우주로켓과 인공위성의 임무

통신, 지구 관측, 행성 탐사 등의 우주 활동을 임무(Mission)라고 한다. 이 임무를 수행하려면 위성 등의 페이로드가 각 임무에 적합한 궤도를 자연법칙에 따라 장기간 비행하는 것이 필요하다. 우주로켓의 역할은 단순히 일정 질량의 페이로드를 우주 공간에 두는 것이 아니라 각 임무에 적합한 목표 궤도에 정확하게 진입시키는 것이다. 그래서 우주로켓은 페이로드의 크기, 형상, 질량이나 투입 궤도 등의 조건이 필요하다. 이것을 ‘임무’라고 한다.

 

‘인공위성’은 지구 중력 범위 안에서 지구를 돌면서 통신, 천문 관측, 지구 관측, 과학 실험 등의 임무를 수행한다. 한편, 우주 탐사선은 지구 중력의 영향을 벗어나 태양의 중력 범위 안으로 들어가고 나서 최종 목표로 하는 행성과 소행성으로 비행을 계속 유지하는 것이다.

 

지구 주변의 우주 공간을 비행하는 인공위성이나 우주선의 궤도는 고전역학의 원리가 필요하다. 그 궤도는 지구 중심을 초점으로 하는 원뿔곡선, 다시 말하면 원과 타원, 포물선, 쌍곡선과 같은 세 종류의 2차 곡선으로 제한한다. 원은 타원의 특수한 경우이다. 그 요점은 다음과 같다.

 

원 · 타원 궤도

지구를 주회하는 원과 타원 궤도는 저고도에서 고고도까지 많은 궤도가 있으며, 천문 관측, 지구 관측, 통신, 위치 측정 등 다양한 목적으로 사용한다. 지구는 균질한 구체이고, 주위가 진공이라고 가정하면, 고도가 ‘0’인 지구 표면을 영원히 비행하는 가상의 원 궤도에서 관성속도는 7.91km/s이다. 이것을 ‘제1 우주속도’라고 한다.

 

포물선 궤도

궤도속도가 타원 궤도보다 빠르면 궤도가 타원에서 포물선으로 바뀐다. 균질한 구체의 지구 표면에서 출발하여 지구 중력에서 탈출할 수 있는 가상의 포물선 궤도에서 관성속도는 11.18km/s로 이것을 ‘제2 우주속도’라고 한다. 이 포물선 궤도는 에너지 효율이 낮아서 우주 탐사에는 이용하지 않는다.

 

쌍곡선 궤도

궤도속도가 제2 우주속도보다 더 빨라지면 쌍곡선 궤도로 바뀌며, 이 궤도를 타고 지구 중력을 탈출한 우주 탐사선은 그냥 지구로 돌아올 수 없다. 이후 태양의 중력 범위 안에서 궤도를 타고 행성 공간을 비행한다.

 

상기 세 종류의 2차 곡선에서 우주개발에 사용하는 중요한 궤도의 개요와 특징은 다음과 같다.

 

지구 저궤도 (Low Earth Orbit (LEO)), 원 · 타원 궤도

고도 약 200～500km, 주기 = 약 90분의 순행원 궤도 (가 많다.)

• 국제우주정거장은 고도 약 400km의 원 궤도
• 고에너지 궤도로 이행하기 위한 잠정 정지궤도로 많이 사용되는 궤도

중고도 GPS 궤도(전지구측위궤도), 원 · 타원 궤도

고도 약 20,000km의 행원 궤도, 주기 = 약 12시간, 궤도 경사각 = 55°

• 24기를 기본으로 하는 미국의 군사위성이 전 지구상의 이동 물체의 위치를 측정한다.

정지궤도(Geosynchronous Earth Orbit (GEO)), 원 · 타원 궤도

적도 상공 35,786km의 행원 궤도

궤도 경사각 = 0° 지표와 상대적으로 정지하고 있다.

• 통신과 (지구 전체의) 관측에 최적
• 실용 위성 대부분이 이용한다.

 

 

호만 전이 궤도(Hohmann Transfer Orbit), 원 · 타원 궤도

위성이 저고도 궤도에서 고고도 궤도로 이행할 때 가장 에너지가 효율적인 궤도

• 정지위성을 발사할 때 이용한다.
• 적도 상공에서 주차 궤도에 외접하고 정지궤도에 내접하는 궤도를 정지 천이 궤도 (GTO)라고 부른다.

태양 동기 궤도(Sun-Synchronous Orbit (SSO)), 원 · 타원 궤도

위성 궤도면과 태양의 이루는 각도가 항상 일정

고도 600~900km, 경사각 98°~99°의 역행 궤도. 위성 통과 지점의 지방 시간이 일정

• 지구 관측에 가장 적합하다.
• 대부분 지구관측위성은 태양 동기 준회귀 원 궤도를 이용한다.

 

 

준회귀 궤도 (Sub-Recurrent Orbit), 원 · 타원 궤도

위성이 N일 후에 같은 지점(상공)으로 돌아가는 궤도

• 지구 관측에 가장 적합하다.
• 대부분 지구관측위성은 태양 동기 준회귀 원 궤도를 이용한다.

우주 탐사를 위한 궤도, 쌍곡선 궤도

지구의 영향에서 탈출한 뒤 태양 중력의 영향 아래에서 비행한다.

• 모든 우주 탐사선이 이용한다.

[우주로켓] 우주로켓에 필요한 성능