낮게 날아 기네스북에 오른 인공위성

츠바메 시험 위성, 167.4km 궤도 기록 달성

가장 낮게 날아서 기네스 세계 기록을 세운 인공위성이 나왔다. 지난 24일 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)는 츠바메 위성이 궤도 고도 167.4km를 달성한 것으로 인정받아 기네스북에 올랐다고 발표했다.

이 위성의 정식 명칭은 ‘초 저궤도 시험위성(Super Low Altitude Test Satellite, SLATS)’으로, 이온엔진을 사용하여 200~300km 고도에 인공위성을 배치할 수 있는지 테스트하기 위해 제작된 것이다. 태양 패널을 펼친 모습이 제비를 연상시킨다고 해서 일본어로 제비를 뜻하는 ‘츠바메(TSUBAME)’라는 별칭이 붙었다.

기네스 세계 기록 인증서를 받은 츠바메 위성 개발팀. © JAXA

기네스 세계 기록 인증서를 받은 츠바메 위성 개발팀. © JAXA

저궤도 인공위성의 고도는 위성 수명과 직결돼

일반적인 저궤도 관측 위성들은 600~800km 고도에서 지구를 돌고 있다. 이런 고도에서도 극히 미량의 대기가 존재하기 때문에 빠른 속도로 비행하는 인공위성은 공기 저항을 받아 조금씩 고도가 낮아지게 된다.

초 저궤도는 300km 미만의 고도를 뜻하며 600~800km에 비해 대기 밀도가 1000배가량 높다. 따라서 장기간 운용이 요구되는 인공위성에는 적합하지 않은 궤도다.

인공위성의 고도에 따른 ‘궤도 생존 수명’은 500km 이상일 때 10년이 넘지만, 300km에서는 수개월에 불과해서 주기적으로 연료를 사용하여 고도를 올려야 한다. 만약 200km까지 내려오면 고작 하루에서 수일 정도 버틸 수 있고, 120km 이하에서는 지구를 채 한 바퀴 돌지 못하고 추락한다.

이온엔진의 추진력으로 궤도를 유지하는 츠바메 위성 상상도. © JAXA

이온엔진의 추진력으로 궤도를 유지하는 츠바메 위성 상상도. © JAXA

이온엔진을 사용하여 초 저궤도 유지

JAXA에 따르면, 츠바메 위성의 초 저궤도 비행 실험은 먼저 271.5km 궤도를 유지한 후 단계적으로 고도를 낮추면서 진행되었다. 이 과정에서 모두 7단계의 궤도를 그렸고, 대기 항력 문제는 이온엔진을 사용해서 극복했다. 최종적으로 도달한 167.4km 고도에서는 공기 저항이 크기 때문에 이온엔진과 함께 자세제어를 위한 ‘화학식 반동제어시스템(RCS)’을 사용해서 7일간 궤도를 유지할 수 있었다.

츠바메 위성은 크세논 추진제를 사용하는 이온엔진을 탑재하고 있다. 이러한 이온엔진은 일반적인 화학식 엔진보다 10배 이상 효율이 좋은 편이다. 또한, 공기 저항을 줄이기 위해 위성을 소형화한 것도 매우 낮은 고도에서 장시간 궤도를 유지한 비결이다.

SLATS 프로젝트 매니저인 사사키 마사노리(Sasaki Masanori)는 “우리는 이온엔진 활용 경험을 바탕으로 초 저궤도를 유지할 수 있는 위성을 세계 최초로 만들었다”라고 밝혔다.

츠바메 위성이 381km 고도에서 촬영한 도쿄의 주요 교차로. © JAXA

츠바메 위성이 381km 고도에서 촬영한 도쿄의 주요 교차로. © JAXA

같은 카메라로 181km 고도에서 동일 장소를 촬영한 사진. © JAXA

같은 카메라로 181km 고도에서 동일 장소를 촬영한 사진. © JAXA

초 저궤도를 비행하면 위성 영상의 해상도가 높아진다는 것이 가장 큰 장점이다. 또한, 촬영 데이터의 저전력 전송, 위성 제조 및 발사 비용 절감과 같은 이점도 얻을 수 있다. 반면에 기존 위성궤도보다 고도 유지를 위해 더 많은 양의 연료가 필요하다는 문제가 생긴다. 화학식 추진 시스템을 이용하면 위성 수명이 극히 짧아서 실용성이 크게 떨어진다.

츠바메 위성은 지난 9월 30일 임무를 종료하기 직전까지 이온엔진으로 초 저궤도를 유지하면서 고해상도 위성 영상을 촬영할 수 있었고, 해당 고도의 대기 밀도와 산소 밀도를 측정했다.

인공위성 소재가 장기간 산소 원자 노출에 견딜 수 있는지도 입증했다. 하층 대기 중의 산소는 대부분 안정적인 분자 상태(O2)로 존재하지만, 대기권 상층부에서는 태양광선에 의해 광해리가 되어 불안정한 단원자 상태로 존재한다. 이러한 산소 원자에 지속적으로 노출되면 더 쉽게 부식될 수 있기 때문이다.

JAXA는 이번 실험을 통해 인공위성이 얼마나 오랜 시간 동안 매우 낮은 고도에서 비행할 수 있는지 확인했으며, 앞으로 이 기술을 바탕으로 초 저궤도 실용 위성 개발에 나설 예정이다.

(1331)

뉴스레터 구독신청
태그(Tag)

전체 댓글 (0)

과학백과사전