본문
❖ 우주 왕복선의 통신을 담당한다 - TDRS 위성
▣ 테마가 있는 인공위성 이야기 - (8)
▲ (그림 1) TDRS 위성 ⓒ
우주 왕복선은 미항공우주국 나사(NASA)에서 개발한 우주 발사체로서 영어로는 스페이스셔틀(Space Shuttle) 또는 STS(Space Transportation System)라고 합니다.
이전까지 개발된 모든 로켓 발사체들이 재사용이 불가능한 일회용임에 비해 우주 왕복선은 연료 탱크를 제외한 나머지 부분, 즉 궤도선과 고체 보조 로켓은 재사용이 가능하다는 장점이 있습니다. 2003년 2월 1일에 발생한 콜롬비아호 폭발 사고가 있기 전까지 우주 왕복선은 지상과 국제 우주 정거장 ISS 사이를 오가면서 각종 물자와 승무원을 실어 나르며 많은 활동을 해왔습니다.
우주 왕복선은 1981년 4월부터 운항을 시작했습니다. 우주 왕복선이 우주에 올라가 머무르는 고도는 지면으로부터 약 200km~400km 정도 됩니다. 우주 왕복선의 주 목적지인 국제 우주 정거장의 고도 역시 약 380 km 정도입니다.
우주 왕복선의 비행 고도가 380 km 라면 이 우주 왕복선이 지구 둘레를 한바퀴 선회하는데 걸리는 시간은 약 1시간 32분 정도가 됩니다. 즉, 거의 42,500 km에 달하는 거리를 한 시간 반 만에 쏜살같이 지나쳐 가는 셈이 됩니다. 초속으로 나타내면 7.7 km, 시속으로 하면 약 27,700 km 라는 엄청난 속도입니다.
자, 여기서 잠시 생각해 봅시다. 그렇다면 이렇게 빠른 속도로 비행하고 있는 우주 왕복선과 지구 표면에 고정되어 있는 관제 센터는 어떻게 통신을 할까요?
왕복선은 한시도 가만히 있질 않고 지구 둘레를 계속해서 빙글빙글 돌고 있기 때문에 관제 센터가 있는 지점의 바로 위를 지나갈 때에만 아주 잠깐 동안 통신을 할 수가 있습니다. 왕복선이 아주 빠르게 움직이고 있기 때문에 관제 센터와의 직접 통신은 길어야 10분 정도만 가능합니다.
이전까지 개발된 모든 로켓 발사체들이 재사용이 불가능한 일회용임에 비해 우주 왕복선은 연료 탱크를 제외한 나머지 부분, 즉 궤도선과 고체 보조 로켓은 재사용이 가능하다는 장점이 있습니다. 2003년 2월 1일에 발생한 콜롬비아호 폭발 사고가 있기 전까지 우주 왕복선은 지상과 국제 우주 정거장 ISS 사이를 오가면서 각종 물자와 승무원을 실어 나르며 많은 활동을 해왔습니다.
우주 왕복선은 1981년 4월부터 운항을 시작했습니다. 우주 왕복선이 우주에 올라가 머무르는 고도는 지면으로부터 약 200km~400km 정도 됩니다. 우주 왕복선의 주 목적지인 국제 우주 정거장의 고도 역시 약 380 km 정도입니다.
우주 왕복선의 비행 고도가 380 km 라면 이 우주 왕복선이 지구 둘레를 한바퀴 선회하는데 걸리는 시간은 약 1시간 32분 정도가 됩니다. 즉, 거의 42,500 km에 달하는 거리를 한 시간 반 만에 쏜살같이 지나쳐 가는 셈이 됩니다. 초속으로 나타내면 7.7 km, 시속으로 하면 약 27,700 km 라는 엄청난 속도입니다.
자, 여기서 잠시 생각해 봅시다. 그렇다면 이렇게 빠른 속도로 비행하고 있는 우주 왕복선과 지구 표면에 고정되어 있는 관제 센터는 어떻게 통신을 할까요?
왕복선은 한시도 가만히 있질 않고 지구 둘레를 계속해서 빙글빙글 돌고 있기 때문에 관제 센터가 있는 지점의 바로 위를 지나갈 때에만 아주 잠깐 동안 통신을 할 수가 있습니다. 왕복선이 아주 빠르게 움직이고 있기 때문에 관제 센터와의 직접 통신은 길어야 10분 정도만 가능합니다.
▲ (그림 2) 관제 센터와 우주 왕복선 ⓒ
게다가 왕복선의 궤도는 계속 같은 곳을 지나가도록 되어 있지만 지구가 자전하고 있기 때문에 왕복선이 관제 센터 상공을 지나가는 때는 고작해야 하루에 두 번 밖에 없습니다.
그렇다면 하루에 두 번, 한 번에 10분씩의 통신만 가능하다는 말이 되는데 우주 왕복선이 해야 할 그 많은 임무를 관제 센터의 도움 없이 승무원들끼리 자체적으로 수행해야 하는 걸까요? 우주 정거장을 만드는 그 어렵고 지루한 임무를 관제 센터와의 연락 없이 혼자 할 수 있을까요?
지구 곳곳에 관제 센터와 연결되는 통신용 안테나를 많이 세우면 어떨까요? 안테나를 많이 세운다고 해도 같은 이유로 안테나 하나당 통신할 수 있는 시간은 10분밖에 안되겠지요?
그리고 왕복선이 비행하는 경로를 따라 계속해서 통신 안테나를 바꿔주어야 하는데 연결하기도 어렵거니와 매끄럽게 연결하는 것이 쉽지는 않을 겁니다. 결정적인 이유로 지구 표면의 70%가 바다인데 그 위에는 안테나를 세울 수가 없습니다.
▲ (그림 3) TDRS 위성의 운용 개념 ⓒ
이런 문제들을 해결하기 위해 나사의 전문가들이 생각한 방법은 우주 왕복선과 관제 센터 사이에서 통신 연결을 해주는 중계기를 설치하는 것이었습니다. 즉, 우주 왕복선에서도 항상 볼 수 있고 관제 센터에서도 항상 볼 수 있는 위치에 통신 연결 중계기를 설치해야 했습니다. 그곳이 어디냐면 바로 정지궤도 위성이었습니다.
정지궤도 위성은 적도 상공, 고도 약 35,800 km 에 떠 있는 인공위성을 말합니다. 고도 35,800 km에 있는 위성들은 지구를 한바퀴 도는데 걸리는 공전 주기가 지구 자전 주기와 같은 24시간입니다.
그래서 지구에서 보면 고정되어 있는 것처럼 보이게 됩니다. 따라서 지상에 있는 관제 센터에서는 통신 중계기가 설치된 정지궤도 위성과 하루 24시간 동안 언제든지 통신을 할 수가 있습니다.
이런 정지궤도 위성 3개를 120도 간격으로 벌려서 세 지점에 배치해 두고 안테나를 지구 쪽으로 향하게 해둡니다. 그러면 고도 380 km에서 비행중인 우주 왕복선은 정지궤도 위성보다 고도가 훨씬 낮기 때문에 아무리 빨리 움직인다 해도 정지궤도 위성과 항상 통신을 할 수 있는 위치에 있게 됩니다.
정지궤도 위성은 적도 상공, 고도 약 35,800 km 에 떠 있는 인공위성을 말합니다. 고도 35,800 km에 있는 위성들은 지구를 한바퀴 도는데 걸리는 공전 주기가 지구 자전 주기와 같은 24시간입니다.
그래서 지구에서 보면 고정되어 있는 것처럼 보이게 됩니다. 따라서 지상에 있는 관제 센터에서는 통신 중계기가 설치된 정지궤도 위성과 하루 24시간 동안 언제든지 통신을 할 수가 있습니다.
이런 정지궤도 위성 3개를 120도 간격으로 벌려서 세 지점에 배치해 두고 안테나를 지구 쪽으로 향하게 해둡니다. 그러면 고도 380 km에서 비행중인 우주 왕복선은 정지궤도 위성보다 고도가 훨씬 낮기 때문에 아무리 빨리 움직인다 해도 정지궤도 위성과 항상 통신을 할 수 있는 위치에 있게 됩니다.
▲ (그림 4) 우주 왕복선에 실려 발사대기 중인 TDRS 위성과 IUS ⓒ
정지궤도 위성이 지구를 둘러싸며 3개가 배치되어 있으므로 언제든지 적어도 셋 중에 하나와는 통신이 가능합니다. 게다가 정지궤도 위성끼리 통신이 가능하기 때문에 우주 왕복선이 관제 센터와 지구 반대쪽에 있더라도 두 개의 정지궤도 위성을 거치면 통신이 가능하게 됩니다.
이와 같은 개념과 필요성에서 등장한 것이 미국의 TDRS(Tracking and Data Relay Satellite) 정지궤도 위성입니다. TDRS 위성은 본 위성과 예비 위성을 합해서 모두 6개가 동시에 작동하기 때문에 그 모두를 합쳐서 말할 때는 TDRSS(TDRS System)라고 부릅니다. TDRS 위성을 우리말로 읽을 때는 ‘티디알에스 위성’ 혹은 ‘티드레스 위성’이라고도 읽습니다.
TDRS 위성은 우주 왕복선과 동시에 개발이 추진되었습니다. 우주 왕복선의 원활한 임무 수행을 위해서는 통신을 중계해주는 위성이 반드시 필요했던 것입니다. TDRS 위성을 궤도에 올린 발사체도 역시 우주 왕복선이었습니다. 모두 6개로 구성된 TDRS 위성 시리즈의 1호기는 1983년 4월 4일부터 9일까지 있었던 우주 왕복선의 여섯 번째 비행에서 우주 궤도에 올려졌습니다.
이와 같은 개념과 필요성에서 등장한 것이 미국의 TDRS(Tracking and Data Relay Satellite) 정지궤도 위성입니다. TDRS 위성은 본 위성과 예비 위성을 합해서 모두 6개가 동시에 작동하기 때문에 그 모두를 합쳐서 말할 때는 TDRSS(TDRS System)라고 부릅니다. TDRS 위성을 우리말로 읽을 때는 ‘티디알에스 위성’ 혹은 ‘티드레스 위성’이라고도 읽습니다.
TDRS 위성은 우주 왕복선과 동시에 개발이 추진되었습니다. 우주 왕복선의 원활한 임무 수행을 위해서는 통신을 중계해주는 위성이 반드시 필요했던 것입니다. TDRS 위성을 궤도에 올린 발사체도 역시 우주 왕복선이었습니다. 모두 6개로 구성된 TDRS 위성 시리즈의 1호기는 1983년 4월 4일부터 9일까지 있었던 우주 왕복선의 여섯 번째 비행에서 우주 궤도에 올려졌습니다.
▲ (그림 5) 태양 전지판과 안테나를 접은 상태의 TDRS 위성 ⓒ
우주 왕복선에서 TDRS 위성과 같은 정지궤도 위성을 발사할 때에는 IUS(Inertial Upper Stage)라는 이름의 보조 로켓을 필요로 합니다. 그 이유는 TDRS 위성이 올라가야할 고도는 무려 35,800 km 나 되는 데 비해 우주 왕복선의 고도는 수백 km 밖에 되지 않기 때문입니다.
그래서 정지궤도 높이인 35,800 km 까지 위성을 올려 주기 위한 보조 로켓인 IUS를 TDRS 위성의 밑 부분에 장착한 다음, 위성과 IUS를 한꺼번에 우주 왕복선에 싣고 우주로 올라가는 것입니다.
IUS는 그 자체가 2단형 고체 로켓입니다. (그림 6)을 보면 위성과 IUS가 우주 왕복선에서 서서히 분리되어 나오는 모습을 볼 수 있습니다. (그림 6)에서 위쪽의 육각형 몸체가 TDRS 위성이고, 아래쪽의 하얀색 원통이 IUS입니다.
그래서 정지궤도 높이인 35,800 km 까지 위성을 올려 주기 위한 보조 로켓인 IUS를 TDRS 위성의 밑 부분에 장착한 다음, 위성과 IUS를 한꺼번에 우주 왕복선에 싣고 우주로 올라가는 것입니다.
IUS는 그 자체가 2단형 고체 로켓입니다. (그림 6)을 보면 위성과 IUS가 우주 왕복선에서 서서히 분리되어 나오는 모습을 볼 수 있습니다. (그림 6)에서 위쪽의 육각형 몸체가 TDRS 위성이고, 아래쪽의 하얀색 원통이 IUS입니다.
▲ (그림 6) 우주 왕복선에서 분리 중인 TDRS 위성과 IUS ⓒ
우주 왕복선에서 분리된 다음, 왕복선으로부터 안전한 거리까지 떨어져 나온 후에 IUS의 1단 로켓 엔진이 점화됩니다. 그러면 위성은 IUS와 함께 정지궤도를 향해 올라가게 되지요. 정지궤도인 고도 35,800 km에 도달하면 IUS의 2단 엔진이 점화되면서 위성은 원형 정지궤도에 머무르게 됩니다.
2번째 TDRS 위성은 1986년 1월에 발생한 챌린저호 폭발 사고 때 사라지고 말았습니다. 지금으로부터 18 년 전인 1986년 1월 28일, 우주 왕복선 챌린저호가 발사 후 73초 만에 연료 누출로 인한 폭발로 왕복선 전체가 파괴되고 탑승자 7명 전원이 사망하는 참사가 있었습니다. 당시 왕복선의 화물칸에는 TDRS 2호 위성과 스파르탄이라는 이름의 저궤도 통신위성이 실려 있었습니다.
2번째 TDRS 위성은 1986년 1월에 발생한 챌린저호 폭발 사고 때 사라지고 말았습니다. 지금으로부터 18 년 전인 1986년 1월 28일, 우주 왕복선 챌린저호가 발사 후 73초 만에 연료 누출로 인한 폭발로 왕복선 전체가 파괴되고 탑승자 7명 전원이 사망하는 참사가 있었습니다. 당시 왕복선의 화물칸에는 TDRS 2호 위성과 스파르탄이라는 이름의 저궤도 통신위성이 실려 있었습니다.
▲ (그림 7) 우주 왕복선 챌린저호 폭발 광경 ⓒ
챌린저호 사고 후에 수년이 지난 다음 3호부터 6호까지 4개의 TDRS 위성은 약 1년 간격으로 차례차례 우주 왕복선을 이용하여 발사되었습니다. 6호 발사 후 2년 뒤에는 파괴된 2호 위성을 대신하여 7호 위성이 궤도에 올라가게 되고 비로소 전체 TDRSS가 완성됩니다.
TDRS 위성에는 통신 중계 외에 또 하나의 중요한 임무가 있습니다. TDRS 의 'T'가 의미하는 ‘Tracking(추적)'기능인데 우주 왕복선까지의 거리를 매순간 마다 측정해서 왕복선이 예정된 궤도를 돌고 있는지를 점검하는 기능입니다. 물의 온도를 확인하기 위해 온도계를 보는 것처럼 우주 왕복선에서는 매순간 마다 TDRS 위성까지의 거리를 측정해서 제대로 궤도를 가고 있는지를 판단하게 됩니다.
현재 TDRS 위성 시스템은 신형 위성으로의 교체 작업을 진행 중입니다. (그림 8)에 있는 것이 신형 위성의 모습인데 좌우로 길게 뻗은 네모난 것이 태양 전지판입니다. 위아래로 달려 있는 둥근 것이 바로 저궤도 위성과의 통신을 하기 위한 안테나입니다.
이 통신 안테나는 저궤도 위성의 움직임을 따라 상하좌우로 움직이도록 되어 있습니다. 신형 TDRS 위성은 모두 3개가 올라가는데 현재 2개는 이미 발사되었습니다. 신형 위성들은 우주 왕복선이 아니라 모두 아틀라스 로켓에 의해 발사되었습니다.
TDRS 위성에는 통신 중계 외에 또 하나의 중요한 임무가 있습니다. TDRS 의 'T'가 의미하는 ‘Tracking(추적)'기능인데 우주 왕복선까지의 거리를 매순간 마다 측정해서 왕복선이 예정된 궤도를 돌고 있는지를 점검하는 기능입니다. 물의 온도를 확인하기 위해 온도계를 보는 것처럼 우주 왕복선에서는 매순간 마다 TDRS 위성까지의 거리를 측정해서 제대로 궤도를 가고 있는지를 판단하게 됩니다.
현재 TDRS 위성 시스템은 신형 위성으로의 교체 작업을 진행 중입니다. (그림 8)에 있는 것이 신형 위성의 모습인데 좌우로 길게 뻗은 네모난 것이 태양 전지판입니다. 위아래로 달려 있는 둥근 것이 바로 저궤도 위성과의 통신을 하기 위한 안테나입니다.
이 통신 안테나는 저궤도 위성의 움직임을 따라 상하좌우로 움직이도록 되어 있습니다. 신형 TDRS 위성은 모두 3개가 올라가는데 현재 2개는 이미 발사되었습니다. 신형 위성들은 우주 왕복선이 아니라 모두 아틀라스 로켓에 의해 발사되었습니다.
▲ (그림 8) 신형 TDRS 위성 ⓒ
지금까지 TDRS 위성에 대해 간단히 설명을 하였습니다. 우주 왕복선을 예로 들긴 했지만 지금까지 설명한 TDRS 위성의 모든 기능은 반드시 우주 왕복선에만 국한되는 것은 아닙니다. 그 외에도 허블 우주망원경, 자외선 우주 망원경, 저궤도 첩보위성 등 통신이나 데이터 중계가 필요한 모든 저궤도 위성이 TDRS 위성의 도움을 받고 있습니다.
쏜살같은 속도로 동서남북 전 하늘을 날아다니는 우주 왕복선과 한 자리에 고정되어 있는 관제 센터를 연결해주는 TDRS 위성. 사람들 사이에도 이런 사람이 많으면 좋겠습니다. 어떤 조직에서든 성질이 아주 급한 사람과 너무 느긋한 사람의 중간에서 둘 사이를 잘 연결해주는 역할을 하는 사람이 많다면 그 구성원들이 성격 차이로 싸우거나 일을 그르치는 일은 많이 줄어들겠죠?
(참고사이트)
http://tdrs.gsfc.nasa.gov/Tdrsproject/
http://www-pao.ksc.nasa.gov/kscpao/nasafact/tdrs.htm
김방엽 항공우주연구원 박사 ※ 2004.07.07 19:02
※ 출처 - http://www.sciencetimes.co.krⓒScience Times
추천 0
