불과 얼마 전까지만 해도 인공위성은 일급비밀에 속하는 낯선 장치였다. 인공위성은 주로 정찰이나 첩보활동과 같은 군사적인 용도로 사용되었다. 그러나 지금은 우리의 일상생활에서 없어서는 안 될 중요한 부분이다. 기상예보다, GPS, 위성 TV회사들의 화면 전송 등 우리는 이 덕분에 더 편리하고 안전하게 일상을 누릴 수 있으며, 이 기술들은 앞으로도 우리 삶에 더 깊이 통합될 전망이다.
인공위성의 궤도속도와 고도
위성이란 원형이나 타원형 궤도로 지구 주위를 선회하는 물체를 말한다. 달은 최초의 그리고 자연적인 지구의 위성이다. 지금은 사람이 만든, 즉 인공의 위성이 많이 존재하는데, 이들 대부분은 달보다 훨씬 지구에 가까운 거리에 있다. 로켓이 지구 중력을 완전히 벗어나서 우주공간으로 날아가려면 적어도 4만 320 kph의 속도로 가속을 해야 한다. 위성을 지구 주위의 궤도에 올려놓는 데에는 로켓이 지구의 중력을 탈출하는 데에 필요한 것보다 훨씬 작은 속도로 가능하다. 위성을 궤도로 보내는 목적은 지구 중력을 벗어나는 것이 아니라 지구 중력과 균형을 맞추는 데에 있다. 만일 위성이 너무 느린 속도로 선회하면 중력이 다시 지구로 잡아당길 것이다. 따라서 궤도속도는 위성에 대한 지구의 인력과 위성의 운동관성, 즉 위성이 계속 나아가려고 하는 힘사이에 균형을 맞추는 데에 필요한 속도이다. 이것은 고도 242킬로미터에서 약 2만 7,359 kph이다. 위성의 궤도속도는 위성의 고도에 따라서 다르다. 지구에 가까울수록 필요한 궤도속도는 더욱 커진다. 고도 200킬로미터에서 필요한 궤도속도는 2만 7,400 kph 이상이다. 3만 5,786킬로미터 상공에서 궤도를 유지하려면 위성은 1만 1,300 kph의 속도로 궤도를 선회해야 한다. 이 궤도속도와 거리로 위성은 24시간에 한 번씩 자전을 하게 한다. 지구 역시 24시간에 한 번 자전하기 때문에 고도 3만 5,786킬로미터 상공에 떠 있는 위성은 지표면의 한 지점에 대해서 상대적으로 고정된 위치에 머물게 된다. 이 위성은 항상 동일한 장소 위에 머물러 있기 때문에 이런 종류의 궤도를 정지궤도라고 부른다. 정지궤도는 기상위성이나 통신위성에 이상적인 궤도이다.
각 부분
위성마다 큰 차이가 있지만 모든 위성들은 몇 가지 부분들을 공통적으로 가지고 있다. 위성은 금속이나 합성물질로 만들어진 버스라고 하는 틀과 몸체를 가지고 있다. 버스는 우주공간에서 모든 장비들을 한데 모아 가지고 있으며, 발사 시에 위성을 안전하게 보호할 수 있을 만큼 튼튼하다. 위성의 각 부품은 버스에 붙어 있다. 덮개와 해치가 부품들을 둘러싸서 우주공간의 부유물질이나 태양빛으로부터 보호한다. 동력원은 보통 축전지와 함께 태양전지로 이루어져 있다. 태양전지는 재충전되는 축전지에 동력을 제공한다. 대부분의 위성에서 동력은 아주 귀중한 것으로 그 양도 매우 제한되어 있다. 다른 행성으로 여행하는 우주탐사선에는 원자력이 사용된다. 동력 시스템은 항상 모니터 되고 있으며 동력과 시스템 관련 장치에 대한 모든 데이터는 원격신호로 지구통제실에 전송된다. 위성에 탑재되어 있는 컴퓨터는 여러 시스템을 제어하고 모니터 한다. 대부분의 위성에는 전파송수신기가 있어서 지상 관제요원이 위성의 상태에 대한 정보를 요청해서 이상 유무를 모니터 한 후 조정할 수가 있다. 궤도 수정에서 컴퓨터 시스템을 재프로그래밍하는 일에 이르기까지 대부분의 위성은 모든 것을 지상에서 다양한 방법으로 제어할 수가 있다. ACS(고도제어 시스템)는 위성이 일정방향을 유지하도록 제어한다. 허블 우주 망원경은 아주 정교한 시스템을 가지고 있어서 한 번에 몇 시간 혹은 며칠 동안 우주의 일정 위치를 주시하게 만들 수 있다(망원경은 2만 7,359 kph의 속도로 여행을 하고 있지만 말이다). 이 시스템에는 자이로스코프와 가속도계, 반동 휠과 안정화 시스템, 자세제어 로켓 그리고 가이드 별을 보고 위치를 결정하는 여러 센서들이 들어 있다.
만드는 비용
위성은 수억 달러에서 수십억 달러에 이르는 많은 비용이 들어가는 장치이다. 가격이 높은 이유는 보통 주문생산으로 제작되고 특수한 장치와 기술을 사용하며 또한 극히 낮은 전원에서 작동해야 하고 신뢰성이 아주 높아야 하기 때문이다. 위성은 10년 이상을 궤도 상에 머물게 된다. 우주의 극한 환경 속에서 그 정도의 기간 동안 고장 없이 신뢰성 있게 작동할 수 있는 장치를 만든다는 것은 값비싼 도전이다. 위성에 소요되는 또 다른 중요한 비용은 발사에 필요한 비용이다. 하나의 위성을 발사하는 데에는 1회용 로켓을 사용하느냐 우주왕복선을 사용하느냐에 따라서 5,000만 달러에서 5억 달러 사이의 비용이 든다. 위성을 만들어서 궤도에 쏘아 올린 후 지상관제 센터에서 계속 유지관리하는 일은 재정적으로 정말 많은 노력이 들어가야 하는 일이다. 또한 위성의 개발 과정은 기숙 집약적이기 때문에 높은 비용이 소요되며, 여기에는 지상에서 궤도까지 안전하게 운반하기 위한 발사 비용도 포함된다. 최근에는 초소형 위성 개발이 활발해지며 비용 절감이 이루어지고 있으며, 민간 기업들이 저렴한 발사체와 더 효율적인 위성 제작 기술을 통해 우주 개발 시장에 진입하고 있다.