인공위성 로켓의 발사 원리와 종류

최근 인공위성이나 우주로켓 발사와 같은 우주항공 기술이 발달하면서 우리 삶에서 중요한 요소 중 하나로 작용하고 있다. 또 인공위성을 통해 날씨 변화나 군사기지 등 군사적으로도 중요한 요소가 됐지만 우라의 삶에서 중요한 인공위성에 대해 잘 모르는 것 같아 인공위성의 작용 원리와 제1우호속도, 제2우주속도, 그리고 인공위성이 도는 궤도 찾기에 대해 알아보기 위해 탐구 주제로 선택하게 됐다.

— 인공위성의 종류인 인공위성은 로켓을 이용해 대기권 밖으로 발사돼 천체 주위의 원 또는 타원 궤도를 위성처럼 도는 인공 물체다. 인공위성은 비행하는 궤도의 고도에 따라 정지위성과 이동위성으로 나뉘는데 정지궤도위성을 중심으로 정지궤도위성보다 낮은 궤도로 지구 주변을 비행하는 인공위성과 높은 궤도로 지구 주변을 비행하는 인공위성이 있다.

정지궤도 위성은 적도 상공 약 36,000㎞의 정지궤도를 비행하는 위성이며, 정지궤도 이외의 궤도를 비행하는 것은 이동위성이다. 이동위성은 대부분 정지궤도 위성보다 낮은 궤도를 비행하는 저궤도 위성이지만 우주탐사위성처럼 정지궤도 위성보다 높은 궤도를 비행하는 것도 있고 남북 방향으로 이동하는 극궤도 위성도 존재한다. 인공위성은 용도에 따라 통신방송 기상 및 해양관측 등의 용도로 이용되는 실용위성과 특수한 과학관측 및 연구용 과학위성, 첩보 등 군사위성 등으로 분류된다. 그러나 최근에는 탑재장치의 소형, 경량화와 함께 여러 종류의 관측 데이터를 지구로 보낼 수 있는 전송기술의 발달로 분류가 불분명해지는 추세다.실용위성은 대륙간 또는 대륙과 해양간 통신을 중계하는 통신위성이 대표적이다. 통신위성은 국가간 또는 자국내에서의 전화, 팩시밀리, 전송, 화상회의, 텔렉스, 데이터통신 등의 서비스에 이용되고 있다. 통신위성은 통상 방송 서비스도 함께 제공한다. 방송위성은 지상국으로부터 수신한 TV 프로그램 신호를 각 가정에서 직접 수신할 수 있도록 하는 위성방송에 이용된다. ‘기상위성’은 카메라를 통해 지구 궤도상에서 지구 표면의 구름 분포나 기압 배치 등을 관측해 광역 기상 데이터를 공급한다. 지구관측위성은 기상위성에서 발전한 것으로 지구 표면에서 반사 또는 방사 스펙트럼을 관측하는 위성이다. 과학위성은 태양계를 연구하거나 우주공간을 조사하기 위한 것이다.군사위성 또는 정찰위성은 핵시설이나 미사일 발사기지 등 군사시설을 정찰하기 위해 저고도에서 목적지 상공을 선회하며 사진을 촬영하고 데이터를 전송한다. 사진 정찰 외에 적외선 탐지, 전자정찰, 군사통신, 기상관측 등도 가능하다.

— 인공위성의 원리 인공위성은 정해진 궤도를 멈추지 않고 돈다. 그 이유는 무엇일까. 쉽게 말해 높은 산에 올라가 돌을 던지면 곧 땅에 떨어지게 된다. 그러나 조금 더 빨리 던지면 물체는 더 멀리 가서 떨어지게 되고 어느 정도 이상의 속력이 붙으면 물체는 지구로 떨어지지 않고 지구 주위를 계속 돌게 된다. 이것이 인공위성이 지구의 특정 궤도를 멈추지 않고 계속 도는 이유다. 이때 지구와 인공위성 사이에 작용하는 인력이 구심력이 된다.

구체적으로 말하자면 지구 중력위치에너지와 로켓의 추진력이 같아지면 떨어지지 않고 지구 주위를 계속 돌 수 있는데 이것이 바로 인공위성의 원리다. 이 원리의 예로 물이 든 통을 빠르게 돌릴 때 물이 떨어지지 않는 것이 인공위성이 지구 중력위치에너지와 로켓의 추진력이 같아지면 떨어지지 않고 지구 주위를 계속 도는 것과 같은 이유다. 인공위성은 초속 7.9km11.2km 사이에서 지구 주위를 비행한다. 로켓이나 인공위성이 지구 중력을 이기고 우주로 나가려면 초속 7.9km~11.2km일 때 지구 밖 우주로 나갈 수 있다.초속 7.9km~11.2km가 지구 중력 위치에너지와 로켓의 추진력이 같아지는 속도다. 하지만 지구 초속 7.9km 이하로 비행하면 인공위성은 원보다 작은 형태의 타원으로 돌아가 구심력이 원심력보다 작게 끌려가게 돼 인공위성은 결국 지구로 추락하게 된다.7.9㎞일 때는 원 모양으로 궤도를 돌고, 7.9㎞보다 클 때는 원보다 큰 타원으로 돌아가 구심력과 윈심력이 같아 당기거나 탈출하지 않고 지구 주위를 돌게 된다.반면 초속 11.2km 이상으로 비행할 경우 원심력이 구심력보다 커 인공위성은 지구에서 탈출해 태양 주위를 도는 인공행성이 된다.인공위성의 최저속도인 7.9㎞를 제1우주속도라고 하는데, 제1우주속도란 지구 표면을 스치듯 도는 인공위성의 속도 즉 7.9㎞를 말한다. 그리고 지구 궤도를 벗어나는 속도인 11.2km는 제2우주속도라고 한다. 더욱이 제3우주속도는 태양계를 벗어나는 속도로 16.7km다.

제1우주속도, 제2우주속도 그리고 제3우주속도를 구하는데 있어서 말한 제1우주속도와 제2우주속도를 구하는 식을 설명하면, 우선 제1우주속도는 F=mv2=GMmGMr2=mg이다.(m은 질량이고 G는 만유인력 상수) 이 식에서 v=GM rr=rrg가 되며 속도는 7.9km/s가 나오는 것과 비례식을 이용하면

(S=1초당 낙하거리(4.9m), X=물체의 수평진행거리, R=지구반경) 여기서 X와 2R-S, S와 X가 비슷하므로 X:2R-S=S:X(지구반경은 6400km)라는 비례식이 성립한다.따라서 S(2R-S)=X² 대입하면 4.9(12800000-4.9)=X² 계산해보면 6262719975.99이므로 약 7.919km/s가 나온다.

제2우주속도는 지구 중력장에서 무한히 멀리까지 가는 데 필요한 최소 속도다. 운동에너지와 위치에너지가 모두 0이어야 하므로 mv222-GMm/R=0에서 v=22GMr=22rg이 되어 제1우주속도의 루트 2배인 약 11.2km/s가 된다.

제3우주속도는 지구공전속도의 약 22배가 되는 초속 42km에서 지구공전속도인 30km를 뺀 값이다. 지구에서 지구 공전 방향으로 초속 16.7km 이상으로 물체를 쏘아 올리면 물체는 태양 인력권을 벗어나는 쌍곡선 궤도 운동을 한다.

인공위성이 나는 궤도찾기 정지궤도 위성은 지구의 자전 주기와 같아 지표면에서 보면 위성이 상공의 한 지점에 정지해 있는 것처럼 보이는 위성이다. 만유인력의 법칙과 구심력을 사용하면 정지궤도 위성이 지구에서 어느 정도 높이로 비행하고 있는지를 알 수 있다.여기서 만유인력의 법칙이란 뉴턴이 달의 운동과 케플러의 법칙을 연결하고 달과 지구 사이에 작용하는 힘은 달과 지구 질량의 곱에 비례하여 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 알아냄으로써 F=GMm(r×r)이라는 식이 성립한다.만유인력의 법칙은 GMmr2이고 정지궤도 위성의 구심력은 mXv2rr이다.여기서 G는 만유인력 상수, r=Re+h(Re는 지구 반경, h는 지표면에서 위성까지의 거리)로 지구 중심에서 정지궤도 위성까지의 거리, M은 지구 질량, m은 인공위성의 질량, v는 정지궤도 위성의 속력이다. 정지궤도 위성의 경우 인력과 구심력이 같으므로 식을 정리하면 GmMr=v2《1번식》 다음으로 정지궤도 위성의 주기 T는 24시간 또는 86,400초로 이미 알려져 있으므로 속력 또한 알 수 있다. 정지궤도 위성의 속력은 v=2rrTT《2번식》2번식을 1번식으로 대입하면 r은 다음과 같다.

(G=6.67×10-11N·m2/kg2, M=5.9742×1024kg, T=86,400초)r=Re+h이므로 위에서 구한 r로부터 지구 반경을 끌면 정지 궤도 위성의 높이 h를 얻을 수 있다. 상기 식에서 구한 정지궤도 위성의 높이는 약 36,000km로 실제 정지궤도 위성의 궤도와 일치한다. 이동위성의 궤도도 상기와 같은 방법으로 구할 수 있다.

— 탐구 결과 말하자면 지구 중력 위치에너지와 로켓의 추진력이 같아지면 떨어지지 않고 지구 주위를 계속 돌 수 있다. 로켓이나 인공위성이 지구 중력을 이기고 우주로 나가려면 초속 7.9km~11.2km일 때 지구 밖 우주로 나갈 수 있다. 초속 7.9km~11.2km가 지구 중력 위치에너지와 로켓의 추진력이 같아지는 속도다.지구 초속 7.9km 이하로 비행하면 인공위성은 원보다 작은 형태의 타원으로 돌아가 구심력이 원심력보다 작게 끌려가게 돼 인공위성은 결국 지구로 추락하게 된다.7.9㎞일 때는 원 모양으로 궤도를 돌고, 7.9㎞보다 클 때는 원보다 큰 타원으로 돌아가 구심력과 윈심력이 같아 당기거나 탈출하지 않고 지구 주위를 돌게 된다.반면 초속 11.2km 이상으로 비행할 경우 원심력이 구심력보다 커 인공위성은 지구에서 탈출해 태양 주위를 도는 인공행성이 된다.

제1우주속도는 F=mv222=GMmr2=mg이다. 이 식에서 v=GMrr=rrg가 되고 속도는 7.9km/s가 나오며, 제2 우주 속도는 지구 중력장에서 무한히 멀리 가는데 필요한 최소 속도이다. 운동에너지와 위치에너지가 모두 0이어야 하므로 mv222-GMm/R=0에서 v=22GMr=22rg이 되어 제1우주속도의 루트 2배인 약 11.2km/s가 된다.제3우주속도는 지구공전속도의 약 22배가 되는 초속 42km에서 지구공전속도인 30km를 뺀 값이다. 인공위성이 날고 있는 높이를 구하기 위해 만유인력의 법칙과 구심력을 사용하여 구할 수 있는데,

이렇게 나와. r=Re+h이므로 위에서 구한 r에서 지구반경을 빼면 정지궤도 위성의 높이 h를 구할 수 있다.

인공위성이 내 주변에서 중요하게 사용되는 것은 알지만 어떤 원리나 어떤 속도여야 지구 주위를 돌 수 있을지는 몰랐지만 이번 기회를 통해 알 수 있는 시간이 됐다. 하지만 만유인력의 법칙이나 구심력은 잘 몰라서 이해하기 힘들기도 했지만 제1우주속도처럼 처음 접하는 개념도 알게 돼 나름대로 인공위성의 원리에 대해 알게 돼 좋았던 것 같다. 그리고 주제 탐구를 하면서 계속 생각하는 건데 로켓이 지구를 나와 우주를 7.9km~11.2km 속도로 운동할 때 지구 주위를 돌 수 있다는 생각을 이룬 게 대단하다고 생각한다.

참고 문헌 http://m.terms.naver.com/entry.nhn?docId=1529005&cid=47340&categoryId=47340 https://m.terms.naver.com/entry.nhn?docId=1136020&cid=40942&categoryId=32363 https://m.blog.naver.com/karipr/221523014981 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=karipr&logNo=221531278522&isFromSearchAddView=truehttps://m.blog.naver.com/jamogenius/221203372749https://m.terms.naver.com/entry.nhn?docId=941130&cid=47338&categoryId=47338https ://m.kin.naver.com/mobile/qna/detail.nhn?d1id=11&dirId=1114&docId=63764170&qb=7KCcMeyasOyjvCDsho3rj4Q=&enc=utf8&section=kin&rank=2&search_sort=0&spq=0