인공위성이란 무엇인가?

 

인공위성이란 무엇인가?

1. 인공위성이란?

가.  개요

위성(Satellite)이란 큰 질량을 가진 물체 주변을 도는 작은 질량의 물체를 말한다. 인공위성(Artificial Satellite)은 사람이 특수한 목적을 달성하기 위해 지구 주변을 돌도록 만든 물체이다. 인공위성의 경우 지구궤도상에 있는 것뿐만 아니라, 다른 행성탐사를 위해서 지구로부터 멀리 날아가는 경우도 편의상 인공위성으로 간주한다.

(1) 인공위성의 운동원리

물체 사이에는 만유인력이라는 서로 잡아 당기는 힘이 작용한다. 한편, 호를 그리는 운동을 하는 물체에는 호의 바깥쪽으로 나가려 하는 원심력이 작용한다. 지구가 위성을 잡아 당기는 중력과 위성이 밖으로 나가려고 하는 원심력이 서로 평형을 이루면 위성은 지구로 떨어지지도 않고, 떨어져 나가지도 않는 상태가 되어 일정한 궤도를 그리며 운행하게 된다.

(2) 인공위성의 종류

① 무게, 크기에 따른 분류  

ClassMass
Large-size 1000 (Kg)
Medium-size500~1000
Mini-satellite100~500
Micro-satellite10~100
Nano-satellite1~10
Pico-satellite0.1~1
Femto-satellite0.1

② 고도, 궤도에 따른 분류

- 저궤도(LEO, Low Earth Orbit): 고도 500km~1500km

- 중궤도: 고도 5000~15000km

- 정지궤도(Geosynchronous Orbit): 고도 35786 km, 궤도 공전주기와 지구 자전주기가 일치하여 해당지역에서 볼 때 항상 고정된 위치에 있는 것으로 보인다. 정지궤도는 방송 통신 목적으로 많이 사용되며 국가의 자원으로 관리된다.

- 몰니야(Molniya) 궤도: 원지점 약 4000km, 근지점 약 600km의 이심률이 대단히 큰 타원궤도로 궤도면이 적도면에 대해 약 63도의 경사를 이루고 있다. 정지궤도 위성으로는 커버할 수 없는 고위도 지역을 커버하기 위한 목적으로 사용된다.

- 태양동기궤도 : 궤도면의 회전방향과 주기가 지구의 궤도주기와 동일하여 위성 궤도면과 태양이 항상 동일한 각도를 유지하게 된다. 따라서 주어진 위도에 대해 위성이 통과하는 지역의 지방시(Local Time)이 항상 동일하다. 또한 위성이 받는 태양 빛의 조건이 비슷하여 태양전지판이 일정한 태양 빛을 받으므로 전력생성이 안정적인 장점을 가진다.

나. 주요임무

 
- TV, 라디오, 전화, 데이터 중개
- 정지궤도 위성의 경우 커버할 수 있는 영역은 넓으나 시간 지연이 큰 단점이 있다. 이동통신의 경우 주로 중궤도, 저궤도 위성이 사용되나 커버 영역이 좁아 여러 대의 위성을 연계하여 사용한다.
 
 - 날씨 정보 제공 (일기예보)
- 허리케인, 홍수, 산불, 해일 등 재난 정보 제공, 예방 및 구호에 활용
 
 - 지표면: 지표면 영상 촬영, 자원 탐사, 농작물 작황 정보 파악, 측량, 지도 제작
- 해양: 해수면 온도, 해류 상태 관측
- 대기: 대기 성분, 기온, 습도 등 관측
 
 - NAVSTAR GPS(미국)
- Galileo (유럽)
- GLONASS (러시아, 인도)
- Beidou (중국)
 
 - 행성 탐사
- 천체 관측 (예: 허블망원경)
- 각종 실험
- 진보된 기술을 이용한 장치를 탑재, 우주 환경상에서 동작 확인, 성능 시험
 
 - 정찰 영상 제공
- 기상 정보 제공
- 통화, 교신 내용 도청

다. 내부구조

구조 및 열제어계 (Structure and Thermal Control Subsystem)

각 서브시스템은 궁극적으로 전자부품들로 모여있는 전장모듈로 구성된다. 위성이 성공적으로 임무를 완수하기 위해서는 발사부터 임무종료 시점까지 각 전장모듈 내부 전자부품들이 정상적으로 작동해야 한다. 구조 및 열제어계는 이러한 전장모듈들이 가혹한 발사하중과 우주환경 하에서도 잘 동작할 수 있는 위성의 환경을 제공하는 것이 목적이라고 할 수 있다.

구조계는 위성의 뼈대를 이루는 프레임(Frame)과 전장모듈이 놓이는 패널(Panel)로 구성된다. 프레임과 패널은 금속 또는 복합재료를 이용하여 제작된다. 전장모듈들은 볼트(Bolt)를 이용하여 체결되며, 발사되는 동안에 위성이 겪는 진동하중(최대 10g, 즉 자기 무게의 10배)을 견딜 수 있도록 설계된다.  

  

열제어계는 위성 내부의 온도를 제어를 담당한다. 위성은 절대 0도(-273oC)에 가까운 우주공간에 놓이게 된다. 이러한 상태에서 태양으로부터 강한 복사열을 받는다. (태양의 복사열은 약 1350W/m2로써, 1m2당 50W 백열등 27개를 켜놓은 것과 같다.) 따라서, 궤도를 회전하는 위성은 태양에 노출되어 있을 경우 온도가 급격하게 상승하며 지구의 그늘에 놓이게 되면 온도가 급격하게 떨어진다. 일반적인 전자부품들의 작동온도는 -20oC ~ +80oC로서 열제어계는 다양한 방법으로 위성 내부 전자부품들이 작동온도를 벗어나지 않도록 제어한다.

라. 위성체조립

(1) 위성의 조립

인공위성은 궤도상에 일단 올라가면 수리가 불가능하므로, 개발과정에서 철저한 시험과 검증이 필요하다. 이를 위해서 하나의 위성이 궤도에 올라가기 까지 총 3기의 위성을 제작하여 테스트하는 것이 가장 일반적인 방법이다.

위성은 구조체(Structure)에 각각 독립된 기능을 하는 전장모듈이 볼트를 통해 체결된다. 또한 하니스(Harness)는 각 전장모듈을 전기적으로 연결해주는 역할을 수행하며, 하니스를 통해 전장모듈에 전원이 공급되며 상호간 데이터 송수신이 이루어진다.  

 

위성이 발사되는 동안에 매우 심한 진동을 겪게 되므로 구조체와 구조체 또는 구조체와 전장모듈간의 조립이 완벽하게 되지 않는 경우 발사도중에 위성내부가 파괴되어 임무에 실패할 수 있으므로 완벽한 조립이 요구된다.

또한, 카메라와 같은 광학계(Optical Device)가 위성에 실리게 되는 경우 광학계가 오염되지 않도록 세심한 주의가 요구된다. (모든 물체는 진공상태에 놓이면 물체에 부착되어있는 기체가 방출되는데 이 또한 광학계 오염의 원인이 될 수 있다.) 따라서, 위성에 들어가는 모든 부품들은 Bake-out 진공챔버에서 오염원이 될 수 있는 기체를 제거한다. 아울러, 위성의 조립은 미세먼지에 의한 오염을 방지하기 위하여 청정실(Clean Room)에서 수행된다.

(2) 위성 개발단계

위성 개발의 첫 단추는 초기모델인 EM (Engineering Model)을 개발하는 것이다. EM은 위성의 구조체(Structure)에 전장모듈 전체를 조립한 첫 모델이며, EM을 통해 위성이 임무수행에 필요한 요구조건(각 전장모듈의 성능시험, 발사환경시험 및 우주환경시험 통과여부)을 만족시키는지 판단한다. EM 성능시험 및 환경시험 후에 발생한 문제점을 해결한 후, QM (Qualification Model)을 제작한다. QM 역시 성능시험 및 환경시험을 EM에서 발생했던 문제점이 개선되었는지를 판단한다. QM에서 모든 문제가 해결된 뒤에 FM(Flight Model)을 제작한다. FM은 실제로 발사될 최종모델이며, 최종적인 기능시험과 환경시험을 거친 후에 발사된다.

마. 환경시험

환경시험은 위성이 발사부터 운용까지 겪게 될 환경하에서 정상적인 작동유무를 테스트 하는 것으로 크게 발사환경 시험과 우주환경 시험으로 나뉜다.

위성은 로켓에 실려 우주로 이동하는 동안 극심한 진동 및 음향하중을 겪게 된다. 또한, 로켓에서 위성이 분리될 때와 태양전지판이 전개될 때 충격(Shock)하중을 받는다. 각 모델의 개발단계 마다 발사체에 의한 진동과 충격을 예상하여 발사환경시험을 수행하는 것이 일반적이다.

위성이 궤도에 진입하면 초고진공, 극한의 온도조건, 강한 우주 방사선 환경에 놓이게 된다. 이를 모사하기 위하여 지상에서는 열진공 챔버를 이용하여 환경시험을 수행한다. 열진공 챔버는 챔버 내부공간을 고진공 상태로 유지한 상태에서 챔버 벽면온도를 변화시킬 수 있는 장비이다. 실제 열진공 시험에서는 위성체에 극한의 온도조건 (-100℃ ~ +120℃)을 몇 주기 동안 가하며 위성의 작동상태를 모사한다. 이러한 극한조건에서도 위성이 정상적으로 작동하는 지를 시험한다. 또한, 강한 우주방사선의 영향으로 전자부품의 성능에 변화가 발생하며 심한 경우 부품이 오작동을 하여 위성 임무수행에 막대한 지장을 줄 수 있다. 이를 방지하기 위하여 위성에는 우주 방사능에도 잘 견딜 수 있는 우주용 전자부품을 사용하는 것이 일반적이며, 지상에서는 전자부품에 인위적으로 방사선을 가한 후 정상적으로 작동하는지를 판별하는 방사선 테스트를 수행하기도 한다.

바. 발사

(1) 인공위성발사체란?

인공위성발사체란 인공위성을 원하는 우주 궤도에 실어 올려 주는 로켓 시스템을 일컫는다. 인공위성 발사체는 뉴톤의 작용과 반작용 법칙인 "뉴톤의 제 3법칙"을 기본원리로 적용되는 시스템으로 작용하는 모든 힘에는 같은 크기의 힘이 반대 방향으로 작용한다는 원리를 적용한다. 즉 로켓은 연료를 태워 가스를 만들어 노즐을 통하여 분출시킴으로써 추진력을 얻는다.

우주발사체의 종류에는 고체로켓과 액체로켓으로 크게 구분할 수 있다. 고체로켓은 고체추진제를 사용하며, 보통연료와 산화제의 혼합물인 그레인을 사용하여 발사체의 추진 보강용 로켓에 주로 사용된다. 반면 액체로켓은 액체상태의 추진제를 사용하며, 추진제 탱크와 로켓엔진으로 구성된다. 액체로켓은 유도와 제어가 용이하며, 추력의 조절과 재시동이 용이하여 위성 발사체로 많이 사용되고 있다.

우주발사체는 재사용할 수 없는 일회성 우주발사체와 재사용 가능한 우주발사체로 나눌 수 있다. 대부분의 우주발사체는 재사용할 수 없는 일회성 우주발사체이며, 우주왕복선은 재사용 가능한 우주발사체이다.  

 

(2) 로켓개발 역사

우주개발은 1957년 8월 3일 소련에 의해 세계 최초로 R-7 우주발사체를 개발함으로써 가능하였다. R-7 로켓은 세계 최초의 인공위성인 스푸트니크 1호를 1957년 10월 4일 발사에 성공하였으며, 뒤이어 미국은 1958년 1월 31일 주피터-C 로켓에 의해 익스플로러 1호를 발사 성공함으로써 본격적으로 시작되었다. 그 후 일본, 중국, 프랑스, 인도, 영국, 이스라엘 등과 같은 나라들이 우주발사체 개발에 성공하였다. 미국은 1977년 8월 12일에 세계 최초의 우주왕복선인 엔터프라이즈호를 개발함으로써 재사용 우주발사체 개발에 서막을 알렸으며, 뒤이어 소련은 1988년 부란을 개발함으로써 두번째로 뒤를 이었다.

(3) 위성 발사

우리나라는 위성을 발사할 우주발사체가 없기 때문에 다른 나라의 우주발사체로 위성을 발사 해왔다. 우리나라 최초의 인공위성인 우리별1호 및 2호는 프랑스의 아리안 4(Ariane4) 로켓에 의해 발사되었으며, 우리별 3호는 인도의 PSLV에 의해 발사되었다. 또한 과학기술위성 1호는 러시아의 COSMOS-3M에 의해 발사되었다.

과학기술위성2호는 우리나라에서 개발되고 있는 최초의 우주발사체인 KSLV-1에 의해 전남 고흥군 외나로도에 위치한 나로 우주발사센터에서 2008년 하반기에 발사될 예정이다. 현재 나로 우주발사센터의 건립과 KSLV-1의 개발은 한국항공우주연구원 추진하고 있다. 우리나라에서 만든 인공위성을 우리나라 우주발사체에 의해 우리나라 우주센터에서 발사하면 우리나라도 명실공히 세계 우주개발 선진국과 어깨를 나란히 하게 되는 계기가 될 것이다.  

2. 우리나라 우주개발 현황

1992년 8월 11일 - 대한민국 최초의 인공위성 우리별 1호 (KITSAT-1) 발사

우리나라 최초의 위성개발은 KAIST 인공위성연구센터의 우리별 1호가 1992년 8월 11일 아리안 발사체에 의해 남미 꾸르 우주센터에서 발사되면서 시작되었으며, 이를 계기로 우리나라는 전 세계에 인공위성 보유국가로 등록되었다. 우리별 1호 개발은 위성분야 기술인력 양성 및 우주 기초기술 확보 차원에서 KAIST가 영국 Surrey 대학의 기술을 전수받아 42kg 급 소형 인공위성을 성공적으로 제작, 발사되었다.  

1993년 6월 4일 - 과학관측 로켓 1호 (KSR-1) 발사

1단형 과학로켓은 고체추진체를 시용하는 무유도 로켓으로서 한반도 상공의 오존층을 관측을 목표로 하였다. 1단형 과학로켓은 총길이 6.7m, 직경 0.42m, 발사시의 무게는 1.25톤으로 구성되어 있으며, 영문명은 KSR-420S이다. 과학관측 로켓 1호는 1993년 6월 4일 서해안 안흥시험장에서 발사되어 고도 39km, 낙하거리 77km를 비행하면서 한반도 상공의 오존층 측정과 가속도, 응력, 온도, 추진기관, 내부압력 등 로켓 자체의 각종 성능특성 측정을 수행하였다.

1993년 9월 26일 - 우리별 2호 (KITSAT-2) 발사

우리별 1호의 발사성공 3개월 후인 1992년 10월에 우리별 2호의 개발이 시작되었다. 우리별 2호는 영국 써리 대학에 파견된 연구진이 국내로 돌아와 국내 연구진과 공동으로 개발한 위성으로서 1993년 9월 26일 발사되었다. 우리별 2호는 우리별 1호와 외관상 비슷하나, 탑재체에 많은 차이점이 있다. 국산 컬러 광검출 소자를 채용한 지구관측 카메라와 저에너지 검출기, 적외선 감지기 시험장치, 고속변복조 실험장치, 소형위성용 차세대 컴퓨터 등이 탑재되어 있다. 무게는 약 48kg의 소형위성으로 스핀안정화 방식의 자세제어를 사용하였다.

1995년 8월 5일 - 무궁화 1호 (KOREASAT-1, 통신위성) 발사

1991년 5월 확정된 무궁화위성 구매 규격에 따라 국제 입찰을 실시하여, 최종적으로 미국의 GE사를 제작사로 선정하였고, 위성 발사체는 맥도널 더글라스사의 델타 2 발사체가 선정되어 1990년 8월에 계약을 하였다. 무궁화 위성 1호는 1995년 8월 5일 미국 플로리다주 케이프커내버럴 미 공군 기지에서 발사되었다. 발사 후 9개의 보조로켓 중 1개가 제대로 분리되지 않아 정상궤도 진입을 위한 타원형 천이궤도에서 약 6,000여 km가 모자라는 사고가 생겼다. 자체연료를 분사시켜 제 궤도로 진입하는 데는 성공하였으나 위성의 수명이 10년에서 4년 4개월로 줄어들게 되었다.

1996년 1월 14일 - 무궁화 2호 (KOREASAT-2, 통신위성) 발사

무궁화 위성 2호는 무궁화 1호를 백업하기 위해 제작이 된 위성으로서, 무궁화 1호의 수명 단축을 보조하는 위성이 되었다. 성공적으로 발사되어 위성 통신 서비스의 제공에 차질이 없게 되었다.

1997년 7월 9일 - 과학로켓 2호 (KSR-2) 발사

2단형 중형과학로켓의 개발목표는 150kg 급의 과학탑재물을 탑재하고 150 km 고도까지 도달할 수 있는 로켓을 개발하여 한반도 상공의 이온층 환경, 오존층 분포 등을 측정하는 것이었다. 1993년 11월부터 1998년 6월까지 수행되었으며, 총예산 52억 원으로 한국항공우주연구원이 주도하여 수행되었다. 1997년 7월 9일 서해안 안흥 시험장에서 성공적으로 첫 발사되었으나, 실험관측에는 실패하였다. 이 후 1998년 6월 11일 두 번째 발사는 실험관측에서 성공하여 한반도 상공의 오존층 분포, 우주에서 날아드는 X-선 측정 등을 성공적으로 수행하였다.

1999년 5월 26일 - 우리별 3호 (KITSAT-3) 발사

우리별 3호는 우리별 1호와 2호의 기술과 경험을 바탕으로 독자설계로 개발된 우리나라 최초의 고유모델 인공위성이다. 우리별 3호는 1996년 우주개발중장기기본계획의 수립에 의해 개발된 첫 번째 인공위성이라는 의미도 갖고 있다. 위성개발 기간은 1995년 10월부터 1999년 10월까지 총 4년이며, 총 예산은 80억 원이 소요되었다. 무게는 100kg으로 우리별 1, 2호에 비해 배가 늘었으며, 태양전지판을 양쪽에 한 개씩 두 개의 태양전지판을 전개하는 형태로 향상되었으며, 스핀안정화 방식에서 벗어나 3축 안정화 방식의 자세제어를 채택하였다. 또한, 훨씬 더 정밀한 광검출소자(CCD)를 채용한 다채널 지구관측카메라와 고에너지 검출기, 전자온도 측정장치, 정밀 자기장 측정기 등이 탑재되어 있다. 우리별 3호는 1999년 5월 26일 인도의 PSLV 발사체에 의해 성공적으로 발사되었다.

1999년 9월 5일 - 무궁화 3호 (KOREASAT-3, 통신위성) 발사

무궁위성 3호 사업은 무궁화위성 1호의 수명이 다한 뒤 중단 없는 서비스를 제공하기 위해 추진되었다. 무궁화위성 1호를 대체하는 무궁화위성 3호는 무게 2,800kg, 길이 19.2m의 대형위성으로 위성 본체는 록히드마틴 사에서 제작하였고, 발사체는 유럽 아리안스페이스사의 아리안 4 로켓이었다. 1999년 9월 5일, 남미 프랑스령 가이아나의 꾸르 우주센터에서 성공적으로 발사된 무궁화위성 3호는 1호나 2호와는 달리 4개의 구동 안테나가 설치되어 지상명령을 통해 원하는 위치로 서비스 지역을 바꿔도 한반도뿐 아니라 동남아 지역에도 중계 서비스를 제공할 수 있는 것이 특징이다.

1999년 12월 21일 - 아리랑 1호 (KOMPSAT-1, 다목적 실용위성) 발사

다목적실용위성인 아리랑 1호는 한반도관측, 해양관측, 과학실험 등을 위한 위성의 국산화와 운용 및 이용기술 기반확보를 목표로 추진되었다. 1994년 11월부터 2000년 1월까지 약 2천 241억 9천만 원의 개발비가 투자 되었으며, 과학기술부, 산업자원부 및 정보통신부의 지원 하에 한국항공우주연구원을 중심으로 공동개발자인 미국의 TRW사와 국내 7개 기업체 및 한국전자통신연구원, KAIST 인공위성연구센터 등이 참여하였다. 아리랑 1호는 470kg 질량의 직경 1.35m 높이 2.49m, 길이 6.4m인 인공위성이다. 위성의 자세 및 궤도를 제어하기 위하여 3축 제어 방식을 사용하며, 추력기의 연료로 하이드라진을 사용한다. 주탑재체인 전자광학 카메라는 해상도 6.6m, 관측폭 17km의 성능을 갖고 있고, 부탑재체인 해양관측 카메라는 해상도 1km이며, 과학관측용 탑재체인 이온층 측정기와 고 에너지 입자검출기를 탑재하고 있다.  

2002년 11월 28일 - 액체추진 과학로켓 3호 (KSR-3) 발사

액체추진 과학로켓(KSR-III)은 우리나라 최초로 개발된 액체추진 로켓이다. KSR-I, KSR-II가 고체추진체를 사용하는데 비하여, KSR-III는 액체연로(케로산)와 액체 산화제(산소)를 추진제로 한다. 액체 추진제는 발사 직전에 추진제를 로켓에 주입하므로 발사준비 시간이 오래 걸려서 군사용으로는 사용하기는 부적절한 반면, 엔진 추력으로 쉽게 조절할 수 있고, 비행시 재점화가 가능하며, 발사 전에 점화시험이 가능하므로 신뢰성을 확보할 수 있는 장점을 지닌다. 이러한 장점 때문에 현재 대부분의 민간용 우주발사체에는 액체추진제를 사용하고 있다. 액체추진 과학로켓 개발사업은 1997년 12월에 착수하였으며, 총 780억 원의 개발비가 투입되었다. 당초 2단형 로켓인 기본형과 3단형 로켓인 응용형 개발을 계획하였으나, 1998년 8월 북한의 대포동 1호 발사 등 개발 당시의 여건을 반영하여 액체추진기관 등 로켓 1단 핵심기술 확보를 개발 목표로 수정하였으며, 2단 고체모터기술 및 단분리 기술은 지상시험을 통하여 검증하였다. 2002년 11월 28일 서해안 안흥시험장에서 발사에 성공하였으며, 도달고도는 42.7km, 비행거리는 79.5km이며, 비행시간은 231초였다.

2003년 9월 27일 - 과학기술위성 1호 (STSAT-1) 발사

과학기술위성 1호는 총예산 116억 9천만 원으로 천문우주관측과 우주환경관측을 목적으로 개발되었으며, 원자외선 영역에서의 천체관측을 위한 원자외선분광기와, 극지방의 오로라 현상 관측과 우주환경 관측을 위한 우주물리 탑재체, 정밀지향 임무를 수행하기 위한 별감지기 등이 탑재되었다. 주탑재체인 원자외선 분광기는 한국천문연구원과 미국의 UC 버클리 대학과 공동으로 개발이 진행되었다. 과학기술부는 원자외선 분광기의 관측결과를 공동 개발국인 미국과 공유하기 위해 2003년 8월 NASA와 양해각서를 체결하였는데, 이는 우리나라 주도의 우주 프로그램에 미국이 참여하는 최초의 국제협력으로 우리나라 우주개발 사업의 위상을 높이는 계기가 되었다. 과학기술위성 1호는 2003년 9월 27일 러시아 플레세츠크 발사장에서 COSMOS-3M 발사체에 의해 발사에 성공하였으며, 지금까지 KAIST 인공위성연구센터에서 위성운용을 수행하고 있다.  

2006년 7월 28일 - 아리랑 2호 (KOMPSAT-2, 다목적 실용위성) 발사

아리랑 2호는 한반도 정밀관측을 위한 고정밀 위성개발 및 고해상도 탑재 카메라기술 조기확보를 목표로 1998년 8월 과학기술장관회의의 의결을 거쳐 사업에 착수하였으며, 과학기술보, 산업자원부, 정보통신부가 공동 참여하는 범부처적 연구개발 사업으로 추진되었다. 1999년 12월부터 2006년 11월까지 7년에 걸쳐 연구개발비 2,633억원이 투입되었으며, 한국항공우주연구원이 주관기관으로 한국항공우주산업, 대한항공, 두원중공업, 두산인프라코어, 한화 등의 기업이 참여하였으며, 주 관제시스템은 한국전자통신연구원이 개발하였다. 해외공동개발업체로는 이스라엘의 엘롭사가 탑재체 개발업체로 참여하였다. 아리랑 2호의 고해상도 카메라는 흑백 1m, 컬러 4m의 해상도와 관측폭 15km의 성능을 갖는다. 특히, 1m급 카메라는 미국과 러시아, 프랑스, 이스라엘, 일본 등 위성 선진국만이 보유하고 있는 초정밀 카메라이다. 아리랑 2호는 러시아 플레세츠크 발사장에서 2006년 7월 28일 성공적으로 발사되었다.

2006년 8월 22일 - 무궁화 5호 (KOREASAT-5, 통신위성) 발사  

최초의 민군 복합위성인 무궁화위성 5호는 프랑스 알카텔 사와 계약을 통해 제작되었으며, 발사는 미국의 씨런치(Sea Launch) 사에 의해 적도 공해상에서 2006년 8월 22일 발사되었다. 무궁화위성 5호는 무궁화위성 3호를 대체하는 한편, 그동안 위성운용에서 쌓은 노하우를 통해 고속데이터 통신과 영상서비스 등 융합형 서비스를 제공하고 명실상부한 국내 상용위성의 입지를 강화하는 의미를 지닌다. 무궁화위성 5호의 서비스 지역은 한반도 뿐 아니라 일본, 중국, 대만, 필리핀 등을 포함하여, 기존 한반도 중심의 서비스 영역 한계를 벗어났다는 큰 의미를 지니며, 요즘 한참 활성화되고 있는 한류 콘텐츠를 인근 국가에 직접 송출하고, 해당 국가에서 활동하는 국내기업들에게 전용회선, 인터넷 서비스를 제공하는데도 활용되고 있다. 또한 광대역화가 필요한 해상통신 및 군 통신 등 군사용 목적에도 일부 사용될 예정이다.  

2006년 12월 25일 - 국내 최초의 우주인 후보 선발

우주인 배출사업은 2000년 12월 우주개발중장기기본계획에 처음 반영되었으며, 2004년 1월 과학기술부의 연두업무보고를 통해 가시화되었다. 우주인 배출사업은 유인 우주 프로그램의 핵심인 우주인 선발, 훈련, 관리와 기술적 노하우를 습득하고, 한국 우주인이 수행할 우주실험 및 우주실험장비 개발에 대한 시술습득을 목적으로 하고 있다. 2005년 11월 한국 우주인 배출사업 추진위원회가 사업의 주관기관으로 항공우주연구원을 선정하면서 우주인 배출사업이 본격화 되었다.

합숙 평가, 훈련기 탑승 및 러시아 현지평가로 진행된 최종 선발 평가를 통해 2006년 12월 25일 2명의 우주인후보가 최종 선발되었다. 최종 선발된 2명의 우주인 후보자는 2007년 초부터 러시아 모스크바 인근에 위치한 유리 가가린 우주인 훈련센터에서 기초 및 고등훈련을 받고있다. 훈련 중 최종선발된 1명의 우주인은 오는 2008년 4월 러시아 소유즈 우주선에 탑승하여 국제우주정거장(ISS)을 방문하게 된다. 한국 최초의 우주인은 국제우주정거장(ISS)의 러시아 모듈인 즈베즈다(Zvezda)에서 7~8일간 체류하면서 지상과의 교신 및 과학임무 등을 수행할 계획이다.

3. 우리나라 인공위성 개발현황

인공위성(人工衛星, artificial satellite)은 행성의(주로 지구) 궤도를 돌도록 쏘아 올린 인공 장치로서, 그 용도에 따라 과학위성, 통신위성, 군사위성, 기상위성 등으로 분류한다. 세계 최초의 인공위성은 1957년 10월 14일에 발사한 소련의 스푸트니크 1호이며, 대한민국 최초의 인공위성은 1992년 8월 11일에 발사한 우리별 1호이다.<자료:위키백과>

우리나라 우주개발
개발기관로켓우리별 위성아리랑 위성과학기술 위성무궁화 위성

* KARI

* 대한항공

* KAI

* KAIST

* ADD

* 과학로켓 1호

* 과학로켓 2호

* 과학로켓 3호

* KSLV-I

* KSLV-II

* KSLV-III

* 우리별 1호

* 우리별 2호

* 우리별 3호

* 아리랑 1호

* 아리랑 2호

* 아리랑 3호

* 아리랑 5호

* 아리랑 6호

* 아리랑 7호

* 과학기술위성 1호

* 과학기술위성 2호

* 무궁화 1호

* 무궁화 2호

* 무궁화 3호

* 무궁화 5호

가. 우리별 시리즈

(1) 우리별 1호

 

(가) 개발목적

- 위성 제작 기술 습득 - 위성 관련 분야의 전문 고급인력 양성

- 우주과학에 대한 국가적 관심 증대 및 우주산업의 활성화

- 청소년들의 우주에 대한 관심 고양

- 우주환경의 이해  

(나) 주요제원

① 발사일 : 1992년 8월 11일 오전 8시 08분(한국시간)

② 발사체 : ARIANE4 V.52

③ 총 개발비용 : 38.2억원

④ 지원부처/기관 : 과학기술부, 정보통신부, 과학재단

⑤ 궤 도 : 1300 km 원형궤도 (경사각 : 66.08o)

⑥ 크 기 : 352x356x670 mm

⑦ 무 게 : 48.6 kg

⑧ 최대공급전력 : 최대 30 W 공급

⑨ 자세제어방식 : 중력경사 안정화 방식, 자기토커제어

⑩ 지향정확도 :5도 이내

⑪ 주파수 대역 :

- 상향링크 : 145.90, 145.85 MHz

- 하향링크 : 435.175 MHz

⑫ 주 컴퓨터 : OBC186(80C186)

⑬ 탑재체

- 축적 및 전송 통신 시험

- 지구표면촬영 실험

- 우리말 음성방송 실험

- 우주 방사선 측정 실험

(2) 우리별 2호

(가) 개발목적

- 우리별1호의 문제점들을 수정 보완

- 국산 부품을 가능한 한 많이 사용

- 국내에서 제작된 실험 모듈들을 최대한 수용

- 소형위성개발에 대한 확신

(나) 주요제원

① 발사일 : 1993년 9월 26일 오전 10시45분(한국시간)  

② 발사체 : ARIANE4 V.59  

③ 총 개발비용 : 31.2억원  

④ 지원부처/기관 : 과학기술부, 정보통신부, 과학재단  

⑤ 궤 도 : 800 km 원형 태양동기궤도 (경사각 98.57o)  

⑥ 크 기 : 352x356x670 mm  

⑦ 무 게 : 47.5 kg  

⑧ 최대공급전력 : 최대 30 W 공급  

⑨ 자세제어방식 : 중력경사 안정화 방식, 자기토커제어  

⑩ 지향정확도 : 5도 이내  

⑪ 주파수 대역 :

- 상향링크 : 145.98, 145.87 MHz

- 하향링크:436.50 MHz  

주 컴퓨터  OBC186(80C186)  

⑫ 탑재체 :

- 지구표면촬영 실험

- 소형위성용 차세대 컴퓨터

- 고속 변복조 실험 장치

- 축적 및 전송 통신 실험

- 저에너지 입자 검출기

- 적외선 감지기 실험 장치  

(3) 우리별 3호

(가) 개발목적

- 3축 자세제어

- 공통버스 구조

- 전개식 태양전지판

- 고속 데이터 전송 장치

- 대용량 메모리 시스템  

(나)주요제원

① 발사일 : 1999년 5월 26일 오후 3시 22분(한국시간)  

② 발사체 : PSLV-C2

③ 궤 도 : 730 km 원형 태양동기궤도  

④ 총 개발비용 : 80억원

⑤ 지원부처/기관 : 과학기술부, 정보통신부, 과학재단

⑥ 크 기 : 495x604x852 mm  

⑦ 무 게 : ~ 110 kg  

⑧ 최대공급전력 : 최대 180 W 공급  

⑨ 자세제어방식 : 3축 안정화 방식, 자기토커제어  

⑩ 지향정확도 : 0.5도 이내  

⑪ 주파수 대역 :

- 상향링크 : 148 MHz

- 하향링크 : 401 MHz, 2.2 GHz, 8.2 GHz  

⑫ 주 컴퓨터 : KASCOM(80960)  

⑬ 탑재체 :

- 원격탐사 탑재체 : 15m급 해상도, 3채널, 선형 CCD 카메라

- 우주과학 탑재체 : 방사능영향측정기고에너지 입자 검출기정밀 지구자기장 측정기전자 온도 측정기

나. 과학기술위성시리즈

(1) 과학기술위성 1호

(가) 개발목적

① 사업목표

- 소형위성을 이용한 국제적 수준의 과학관측 임무수행

- 원자외선 영역의 우주 및 지구 분광 관측

- 오로라의 발생원인 규명을 위한 입자검출 실험  

② 사업기간: 1998.10. ~ 2003.12. (5년2개월)

③ 총연구비: 116 억원

④ 과학기술위성1호 임무

- 핵심 선행기술 개발 및 시험

- 정밀 우주 관측  

(나) 주요제원

① 발사일 : 2003.9.27  

② 발사체 : COSMOS 3M  

③ 궤 도 : 690 km 원형 태양동기궤도  

④ 총 개발비용 : 116 억원

⑤ 지원부처/기관 : 과학기술부

⑥ 크 기 : 665*551*830 mm  

⑦ 무 게 : 106 kg  

⑧ 최대공급전력 : 최대 180 W 공급  

⑨ 자세제어방식 : 3축 안정화 방식  

⑩ 지향정확도 : 0.2도 이내  

⑪ 주파수 대역 :

- 상향링크 : 148 MHz

- 하향링크 : 401 MHz, 2.2 GHz, 8.2 GHz  

⑫ 주 컴퓨터  KASCOM(80960)  

⑬ 탑재체 :

- 원자외선 분광기

- 우주물리 탑재체

 . 고에너지 검출기(SST)

 . 저에너지 검출기(ESA)

 . 랑마이어 탑침(LP)

 . 정밀 지구자기장 측정기(SM)

- 데이터 수집장치

- 고정밀 별감지기  

(2) 과학기술위성 2호

(가) 개발목적

① 사업목표

- 국내 발사장에서 소형위성 발사체(KSLV-1)에 실려 최초로 발사될 100kg급 저궤도 인공위성의 개발

- 첨단 소형위성 본체 시스템 기술 및 핵심 위성기술의 선행연구개발

- 국제적 수준의 첨단 관측장치 개발 및 운용

- 이론과 실무를 갖춘 위성분야 연구인력 양성

② 사업기간: 2002.10. ~ 2005.12. (3년3개월)

③ 총연구비: 136.5억원

④ 과학기술위성2호 임무

- 위성체 핵심기술 개발 및 시험

- 정밀 궤도 측정

(나) 주요제원

① 발사 예정일 : 2009.6

② 궤 도 경사각 : 80°, 고도 300×1500km

③ 수 명 : 2년

④ 크 기 : ø × 1m 이내

⑤ 무 게 : 100kg 이하 (어댑터 포함)

⑦ 최대공급전력 : 160WⓐEOL  

⑧ 자세제어 : 3축 안정화 방식, 0.15 deg 지향정확도

⑨ 통 신 :

- S-band U/L : 9.6kbps

- S-band D/L : 38.4kbps

- X-band D/L : 10Mpbs  

⑩ 주 컴퓨터 : Power PC 603e

⑪ 핵심 기술 :

- 이중머리 별감지기

- 정밀디지털태양센서

- 펄스형 플라즈마 추력기

- 소형위성탑재컴퓨터

- X밴드 송신기

- 전자기토커  

⑫ 탑재체 :

- 마이크로파 복사계 시스템 (라디오미터)

- 레이저 반사경  

(3) 과학기술위성 3호  

(가) 개발목적

① 사업목표

- 국가우주기술 축적을 위한 150kg급 소형위성 본체 및 탑재체 개발

- 실용위성과 연계될 차세대 고성능 핵심우주기반기술 연구

- 차세대 우주기술 확보를 위한 우주/지구과학 실험 및 우주기술검증

- 본체 및 탑재체 개발을 통한 관련분야 전문인력 양성

② 사업기간 : 2007.05.~ 2010.11.30

③ 총연구비 : 180억원 (과학기술부 지원)

④ 과학기술위성 3호 주요임무

- 우리은하 근적외선 탐사관측

- 근적외선 우주배경복사 관측 및 지구관측

- 분광영상기를 이용한 지구자원탐사  

⑤ 총괄기관 : 한국항공우주연구원

⑥ 협동연구기관

- 한국과학기술원 (인공위성연구센타, 기계공학과, 항공우주공학과, 물리학과, 전기 및 전자공학과)

- 충남대, 우석대, 한국천문연구원(주탑재체), 공주대학교(부탑재체)

(나) 주요제원

① 궤 도 : 경사각 98.18 ˚, 고도 700km (태양동기궤도)

② 수 명 : 2년

③ 무 게 : 150kg 이내

④ 최대공급전력 : 300W @ EOL

⑤ 자세제어 : 3축 안정화 방식

⑥ 통 신 :

- S-band U/L : 9.6kbps

- S-band D/L : 38.4kbps

- X-band D/L : 10Mbps  

⑦ 주 컴퓨터 : Leon3

⑧ 핵심 기술 :

- Li-ion 배터리

- 다기능 복합재 구조체

- 고성능 탑재컴퓨터

- 소형 태양전력조절기

- 전기추력기  

⑨ 탑재체 :

- 다목적 적외선 영상시스템

- 소형영상분광기

다. 핵심 우주개발

(1) 다기능 구조체 (Multi-Functional Structure)  

위성에서 일반적으로 사용되는 전자유닛는 전자부품이 고정된 PCB가 금속구조물(Housing)에 의해 지지되는 구조를 가지고 있다. 일반적인 전자유닛 금속구조물은 열전도도, 우주방사능 차폐, 무게등을 고려하여 알루미늄으로 제작된다. 하지만, 최근 위성개발의 추세가 점차로 소형화/경량화 되어가는 추세에 발맞추어 기존의 금속구조물을 제거하여 무게와 부피를 획기적으로 감소시키되, 금속구조물이 갖는 장점은 그대로 살릴 수 있는 다기능 구조체(Multi-Fuctional Structure, MFS)의 개념이 등장하였다.

다기능 복합재는 구조, 열제어, 전기/전자, 물리의 기술이 하나로 집약되어야 구현될 수 있는 기술이다. 현재, KAIST 인공위성 연구센터에서 과학기술위성 3호 GPSR과 TAU 유닛의 기능을 다기능 구조체로 구현하기 위한 연구가 진행 중이다.

(2) 고성능 탑재컴퓨터 개발  

위성의 임무가 다양하고 복잡해짐에 따라 위성 데이터 처리 능력의 향상이 요구되고 있을 뿐만 아니라 소형화의 요구도 제기되고 있는 실정이다. 따라서, 현재 실용위성에서 사용하고 있는 ERC32 Processor를 대체할 것으로 예상되는 LEON Processor 및 FPGA, Space-wire를 이용한 차세대 탑재컴퓨터를 개발하고 이를 우주에서 검증, 차세대 실용급 위성에 적용하기 위한 연구가 진행 중이다. 고성능 탑재컴퓨터는 과학기술위성 3호의 핵심기술로 KAIST 인공위성연구센터와 충남대, 군산대, 계명대의 공동연구로 개발 중이며 과학기술위성 3호의 탑재 컴퓨터로 사용될 예정이다.

(3) 홀 추력기용 연료공급장치  

현재 개발되고 있는 과학기술위성 3호에는 우주 성능검증과 궤도천이 시험을 위해 전기추력기의 하나인 홀 추력기 (Hall Thruster)가 탑재될 예정이다. 전기 추력기는 높은 비추력(배기속도)을 얻을 수 있어 연료절약, 위성의 무게감소, 위성 운용시간 증가 등의 장점을 가지고 있으며, 궤도/자세제어용 소형 추력기는 국가기술지도상 핵심 요소기술로 선정되어 있다. 과학기술위성 3호 홀 추력기의 연료로는 제논(Xenon)이 사용될 예정이며, 제논은 불활성 기체로 이온화 에너지가 작고 질량이 커서 전기 추력기의 연료로 적합하여 기존 전기추력기에 광범위하게 사용되고 있다.

과학기술위성 3호의 연료공급장치(Xenon Feeding System, XFS)는 제논을 저장하는 연료 저장탱크 (Xenon Storage Tank)와 홀 추력기에서 요구하는 유량으로 제논을 공급할 수 있도록 압력과 유량을 조절하여 홀 추력기로 공급하는 연료공급배관 시스템으로 구성되어 있으며 홀 추력기를 개발을 담당하는 KAIST 최원호 교수팀과 KAIST 인공위성 연구센터의 협력으로 연구개발이 진행 중에 있다.

(4) 리튬-이온 배터리 (Li-Ion Battery)  

과학기술위성에는 Hall Effect Thruster가 장착될 예정이며, 전체 위성의 전력소모량은 약 300W에 이를 것으로 예상된다. 따라서, 작은 부피/무게를 이용하여 전력계(약 300W, EOL)에서 공급되는 높은 에너지를 저장할 수 있는 리튬-이온 배터리를 사용할 계획이다.

리튬-이온 배터리는 기존 위성에서 사용되었던 Ni-Cd 배터리에 비해 전력 저장밀도가 월등히 뛰어난 특성을 가지고 있다. 국내 IT 산업의 발전과 함께 배터리 기술이 날로 발전하고 있으며, 이미 차량용 배터리 등은 시제품의 형태로 개발이 완료된 상태이다. 과학기술위성 3호의 구동에 리튬-이온 배터리를 이용할 계획으로 연구가 진행 중이다. 한편, 리튬-이온 배터리를 안정적으로 사용하기 위해서 전압변화에 강인하고 Cell-balancing 기능을 포함하는 추가적인 Circuit의 개발이 수행되고 있다.

본 연구를 통해서 리튬-이온 배터리에 대한 위성용 기술을 확보하고 국내 기술발전에도 기여할 수 있을 것으로 예상한다.

(5) 초소형 영상 분광기(COMIS, COMpact Imaging Spectrometer)  

탑재체 개발, 응용연구 및 전문인력 양성을 목표로 개발 중인 과학기술위성 3호 부탑재체인 초소형 영상 분광기는 지표면의 수질, 농작물 작황상황, 에어로졸 광학두께 측정연구 등에 사용되는 최첨단 장비이다.

일반 광학카메라로 지표면을 촬영할 경우에는 가시광선 영역(눈으로 보이는)의 사진 밖에는 획득할 수 없다. 하지만, 동일 지점을 다양한 파장영역으로 사진을 찍으면 지표면의 상황에 따라 형상이 다르게 나타난다. 초소형 영상 분광기는 관측지점에 대한 다양한 파장영역 사진을 획득, 비교하여 지표면에서 발생하고 있는 다양한 사건들을 판독할 수 있게 하는 역할을 수행한다. 초소형 영상 분광기는 자원탐사, 재난감시 등에도 널리 사용될 수 있으므로 해외 위성에는 이미 탑재되어 좋은 연구성과를 도출하고 있다.

초소형 영상 분광기는 과학기술위성 3호에 탑재될 목적으로 공주대, KAIST 인공위성 연구센터, 표준과학연구원(KRISS)의 공동연구로 개발되고 있다.

(6) 저잡음 고속데이터 처리장치 성능 시뮬레이터 개발  

위성의 임무기간 동안 정밀한 관측과 다양한 관측정보를 획득하기 위해 최근 개발되고 있는 위성 시스템은 과거에 비해 대용량 및 고속의 데이터를 처리할 수 있어야 한다. 저잡음 고속 데이터 처리장치의 성능 시뮬레이터는, 최대 1Gbps의 탑재체 데이터를 수신/처리하고 600Mbps 이상의 전송 속도를 갖는 장치로서 이를 활용하여 실재 차세대 위성 시스템에 장착할 수 있는 데이터 처리 장치의 개발 모델(Development Model)이다. 고속의 데이터 처리를 위한 FPGA 회로 설계 및 데이터처리 로직, 고속 직렬 인터페이스, 그리고 차세대 데이터 저장용 DDR-II 메모리 인터페이스를 구현하고 시스템의 확장성을 고려하여 SpaceWire 인터페이스를 적용하여 모듈화가 용이하도록 설계되었다. 2007년도 개발기간을 거쳐 현재 시뮬레이터의 개발이 완료된 상태이며, 향후 고성능의 위성 시스템 개발에 활용할 예정이다.

고속 데이터 처리장치 성능 시뮬레이터의 시험 장면

(7) 우주부품 내방사선 시험기술 개발연구  

21세기 프론티어 사업의 하나로 진행되고 있는 양성자기반공학기술개발 사업을 통해 2010년까지 경주에 100 MeV 급의 양성자 가속기가 건설이 되고 있다. 인공위성연구센터에서는 가속기를 이용한 응용 분야 중 하나로서 우주부품의 내방사선 시험 연구를 맡아 연구를 수행 중에 있다. 우주에는 수 MeV에서 수 GeV에 이르는 다양한 종류와 에너지를 가진 우주입자가 존재하는데, 이를 지상에서 가속기를 통해 인공위성의 부품이 받는 영향을 연구하고 내방사선 부품을 인증하는 것이 사업의 가장 큰 목적이다.

3단계의 사업으로 이루어진 사업 중 현재 2단계까지의 사업이 마무리가 되었으며, 총 방사선 효과(TID: Total Ionizing Dose)과 단일사건 효과(SEE: Single Event Effect)로 구분되는 위성 부품의 영향에 대하여 감마선 조사 시설(한국원자력연구원 정읍분소) 및 양성자 빔(한국원자력의학원)을 이용한 시험기술을 개발하고, 이를 과학기술위성 2호에 적용하는 성과를 거두었다.

과학기술위성의 주요 전자 부품에 대해 감마선과 양성자 빔을 이용하여 방사선 노출 시험을 수행하는 장면

(8) 다목적 실용위성 5호 레이저 반사경 성능 해석  

레이저반사경은 위성 레이저 레인징(Satellite Laser Ranging)을 위하여 인공위성에 부착하는 거울로서, 지상에서 방사된 레이저가 지구주위를 돌고 있는 인공위성에 부착된 레이저반사경에서 반사되어 지상관측소가 있는 위치로 레이저 빛이 많이 되돌아오도록 하는 것이 핵심기술이다. 따라서 레이저반사경에 부착되는 코너큐브프리즘의 크기, 부착방향, 반사율 및 코너큐브프리즘 삼면의 이면각 크기 및 빔의 확산각 등에 따라서 레이저반사경의 성능이 결정된다.

성능 예측을 위하여 레이저반사경의 유효면적을 계산하고, 회절무늬 해석을 수행하였다. 또한, 위성의 다양한 자세에 따른 전 세계 다양한 지상관측소에 대한 링크 버짓(Link Budget) 분석을 통하여 관측될 광자수를 계산하였다. 이를 통하여 다목적실용위성5호와 지상관측소의 거리를 수mm 정밀도로 관측이 가능함을 확인하였다. 다목적실용위성5호의 정밀궤도결정을 통하여 GPS를 이용한 정밀궤도결정 정밀도를 보정하고, 주탑재체인 합성개구레이다(SAR) 영상 정밀도를 향상시켜 줄 것으로 예상된다.

다목적실용위성5호 레이저반사경 회절무늬

(9) 고에너지 전자에 의한 아크방전이 인공위성에 미치는 영향 분석  

우주 공간에서 고에너지 전자들은 쉽게 인공위성의 외벽을 뚫고 침투하여 위성의 절연 물질에 쌓이게(build up) 된다. 이러한 과정을 통하여 절연 물질은 높은 전압을 갖게 되고, break down voltage에 이르게 되면 순간적인 방전(arc discharge)을 일으키게 된다. 이러한 현상에 의해 위성 내 전자 부품이 파괴되거나 물질의 특성이 변화하여, 위성의 오작동을 일으키거나 심한 경우 동작이 정지될 수 있다.

본 과제에서는 인공위성 외벽을 구성하는 물질로 사용되는 알루미늄과 복합 소재에 대한 고에너지 전자빔 투과 실험을 수행하고 있으며 현재까지의 실험 결과 알루미늄에 비해 복합 소재의 전자빔 투과율이 1.5 배 정도 큰 것으로 나타남을 알 수 있었다. 또한 인공위성 자세 제어를 위한 태양 센서에 사용되는 solar cell에 전자빔을 조사하고 open circuit voltage와 short circuit current를 측정하였으며 SEM 촬영을 통해 solar cell 표면 변화를 관찰하고 있다.  

전자빔 조사장치 (한국원자력연구원)전자빔 조사에 사용된 solar cell
위성의 오동작 원인에 따른 사례
(1971 - 1994)
과학기술위성 1호에 의해 관측된
북극 상공에서의 고에너지 전자분석

by 약초마을 | 2009/02/15 17:08 | 사회문화 | 트랙백(1) | 덧글(0)

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