 인터넷 통신을 가능케 하고 있습니다. 정보 분야에서는 우주에서 얻을 수 있는 '빅데이터'의 중요성이 커지고 있는데요. 우주에서 위성을 통해 정밀 수집한 지구 데이터와 이를 분석하는 인공지능 기술 등이 발전하고 있습니다.

이러한 고도화된 분석 기술을 활용할 경우 전 세계 농작물의 현황을 파악함으로써 미래의 생산량을 예측하거나, 유조선의 변화 등을 포착함으로써 석유 생산량을 예측하는 등의 활동도 가능해집니다. 직접 접근이 힘든 지역의 사진 정보를 인공위성을 통해 확보할 수 있게 되었으며, 그렇게 수집한 데이터를 민간 산업에서 활용하기 시작한 것입니다.

이렇게 인공위성이 활용되는 영역이 구체화 되고, 단순 현황 파악 및 간단한 기상 예측 등에서 벗어나 빅데이터를 활용한 구체적 수치 예측까지 가능하다는 게 놀라운데요. 민간 IT기업들은 이러한 우주산업의 발전 가능성을 알아보고 발 빠르게 뛰어들며 위성 영상 데이터 사업을 시작하겠다고 밝힌 상태입니다.

KT SAT, 한컴인스페이스 등은 위성 데이터를 활용한 분석 서비스를 선보인다고 밝혔으며, 오비탈인사이트는 위성 영상을 인공지능을 활용하여 분석하는 플랫폼을 통해 유가 및 증권 시장에 예측 솔루션을 판매합니다. 원유의 비축량, 월마트 주차 차량 등 에너지에서 소매에 이르기까지 곳곳에 있는 정밀 데이터를 활용하여 사업체의 매출과 발전 속도를 예측하는 것입니다.


최근 국내 이슈: 누리호와 세종1호

한국형발사체 '누리호'

① 누리호 1차 발사 실패

우리나라가 독자적으로 개발한 인공위성은 이미 우주 궤도에 올라간 바가 있습니다. 세계 최초의 환경감시 위성인 '천리안위성 2B호'가 그 사례인데요. 그런데 이러한 위성을 우주로 보내기 위해 필요한 발사체(로켓)의 경우 주로 해외 기술에 의존해왔습니다. 최초로 발사체까지 국내의 독자적 기술로 개발한 한국형 발사체가 바로 21년 10월에 발사된 '누리호'인데요. 누리호를 설계 및 조립하기 위해서 한화에어로스페이스, 스페이스솔루션, 한양이엔지 등 국내 기업들 간의 협력이 이루어졌죠.

누리호는 21년 10월 발사되었고 목표 고도까지는 올라갔으나, 3단 엔진이 예측보다 일찍 연소되어 발사체가 담고 있던 위성모사체를 궤도에 올리지 못한 채로 추락하여 마지막 단계에서 실패하였습니다. 당시 3단 로켓이 521초 간 연소하며 위성모사체를 궤도에 안착시켜야 했으나 연소가 475초 동안만 지속되어 이후 속도가 급격히 떨어졌고, 이에 따라 지구 중력에 이끌려서 추락한 것입니다.

© 경향신문

② 1차 발사 실패 원인

엔진의 연소를 돕는 데는 연료가 잘 타게 도와주는 산화제가 쓰입니다. 발사체 안에는 산화제 탱크가 들어있는데요. 산화제가 엔진에 공급되는 경우 산화제 탱크 안의 압력이 떨어지기 때문에, 압력을 보충하기 위해서 산화제 탱크 안에 헬륨을 공급해주는 헬륨 탱크가 존재합니다.

누리호 로켓 3단 엔진의 조기 종료가 발생한 다양한 원인들 중에서도 산화제 탱크 내부에 장착된 헬륨탱크가 하부 고정부에서 이탈했다는 점, 그리고 산화제 탱크 내부에서도 균열이 생겨 산화제가 누설이 되었다는 점이 가장 결정적이었다고 꼽힙니다. 산화제 탱크에 균열이 생겨 산화제가 새니 제대로 연료가 연소될 수 없었겠죠. 이는 설계 과정에서의 부족함이 있었다고 판단되어, 누리호 2차 발사를 앞두고는 한국항공우주연구원이 설계를 보강했습니다.

© 중앙일보

③ 누리호 2차 발사 계획 및 목표

누리호의 2차 발사는 2022년 6월 16일에 예정되어 있었습니다. 하지만, 발사대에 누리호 설치까지 마치고 난 뒤 기술적인 점검을 거치는 과정에서 전자 제품의 이상을 발견하고 2차 발사를 미뤘습니다. 산화제 탱크에 들어간 산화제 양을 측정하는 감지기가 제대로 작동하지 않는다는 것인데요.

결국 누리호는 기술적 보완을 거쳐 6월 21일 발사되었고, 성공적으로 인공위성을 궤도에 안착시켰습니다. 이번 발사의 목표는 로켓 분리 단계에서 실패하지 않고 우주 공간에 안전히 진입하여 궤도에 위성을 안착시키는 과정까지를 검증하는 것이었습니다. 현재 인공위성은 700km 고도에서 지구 주위를 돌고 있으며, 남극세종기지와 교신에 성공하며 완벽한 발사 성공을 입증했습니다.

이번 누리호 2차 발사에는 1차 발사와는 다르게 위성모사체가 아닌 성능검증위성이 실렸는데요. 우리가 독자적으로 만든 발사체 뿐만 아니라 직접 개발한 위성까지 탑재했다는 점에서 그 의의가 있습니다. 성능검증위성을 궤도에 안착시키게 되면 이 안에서 4개의 소형 큐브 위성이 나오게 설계되어 있는데요. 4개의 초소형 위성은 각각 다른 대학 연구진으로부터 개발되었죠.

이 초소형 위성들은 지구 대기 관측, 미세먼지 모니터링 등의 구체적 임무를 수행하게 됩니다. 누리호 2차 발사의 성공으로 이제는 한국형발사체 개발 사업은 마무리되고, '한국형 발사체 고도화 사업'이 이어질 예정이죠. 누리호를 반복적으로 발사하며 한국형 발사체 기술의 신뢰성을 높이는 것이 목표입니다.

한컴그룹의 인공위성  '세종 1호' 발사

한컴그룹은 2022년 5월, 국내 최초로 지구 관측용 민간 인공위성인 '세종 1호'를 쏘아 올렸습니다. 세종 1호는 스페이스X의 팰컨9 로켓에 실려 발사되었으며, 성공적으로 궤도에 안착했습니다. 무게가 약 10-11kg 밖에 되지 않는 초소형 인공위성인 세종 1호는 약 90분에 한 번씩 지구를 돌며 관측 카메라로 지구 관측 데이터를 확보한다고 합니다.

기존에 한컴그룹이 인수한 한컴인스페이스는 자체적으로 보유한 민간 위성이 아닌 정부나 해외 기업이 운영하는 인공위성으로부터 이미지 데이터를 받아 처리해왔습니다. 하지만 이제 이번에 발사한 관측용 민간위성을 무인 드론 관제 플랫폼 등 자체적으로 보유한 기술과 연계해 우주에서 지상까지의 영상 데이터를 확보하고 분석해 판매하겠다는 계획입니다. 특히, 중동 지역 등 분쟁국가가 많은 지역을 선제적으로 공략하고, 순차적으로 건축, 교육 등의 분야로까지 확장해 나갈 것이라고 하죠.

누리호 발사를 성공적으로 마치며 우리나라의 위성산업은 올해에만 2개의 중요한 마일스톤을 달성했는데요. 2027년까지 4번의 추가 발사로 누리호는 더욱 신뢰도 높고 안정적인 발사체로 거듭나고자 합니다. 또한 정부는 우주산업 클러스터 육성을 위해 각종 지원을 아끼지 않겠다고 밝혔는데요. 앞으로 우리나라의 우주산업이 어떻게 발전해나갈지 관심을 갖고 지켜봐야겠습니다.


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