사이언스타임즈는 항공우주연구원과 공동으로 일반인들에게 우주항공기술에 대한 상식과 정보를 제공하기 위해 '우주항공기술 이것이 궁금하다'라는 기획시리즈를 연재해왔습니다. 10회를 마지막으로 시리즈를 마칩니다. 그 동안 애독해주셔서 감사드립니다. [편집자 註]

모든 위성은 자신만의 궤도(위성이 지나는 특정한 길)가 있다. 위성의 임무에 따라 궤도의 형태는 다르며, 일반적으로 고도에 따라 저궤도, 중간궤도, 지구정지궤도로 나누어진다. 또한 특정 목적을 위해 크기나 모양이 특이한 극궤도와 타원궤도도 있다.

인공위성을 궤도에 따라 간단히 분류해 보도록 하자.

정지궤도(Geo-synchronous Orbit) 위성은 지구의 자전 주기와 동일한 공전주기를 가지고 지구 주위를 도는 위성으로 약 3만6천km 고도에서 지구 주위를 돌게 된다. 이때 지구의 자전 주기와 정지궤도 위성의 공전주기가 같기 때문에 항상 같은 지역 위에 떠 있는 것처럼 보인다. 따라서 우리가 보는 위성은 정지한 것처럼 보이는 것이다. 이러한 정지궤도 위성은 통신 위성, 기상 위성 등의 목적으로 사용된다.

저궤도(Low Earth Orbit) 위성은 대기 밀도가 거의 0에 가까운, 지구 대기의 최상층부를 도는 위성이다. 이러한 저궤도 위성은 지구와 가까이 돌고 있어 지구의 아름다운 광경들을 볼 수 있는데, 우주에서 찍어오는 아름다운 사진들이 거의 저궤도에서 찍어오는 사진들이다. 또한 대기 밀도가 거의 0에 가깝기 때문에 천문 관측시 대기에 의한 영향을 받지 않는다.

따라서 허블 우주망원경 같은 관측 장비를 궤도상에 올려서 먼 우주를 촬영하는 데 사용한다. 저궤도 위성은 주로 고도 500km이상, 1천500km 이하의 궤도에서 돌고 있고(500km 안쪽에서는 인공위성이 공기저항으로 1년 내에 떨어지게 되고, 1천500km 이상에서는 밴 앨런대의 영향으로 지자기의 영향을 받게 되기 때문에 500km~1천500km의 궤도를 유지하도록 한다), 원격탐사, 기상관측, 지구관측 등의 목적으로 많이 사용된다.

극궤도(Polar Orbit) 위성은 저궤도 위성의 특별한 형태로, 북극과 남극을 잇는 궤도를 돈다.

위성이 북극과 남극을 도는 동안 지구가 자전하게 되는데 이로 인해 인공위성이 서쪽으로 조금씩 치우쳐 가는 현상(인공위성의 서편현상)을 볼 수 있다.

지구의 전체 표면을 관측할 수 있다는 특징이 있으며 이러한 특징을 잘 이용해 기상위성, 관측위성, 군사위성 등으로 사용된다.

타원궤도(Elliptical Orbit) 위성은 궤도의 찌그러짐 정도(이심률)가 커서 지구와 가까운 지역(근지점)을 지날 때의 비행시간보다 반대편을 비행하는 시간이 상대적으로 매우 긴 특성을 가진다. 즉, 극궤도 위성과는 달리 계란 모양의 타원궤도를 그리며 지구를 돈다.

모든 위성의 궤도는 원 또는 타원의 형태를 가지고 있다. 원형의 궤도는 지구와의 거리, 즉 고도가 일정하고 속도 또한 일정하게 움직인다. 반면 타원형의 궤도는 지구로부터의 거리가 일정하지 않아서 고도가 높은 지점과 고도가 낮은 지점이 생기게 된다. 이때 고도가 가장 높은 지점을 원지점, 고도가 가장 낮은 지점을 근지점이라고 한다. 타원형 궤도를 도는 위성들은 근지점 근처에서는 아주 빠른 속도로 움직이고 원지점 근처에서는 아주 느리게 움직이게 된다.

다시 말해서 전체적으로 궤도상의 위치에 따라 위성의 움직이는 속도가 다르게 된다. 이러한 원리를 이용한 특수한 형태의 궤도를 몰니야(Molniya) 궤도라고 하는데, 정지궤도 위성과 통신을 할 수 없는 고위도 지방에서 통신이나 방송용으로 사용하고 있다. 즉, 근지점은 남반구에, 원지점은 북반구에 오도록 궤도를 형성하면 위성은 남반구보다는 북반구에 훨씬 더 오래 머무르게 된다. 따라서 적도상의 정지궤도 위성을 사용할 수 없는 러시아 같은 고위도에 위치한 국가에서는 이러한 몰니야 궤도상의 위성을 이용해서 통신을 할 수 있게 된다.

이처럼 위성들은 목적에 따라 각기 다른 궤도를 돌고 있으며, 관측하고자 하는 지역과 맡은 임무에 적합한 정밀한 궤도를 돌고 있다. 또한 일단 궤도에 한번 진입하면 지상의 통제를 받기 때문에 서로 충돌할 위험은 없다.