유럽 데이터 중계 시스템의 선구자

[별들의 후손이 들려주는 천문학 이야기] Non-programme missions (16) Artemis

유럽 데이터 중계 시스템의 선구자

유럽 데이터 중계 시스템 (EDRS: European Data Relay System)을 이용하여 데이터를 송수신하는 첫 상업 위성 Alphasat 위성(혹은 INMARSAT-4A F4나 INMARSAT-XL로도 불림)은 영국의 통신 회사 INMARSAT과 유럽 우주국이 협력 운영하는 대형 정지 궤도 위성이다. 위 유럽 데이터 중계 시스템의 선구자로 알려진 유럽 연합의 위성 기반 보정시스템 EGNOS 시스템을 구축하고자 시작된 Artemis (Advanced Relay and TEchnology MISsion) 위성은 발사 당시 유럽 우주국(ESA)에서 가장 큰 위성으로 알려져있다.

Artemis위성의 상상도 ⓒ Artemis/ESA

참고로 위 미션은 2017년부터 시작된 미항공우주국(NASA), 유럽 우주국(ESA), 일본 항공 우주국(JAXA), 대한민국 과기부 등이 참여하는 유인 우주 탐사 계획 아르테미스 계획Artemis Program과는 다른 미션이다.

다목적 복합 위성 Artemis

다목적 실험 위성 Artemis는 지구 상공 3만 6천km의 정지궤도에서 광범위한 원거리 통신 서비스의 제공을 목표로 시작되었다. 유럽 우주국은 이 위성을 유럽 모든 지역에 걸친 위성 간 직접 교신에 이용함은 물론 위성을 통하여 저비용의 이동통신과 유럽 항해체제를 위한 통신 서비스를 제공하고자 했다. 위성의 개발을 위하여 이탈리아 Alenia Spazio사를 중심으로 유럽 각국에 컨소시엄이 구성되었으며 위 컨소시엄에 의해서 중량 3.1t의 위성이 개발되었다.

위 임무는 오래전부터 계획되어 오던 만큼 본래 1995년 발사될 예정이었으나, 몇 가지 이유로 수년 동안 미뤄지고 있었다. 또한 유럽 우주국과 일본 우주개발청(NASDA: National Space Development Agency of Japan)의 협정에 따라서 2000년 일본의 H-II A 로켓에 실려 발사될 예정이었던 다음 계획 역시 수정되며, 결과적으로 위성은 2001년 7월 12일 Ariane 5에 의해서 발사되었다.

문제는 위성이 발사 직후 발사체 상단의 오작동으로 인하여 계획보다 훨씬 낮은 궤도(590km x 17,487km)에 배치되었다는 점이다. Artemis 위성 팀은 이 위기를 원격으로 극복하기 시작했다. 약 일주일간 대부분의 화학연료를 사용하여 590km x 31,000km의 원형 궤도에 위성을 배치시켰으며, 이후 기존의 화학 추진기보다 10배 이상 더 효율적인 RIT-10 그리드 이온 추진기를 18개월 동안 계속 작동시켜서 하루에 약 15km의 속도로 고도를 높였다. 결국 Artemis팀은 우주선을 바깥쪽 나선형 궤도로 밀어 넣으며 목표했던 36,000km 정지궤도에 도달시키는 데 성공했다.

Artemis의 상상도 ⓒ Artemis/ESA

흥미로운점은 이러한 작업이 유럽에서 한 번도 시도된 적이 없었다는 점이다. 결과적으로 위성에 탑재되었던 RIT-10 그리드 이온 추진기가 없었다면 이 위성의 재배치는 실패로 끝났을 것이다. 또한, Artemis 위성 팀은 급박한 상황에서의 궤도 상승을 준비하기 위하여 새로운 소프트웨어 모듈 작성 및 성공적인 테스트까지 엄청난 노력을 기울였다. 이처럼, Artemis 위성 팀의 현명하고 빠른 선택이 한 미션의 성사와 지구 통신의 역사를 바꾸었다고 해도 과언이 아니다.

Artemis 위성의 페이로드

Artemis 위성은 복합위성으로 여러 최신 페이로드를 탑재하고 있다. 대표적으로 Astrium에서 설계 및 제작되었으며 SPOT-4 원격 감지 위성 및 비행 중인 비행기와 통신하는 데 사용되는 SILEX(Semiconductor-laser Intersatellite Link Experiment) 페이로드가 있다. 위 페이로드의 무게만 해도 약 160kg 정도이며 망원경은 포크식 가대 (Open fork mount) 형식으로 설치되었다.

위성의 중앙 부분 ⓒ Artemis/ESA

이외에도 다른 위성과의 데이터를 중계하는 시스템인 2.85m 안테나 SKDR (S/Ka band Data Relay), 소형 차량 기반 터미널과 위성 통신을 위해서 설계된 L-대역 이동통신 서비스 LLM (L-band Land Mobile), 44kg의 제논(Xenon: 독일어 발음은 크세논) 추진제가 포함된 고급 이온 추진 시스템, 그리고 위성 기반보정시스템 EGNOS 항법 신호 송신기 등이 탑재되었다.

Artemis 위성의 과학적 성과

앞서 설명했다시피 ARTEMIS는 18개월 동안 지속된 놀라운 위성 복구 작업을 통하여 2003년 1월 말 예정되었던 21.5 E의 정지 궤도에 도달하였고 이때부터 통신 서비스를 제공하기 시작했다. 또한, 같은 해 4월부터 위성은 주기적으로 프랑스 국립 우주 연구 센터 (CNES)의 SPOT-4와 유럽 우주국의 Envisat 위성에 대한 고속 데이터 링크를 제공하기 시작했다. 2005년 12월부터는 일본 우주항공연구개발기구(JAXA)의 저궤도 위성 Kirari와 최초의 양방향 광 링크가 설정되었으며, 2006년 말부터 세계 최초로 항공기에서 광학 레이저 ​​링크를 성공적으로 중계했다. 그리고 마침내 2010년부터 본래 계획했던 모든 통신 중계 서비스를 제공하기 시작했다.

2003년 3월 13일 Artemis 중계 위성을 통해 촬영된 최초의 MERIS(Envisat) 영상 ⓒ Artemis/ESA

2011년 7월 12일, Artemis 위성은 우주에서의 성공적인 10년을 맞이했고, 실패에 가까웠던 위성이 성공적으로 복구된 후 여전히 효과적으로 작동함을 알렸다. 이를 통해서, 이온 추진기 등의 유럽의 새로운 기술들은 앞으로 위성이 어려움을 겪을 시에 돌파구가 되어줄 수 있음을 확인하는 계기가 되었다. 2012년부터는 광대역 및 RF 대역 저궤도 위성에서의 데이터 전송을 비롯하여 유럽, 북아프리카 그리고 중동 일부 지역의 위성 이동통신 임무를 수행해냈다. 같은 해 6월, 위성의 11년간 궤도 비행을 통해서 Artemis가 본래 계획했던 모든 임무를 성공적으로 완료했음이 확인되었다.

Artemis위성의 상상도 ⓒ Artemis/ESA

이후 유럽 우주국은 Artemis 위성이 여전히 정상적으로 작동되고 있음을 확인하였고, 위성의 최종 궤도 이탈을 2014년으로 미루며 위성을 몇 년 더 운용하기로 결정했다. 또한, 유럽 우주국은 위성에 최소 2016년까지 계속 작동할 수 있는 연료가 있으며 수명이 다한 후에도 안전한 궤도 이탈을 위한 충분한 연료가 있음을 확인했다. 이에 따라 2014년 초, 위성의 소유권과 운영을 S-대역 및 L-대역 페이로드 그리고 항법 페이로드를 상업적으로 개발할 계획을 가지고 있던 영국의 Avanti Communications사에 양도했다.

Artemis위성의 상상도 ⓒ Artemis/ESA

2015년 1월 29일 Artemis 위성은 공식적으로 임무를 완료했지만 2017년 퇴역 전까지 계속해서 지구와 소통을 진행했다. 2016년까지 21.5 E 궤도에서 작동했던 위성은 인도네시아 국방부의 요청에 따라 L-대역 스펙트럼 권한을 커버하기 위해 123 E 궤도로 옮겨졌다. 2017년 11월 Artemis 위성은 일반 운영 궤도에서 멀어진 후 ‘묘지 궤도(Graveyard orbit: 보통 수명이 다한 정지궤도 위성은 남은 추진체를 써서 묘지 궤도에 올려짐)’로 옮겨지며 퇴역하였다.

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