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똑똑한 소형위성이 몰려온다





스푸트니크 발사 50주년

<인공위성 초미니시대>
최근 스커트에 불고 있는 초미니 열풍이 인공위성에도 몰아치고 있다.
무리지어 지구 재난을 감시하고 고장난 위성을 수리하는 똑똑한 소형위성이 속속 등장하고 있다.
앞으로 주먹만한 초소형위성이 대형위성의 자리를 위협할 날도 머지않아 보인다.
세계 최초의 인공위성 스푸트니크 발사 50주년을 맞아 진정한 스푸트니크 후예들을 만나보자.
세계 소형위성 시장에서 위성 선진국을 놀라게 하는 한국발 스푸트니크 쇼크도 느껴보자.


<전세계 소형위성 퍼레이드>
‘작은 고추가 맵다’는 말처럼 우주에서 신기술을 검증하는 역할을 넘어 기존 중대형위성의 역할까지 넘보는 소형위성. 전세계 소형위성 개발 프로젝트를 살펴보자. 미국은 항공우주국(NASA)을 중심으로 단기간에 비교적 적은 예산으로 훌륭한 과학적인 성과를 얻을 수 있는 익스플로러, 디스커버리 같은 소규모위성사업을 활발하게 추진하고 있다. 유럽은 유럽우주기구(ESA)를 중심으로 행성탐사에 중점을 두고 위성을 개발하며, 특히 영국은 ‘모자이크 소형위성 프로그램’으로 재난을 감시하기 위한 소형위성군(DMC), 카메라 성능을 획기적으로 높인 소형정찰위성, 정지궤도 소형통신위성을 개발하고 있다. 또 전세계적으로 진행하고 있는 초소형위성 개발프로그램인 큐브샛 프로그램도 주목할 만하다. 위성을 수리하고 재급유하는 임무를 하는 프로그램, 초소형위성을 우주무기화하는 프로젝트도 조금씩 진행되고 있다.





[스푸트니크 충격으로 시작된 익스플로러 프로그램]
스푸트니크 1호의 발사 성공에 충격을 받은 미국이 1958년 1월 무게 13.9kg의 소형위성 익스플로러 1호를 발사함으로써 시작됐다. 익스플로러 1호는 밴앨런대?를 발견하는 업적을 남겼다. 그뒤 이 프로그램에 따라 지구 주위의 우주환경을 조사하기 위한 소형위성을 80여차례 발사했다.

갤렉스

특히 2003년 4월에 발사된 280kg의 우주관측위성 ‘갤렉스’는 연세대가 탑재체 개발에 참여했다. 올해 2월에는 126kg의 위성 5기로 구성된 ‘테미스’가 발사됐다. 오로라가 위성의 작동을 방해하거나 우주인의 건강에 미치는 영향을 분석하는 위성이다.

* 밴앨런대
지구 자기장에 의해 고에너지 대전입자가 모여 있는 방사능대.


테미스
먼 우주와 다른 행성을 보고 싶은 디스커버리 프로그램

주로 행성과 먼 우주를 탐사할 목적으로 개발된 위성 프로그램이다. 패스파인더와 스타더스트가 대표적인 예다. 1996년 12월 발사된 264kg의 패스파인더는 이듬해 7월 화성에 착륙해 다양한 탐사활동을 했고, 혜성의 먼지를 채취하는 임무를 맡은 300kg의 스타더스트도 1999년 2월에 발사된 뒤 성공적으로 임무를 다했으며 지난해 1월 채취한 샘플을 갖고 무사히 지구로 귀환했다. 스타더스트는 2005년 7월 혜성에 충돌하는 우주쇼를 벌인 ‘딥 임팩트’의 기술적 모태가 됐다.



새로운 우주기술 검증하는 뉴밀레니엄 프로그램
초소형위성 개발 프로젝트에는 NASA 뉴밀레니엄 프로그램의 지원을 받은 ‘스페이스 테크놀로지-5’(ST-5)가 눈에 띈다. 2006년 3월 발사된 25kg의 위성 3기로 구성된 ST-5는 3개월간 위성이 편대비행을 하는데 필요한 핵심기술을 검증했다. 3기의 위성은 소형이지만 전력·추진·통신·조향·항법·제어 기능을 모두 갖춰 서로 다른 위치에서 동시에 지구 자기장을 측정할 수 있음을 보여줬다. 소형 저가 위성군의 장점을 입증한 셈이다.


ST-5
달로 떠난 소형위성 스마트-1 프로젝트
행성탐사에 미국보다 더 열성을 보이는 유럽의 대표적인 프로그램이 스마트-1 프로젝트다. 스마트-1은 스웨덴이 설계한 달 궤도위성으로 2003년 9월 발사됐고 지난해 9월 달 표면에 충돌하며 파괴될 때까지 다양한 달 사진을 지구로 전송해 왔다. 특히 무게가 367kg인 소형위성임에도 크세논이온을 분사해 추진력을 얻는 이온엔진을 주 엔진으로 사용해 달까지 항해했다는 점에서 매우 획기적이라는 평가를 받고 있다.


1kg 정육면체 속 우주 큐브샛 프로그램
가로, 세로, 높이가 각각 10cm인 정육면체로 무게가 1kg인 초소형위성 큐브샛을 이용해 위성부품을 우주에서 인증하거나 우주실험용 또는 교육용 도구로 활용하려는 프로그램. 미국 칼폴리대와 스탠퍼드대가 최초로 제안하고 개발하기 시작했으며 현재 한국, 일본, 대만, 캐나다, 노르웨이 등의 각 대학에서 큐브샛을 개발하고 있다. 총 6기의 큐브샛이 2003년과 2007년 러시아의 발사체인 로콧과 디네플에 실려 성공적으로 발사됐다.



재난감시는 우리에게 맡겨라 DMC 프로젝트
영국이 소형관측위성 여러 기를 동시에 운용해 재난을 24시간 감시할 수 있도록 계획한 프로젝트다. 재난감시위성인 DMC 위성은 영국의 SSTL사가 주관하고 알제리, 나이지리아, 터키, 영국, 중국 5개국이 참여해 모두 5기를 개발했다. 2002년 알제리의 90kg짜리 알샛-1이, 2003년에는 나이지리아의 80kg짜리 나이지리아샛-1과 영국의 100kg짜리 UK-DMC가, 2005년 중국의 140kg짜리 베이징-1이, 2006년 터키의 130kg짜리 빌샛이 각각 발사됐다. 5기의 위성은 모두 해상도 30m급 이상인 카메라를 장착해 전세계 자연 재해를 24시간 감시할 수 있으며, 자원 탐사에도 쓰일 수 있다.


베이징-1
대형통신위성 자리 넘보는 제미니
제미니는 최초의 저가 소형 지구정지궤도 통신위성으로 나이지리아 과학기술부와 영국 국립우주센터의 지원을 받아 영국의 SSTL(Surrey Satellite Technology Ltd.)사가 개발하고 있다. 무게 400kg에 임무수명이 7년 정도인 이 위성은 나이지리아를 비롯한 서부아프리카 여러 나라에 통신서비스를 할 예정이다. 이 계획이 성공한다면 정지궤도 통신위성 시장에 새로운 바람이 불 것이다. 부유하지 않은 나라도 제미니 같은 소형통신위성을 쉽게 확보해 양질의 위성 서비스를 받을 수 있다.



작지만 매서운 우주의 눈 탑샛
영국 국방부와 국립우주센터의 지원으로 만들어진 무게 116kg의 탑샛은 2005년 10월 발사돼 그해 12월부터 유용한 정찰 영상을 보내오기 시작했다. 신형 광학카메라 덕분에 이 영상은 차와 트럭을 구별하기에 충분한 2.5m의 해상도를 보여줬다. 탑샛은 비슷한 능력의 중대형위성에 비해 개발비용이 20% 이하지만 고해상도 영상을 제공할 수 있기 때문에 전세계적으로 많은 관심을 끌고 있다. 참고로 776kg의 아리랑 2호가 촬영한 영상의 해상도가 1m급임을 감안하면 탑샛의 가격대 성능비는 탁월한 셈이다.







미래 위성개발 패러다임의 변화 오비탈 익스프레스
위성은 발사된 뒤 핵심부품이 고장나거나 연료가 다 떨어지면 못쓰게 된다. 하지만 미 공군은 NASA와 함께 첩보위성의 수명을 연장시키고 미국의 우주선과 우주망원경을 수리하기 위한 토대를 마련하고 있다. 바로 올해 3월 발사된 2개의 위성으로 구성된 오비탈 익스프레스다. 아스트로(ASTRO)라는 700kg짜리 서비스 위성과 224kg짜리 파트너 위성인 넥스트샛(NextSat)으로 이뤄진다. 아스트로는 136kg의 로켓연료용 하이드라진 추진제를 채우고, 넥스트샛에게 장비를 전달하기 위한 소형 로봇팔을 장착하고 있다. 두 위성은 랑데부한 뒤 아스트로는 하이드라진 연료를 넥스트샛에 주입하고 24kg의 배터리를 넥스트샛에 옮겨 설치했다. 또 넥스트샛의 고장난 주컴퓨터를 백업 컴퓨터로 교체하는데도 성공했다.







소형위성의 무서운 변신 우주무기
최근 소형위성을 우주무기로 활용하려는 연구가 미국, 중국, 러시아 등에서 진행되고 있다. 특히 미 공군은 2003년과 2005년에 ‘XSS-10, 11’이라는 초소형위성을 각각 쏘아올렸다. 28kg의 XSS-10은 초소형 통신시스템, 복합 카메라 등을 갖추고 있다. 델타 발사체 2단과 분리된 뒤 200m 거리로 떨어졌다가 2단에 100m 내로 다가가 영상을 포착하고 다시 35m내로 들어가 다른 영상을 찍었다. 임무의 목표는 아군 군사위성을 검사하고 정비할 수 있는 기술을 개발하는 것. 하지만 카메라 대신 무기를 장착한다면 XSS-10은 적 위성을 파괴하는 역할도 할 수 있다.













지금으로부터 50년 전인 1957년 10월 4일 미국 백악관은 침묵에 휩싸였다. 러시아(옛소련)가 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 지구 궤도에 올려놓는데 성공했기 때문이다. 러시아 타스통신(이타르타스통신의 전신)은 의기양양해하며 ‘인류의 크나큰 꿈을 실현하는 새로운 사회주의 인민들의 선진적이고 지각적인 노동’이라고 전세계에 타전했다.

스푸트니크 1호는 지름 58cm에 무게 83.6kg으로 덩치도 작았고 단순히 전파를 발신하는 수준이었으며 수명도 그리 길지 못해 이듬해 1월 4일 지구 대기에서 불타며 소멸했다. 그러나 스푸트니크의 성공은 우주시대의 개막을 알린 신호탄이었다. 그뒤 인류는 지구 주위를 뒤덮을 정도로 수많은 스푸트니크의 후예를 쏘아올렸다. 최근에는 중대형위성에 버금가는 능력을 가진 소형위성이 몰려오고 있다.

지금까지 소형위성은 검증되지 않아 위험 부담이 큰 첨단기술을 우주공간에서 저비용으로 시험하는데 초점을 맞춰 왔다. 하지만 점차 신기술을 검증하는 역할을 넘어 기존 중대형위성의 역할까지 할 것이라는 게 일반적인 전망이다. 또 소형위성만의 특징으로 기존 위성개발의 패러다임을 변화시킬 것이라는데 이견이 없다.



20 대 80 법칙


지난 3월 발사된 2개의 위성으로 이뤄진 미국의 오비탈 익스프레스. 두 위성은 랑데부한 뒤 연료를 재보급하고 고장난 주컴퓨터를 교체했다.

보통 무게가 500kg 이하인 위성을 소형위성이라고 한다. 소형위성은 무엇보다도 그 크기가 작다는 특징이 있으며 크기에 비해 효용성과 기술적 파급효과가 크다는 점이 가장 큰 매력이다.

위성의 크기가 작아진다고 그 역할까지 작아진다는 뜻이 결코 아닌 셈이다. 미니스커트나 초미니스커트도 스커트이듯이 소형위성 역시 중대형위성의 역할을 할 수 있다. 소형위성은 지구관측, 저궤도 위성 이동통신, 우주과학실험처럼 거의 전분야에 응용된다.
아직 소형위성이 대형위성의 성능을 100% 동일하게 구현하지는 못한다. 예를 들어 우주에서 지구 구석구석을 정찰하는 분야에서는 해상도가 15cm 수준인 19톤짜리 키홀(KH-12)과 같은 대형위성에 소형위성이 대적하지 못한다.




현재 기술을 활용해 개발하는 소형위성의 목표는 대형위성에 드는 비용의 20%로 대형위성 성능의 80%를 구현하는데 있다. 소위 ‘20 대 80 법칙’이라 한다. 1m급 고해상도 카메라를 100kg 내외의 마이크로위성에 탑재하는 기술을 세계 여러 기관에서 연구 중이다. 지금까지는 2m급 해상도를 갖는 전자광학카메라를 110kg급 위성(탑샛)에 탑재해 성공적으로 운용하고 있다. 소형위성은 비용대 효용면에서 기존 대형위성을 능가하는 셈이다.

기본적으로 위성카메라는 반사경의 초점거리가 길고 지름이 커야 해상도가 높다. 따라서 경통 길이가 길고 거울 지름이 큰 전자광학카메라가 성능이 좋고 대형위성에 탑재하기 유리하다. 하지만 앞으로 접이식 광학시스템을 개발한다면 위성카메라는 위성을 발사할 때 접힌 상태로 있다가 우주궤도에서 원래대로 펼쳐지는 형태를 갖기 때문에 고해상도 영상을 찍을 수 있다. 고성능카메라를 소형위성에 실을 수 있다는 뜻이다.




소형 아니죠, 초소형 맞습니다
1990년대 들어 미세전자기술, 미세가공기술과 같은 소형화·경량화 기술이 소형위성 개발에 다양하게 응용되기 시작했다. 최근에는 초소형위성에 마이크로전자기계시스템(MEMS)기술이 적용되고 있다. 특히 초소형위성은 규모는 작지만 대형위성과 거의 동일한 구성요소를 갖고 있어 임무분석, 설계, 제작, 시험, 발사, 운용에 이르는 전과정에 대한 우주개발 능력을 축적하고 전문인력을 양성하는 도구로 쓰일 수 있다.

소형위성은 적은 비용으로 짧은 시간에 개발한다는 장점 덕분에 새로 개발된 장비나 기술을 시험하는데도 널리 쓰이고 있다. 예를 들어 고장난 위성을 수리하고 CPU를 업그레이드하며 연료를 재보급할 수 있는 위성이 있다면 지금까지의 위성개발 경향은 완전히 달라질 수 있다. 이런 가능성을 타진한 소형위성 프로젝트가 미국의 오비탈 익스프레스다.

또한 초소형위성은 다수가 무리를 짓거나 편대비행을 하며 다양한 임무를 수행하는데 유용하다. 발사나 임무에 실패해도 위험 부담이 적고 여러 대를 발사해 임무의 신뢰성을 높일 수 있으며 넓은 지역에 걸쳐 지상 변화를 관측할 수 있다.




우주에서 지구를 관찰하는 미래는 어쩌면 소형위성에 달려있을지 모른다. 2003년 초 안데스고원의 호수가 범람할 위기에 놓였을 때 이 재앙을 막을 방법이 없었다. 다행히 NASA의 위성에서 찍은 사진 덕분에 상황을 면밀히 관측해 주민들을 대피시킬 수 있었다. 하지만 현재까지 지구관측위성은 관측해야 하는 지역 상공에 위치하지 못할 때가 많았다. DMC 같은 소형위성 무리가 중요한 이유다.

미래 소형위성의 임무 중에는 또 하나의 목적이 숨어있다. 바로 위성무기로서의 역할이다. 이는 소형위성을 이용해 상대의 위성을 궤도에서 파괴시키자는 발상에서 출발했다. 적의 위성에 부착해 필요할 때 폭파가 가능한 기생위성, 우주기뢰나 위성공격용 무기로부터 고가의 위성을 방어하기 위한 보디가드위성, 적 위성의 기능을 저하시키는 위성 등이 있다. 나아가 미국은 소형위성을 활용해 전세계 어느 지역이라도 수십분 안에 공격할 수 있는 구상(Global Strike)을 추진하고 있다. 주먹만한 초소형위성의 위력을 실감할 날도 머지않아 보인다.




비교체험 인공위성 극과극
1957년 최초의 인공위성 스푸트니크가 지구 궤도에 발사된 이래 미국 우주감시망은 지구를 돌고 있는 지름 10cm 이상의 우주물체 2만6000개 이상을 추적해왔다. 현재는 지구궤도에 떠있는 인공물체 8000개 이상을 감시하고 있는데, 이 가운데 560개가 인공위성이다. 이제까지 발사된 인공위성 중 가장 가벼운 것은? 2000년 1월 미국 산타클라라대에서 3대의 피코위성을 발사했는데, 델마와 루이스는 각각 0.5kg이고 JAK는 0.2kg에 불과했다. 반면 ‘슈퍼헤비급’ 인공위성은 16개국이 건설에 참여하고 있는 국제우주정거장(ISS)이다. ISS가 완성되면 472톤이 나갈 전망이다.

위성 개발비용과 개발기간이란 측면에서 보더라도 산타클라라대 위성과 ISS는 극과 극이다. 위성 델마를 개발하는데 5000달러가 들어갔고 루이스와 JAK의 개발비는 각각 2500달러다. 3기 위성을 개발하는데 10개월이 걸렸다. 반면 1993년에 건설하기 시작한 ISS는 2010년까지 1300억 달러 이상을 들여 완공할 예정이다.

위성의 수명은 어떨까. 지난 4월 17일 콜롬비아 세르히오 아르볼레다대 연구진이 카자흐스탄에서 쏘아올린 1kg짜리 큐브샛 ‘리베르타드 1호’는 수명이 50일에 불과했다. 지구를 벗어난 우주탐사선까지 넓은 의미의 인공위성이라고 본다면 수명이 가장 긴 위성은 30년 전 지구를 떠난 보이저 1호다. 1977년 9월 발사된 보이저 1호는 2020년까지 지구와 교신할 수 있을 전망이다.


현재 지구에서 155억km 떨어져 있는 보이저 1호는 가장 멀리 있는 위성이다.



가장 무거운 위성 472톤짜리 ISS와 가장 가벼운 위성 0.2kg짜리 JAK(작은 사진).

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