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❖ 미사일 감시하는 하늘의 눈 - DSP 위성
▣ 테마가 있는 인공위성 이야기 (2)
1998년 8월에 있었던 북한의 인공위성 발사 시도, 걸프전에서의 이라크의 스커드 미사일, 중국의 핵실험 그리고 훨씬 이전부터 있었던 소련(러시아)의 핵미사일 위협까지 이 모든 것을 하늘에서 감시하고 있는 미국의 눈이 있었으니 그 이름이 DSP 위성입니다.
▲ (그림 1) DSP 위성의 초기 모델 ⓒ aero
DSP(Defense Support Program)라는 이름은 하나의 위성을 말하는 것이 아니고 1970년에 시작된 일련의 조기경보위성 시리즈를 아울러서 부르는 이름입니다. DSP는 그 역사가 매우 오래된 위성 시리즈로 1970년 11월 6일에 타이탄-3C 로켓에 의해 제1호 위성이 발사되었고 현재는 18호 위성부터 23호 위성까지 6기의 위성이 운용 중인 것으로 알려져 있습니다.
현재 운용 중인 23호가 DSP 시리즈의 마지막 위성이고 DSP 위성의 임무는 새로이 시작되는 SBIRS(Space Based Infra Red Sensor) 위성 시리즈에 인계될 예정입니다.
▲ (그림 2) 대륙간 탄도 미사일을 감시하는 DSP 위성의 상상도 ⓒ
DSP 위성의 주 임무는 지구상 어딘가에서 미국을 향해 발사되는 대륙간 탄도 미사일을 감시하는 것입니다. DSP 위성은 정지 궤도 위성이기 때문에 지상에 대한 상대적인 위치가 변하지 않는 특성이 있습니다. 그래서 적도 상공 35,800 km에 위치한 정지 궤도 상에 몇 개의 위성을 적당한 각도로 벌려서 배치해두면, 지구상의 거의 모든 곳을 감시할 수 있습니다.
(그림 3)에 보인 1993년도의 DSP 위성 배치도표를 보면, 이 해에는 5기의 DSP 위성이 활동했음을 알 수 있으며 그 위치는 각각 인도양 상공의 동경 70˚ 와 100˚ 부근, 동경 10˚ 근처의 아프리카 상공, 서경 40˚ 의 대서양 상공, 그리고 서경 165˚ 근처의 태평양 상공임을 알 수 있습니다.
인도양 상공의 위성들은 주로 중국과 러시아, 아시아 지역을, 아프리카 상공의 위성은 유럽과 혹시 북극 상공을 비행할 지도 모를 대륙간 미사일들을 감시하는 역할을 담당합니다. 대서양 상공의 위성은 남북 아메리카를, 그리고 태평양 상공의 위성 역시 대륙간 미사일들을 감시하는 역할을 하고 있습니다.
DSP 위성의 주 임무는 지구상 어딘가에서 미국을 향해 발사되는 대륙간 탄도 미사일을 감시하는 것입니다. DSP 위성은 정지 궤도 위성이기 때문에 지상에 대한 상대적인 위치가 변하지 않는 특성이 있습니다. 그래서 적도 상공 35,800 km에 위치한 정지 궤도 상에 몇 개의 위성을 적당한 각도로 벌려서 배치해두면, 지구상의 거의 모든 곳을 감시할 수 있습니다.
(그림 3)에 보인 1993년도의 DSP 위성 배치도표를 보면, 이 해에는 5기의 DSP 위성이 활동했음을 알 수 있으며 그 위치는 각각 인도양 상공의 동경 70˚ 와 100˚ 부근, 동경 10˚ 근처의 아프리카 상공, 서경 40˚ 의 대서양 상공, 그리고 서경 165˚ 근처의 태평양 상공임을 알 수 있습니다.
인도양 상공의 위성들은 주로 중국과 러시아, 아시아 지역을, 아프리카 상공의 위성은 유럽과 혹시 북극 상공을 비행할 지도 모를 대륙간 미사일들을 감시하는 역할을 담당합니다. 대서양 상공의 위성은 남북 아메리카를, 그리고 태평양 상공의 위성 역시 대륙간 미사일들을 감시하는 역할을 하고 있습니다.
▲ (그림 3) DSP 위성의 배치 위치 도표 (1993년도) ⓒ
DSP 위성은 구 소련의 대륙간 탄도탄의 발사를 감시하거나 지상의 핵실험을 감시하는 역할을 담당하여 왔고, 80년대에 이른바 ‘스타워즈’ 계획으로 알려졌던 미국의 SDI(Strategic Defense Initiative) 프로젝트의 핵심 파트의 하나입니다.
DSP 위성 개발의 역사를 살펴보려면 1950년대 후반으로 거슬러 올라가야 합니다. 1950년대는 한국 전쟁 이후에 미국과 소련이 냉전 체제로 접어들면서 서로를 겨냥한 핵미사일 개발이 본격적으로 시작되던 시기였습니다.
양 국은 공격용 미사일 개발과 더불어 그에 대한 방어 체계 역시 개발을 해야 했습니다. 50년대 후반, 인공위성이 개발되자 미국 국방성 산하의 첨단 무기 체계 연구 기관이었던 ARPA (Advanced Research Projects Agency)에서는, 소련에서 발사되는 대륙간 탄도 미사일의 엔진 분사 열을 우주에 배치된 적외선 센서로 관측함으로써 소련의 미사일 공격을 미리 탐지한다는 전략을 세우게 됩니다.
DSP 위성은 구 소련의 대륙간 탄도탄의 발사를 감시하거나 지상의 핵실험을 감시하는 역할을 담당하여 왔고, 80년대에 이른바 ‘스타워즈’ 계획으로 알려졌던 미국의 SDI(Strategic Defense Initiative) 프로젝트의 핵심 파트의 하나입니다.
DSP 위성 개발의 역사를 살펴보려면 1950년대 후반으로 거슬러 올라가야 합니다. 1950년대는 한국 전쟁 이후에 미국과 소련이 냉전 체제로 접어들면서 서로를 겨냥한 핵미사일 개발이 본격적으로 시작되던 시기였습니다.
양 국은 공격용 미사일 개발과 더불어 그에 대한 방어 체계 역시 개발을 해야 했습니다. 50년대 후반, 인공위성이 개발되자 미국 국방성 산하의 첨단 무기 체계 연구 기관이었던 ARPA (Advanced Research Projects Agency)에서는, 소련에서 발사되는 대륙간 탄도 미사일의 엔진 분사 열을 우주에 배치된 적외선 센서로 관측함으로써 소련의 미사일 공격을 미리 탐지한다는 전략을 세우게 됩니다.
▲ (그림 4) Program 461에 사용된 저궤도 위성의 적외선 센서 ⓒ
이에 따라 그런 전략이 실제로 가능한 지를 확인하기 위해 먼저 저궤도 위성에 적외선 센서를 탑재하여 지상의 열원(熱原)을 감지하는 실험을 하게 되었는데 그 프로젝트의 이름이 프로그램 461이었습니다.
(그림 4)가 프로그램 461에 사용된 위성의 센서입니다. 상단의 검은색 부분이 지구를 바라보는 망원경인데 경통 부분이 중심축에 대해 약간 기울어져 있는 것을 알 수 있습니다. 이것은 위성체의 회전 안정화 방식 특징을 이용한 것입니다.
센서의 시야 각(Field Of View)내에 위성의 위치에서 바라보이는 지구의 일부만이 관측되더라도 회전하는 위성체에 장착되어 있으므로 결국 보이는 지구 면 전체를 관측할 수 있게 되는 원리입니다(그림 5 참조).
원통 형태인 위성의 몸 전체가 분당 6회의 속도로 계속 회전하고 있기 때문에 10초 동안이면 위성에서 바라보이는 지구 면을 한 번 관측하게 됩니다. 결국 동일한 지점을 10초에 한 번 꼴로 관측하게 되는 것이지요.
기계적으로 움직이는 부분이 없도록 해서 고장 발생 가능성을 줄이려 한 것도 이렇게 설계한 이유 중의 하나입니다. 인공위성을 설계할 때에는 주어진 임무를 완수하면서 고장의 발생 가능성은 최소화 하는 것이 중요한 관건이기 때문입니다.
위성의 지상 감시용 적외선 센서로 하여금 미사일 발사로 오해하게 만드는 열원에는 여러 가지가 있습니다. 우선 고도 10 km 이하의 지표면에서는 제련소나 공장의 대형 가스 버너, 정유 공장이나 유전의 가스 연소 등이 감시에 장애 요인이 됩니다.
(그림 4)가 프로그램 461에 사용된 위성의 센서입니다. 상단의 검은색 부분이 지구를 바라보는 망원경인데 경통 부분이 중심축에 대해 약간 기울어져 있는 것을 알 수 있습니다. 이것은 위성체의 회전 안정화 방식 특징을 이용한 것입니다.
센서의 시야 각(Field Of View)내에 위성의 위치에서 바라보이는 지구의 일부만이 관측되더라도 회전하는 위성체에 장착되어 있으므로 결국 보이는 지구 면 전체를 관측할 수 있게 되는 원리입니다(그림 5 참조).
원통 형태인 위성의 몸 전체가 분당 6회의 속도로 계속 회전하고 있기 때문에 10초 동안이면 위성에서 바라보이는 지구 면을 한 번 관측하게 됩니다. 결국 동일한 지점을 10초에 한 번 꼴로 관측하게 되는 것이지요.
기계적으로 움직이는 부분이 없도록 해서 고장 발생 가능성을 줄이려 한 것도 이렇게 설계한 이유 중의 하나입니다. 인공위성을 설계할 때에는 주어진 임무를 완수하면서 고장의 발생 가능성은 최소화 하는 것이 중요한 관건이기 때문입니다.
위성의 지상 감시용 적외선 센서로 하여금 미사일 발사로 오해하게 만드는 열원에는 여러 가지가 있습니다. 우선 고도 10 km 이하의 지표면에서는 제련소나 공장의 대형 가스 버너, 정유 공장이나 유전의 가스 연소 등이 감시에 장애 요인이 됩니다.
▲ (그림 5) 적외선 센서의 지구 스캐닝 방법 ⓒ
또 갑작스런 산불이나 화산의 분화구, 눈에 뒤덮인 높은 산에서 반사되는 강렬한 햇빛도 혼란을 가져올 수 있습니다. 그보다 좀더 높은 고도에서는 구름에 반사된 햇빛도 문제가 될 수 있습니다. 30 km 이상의 아주 높은 고도에서는, 위성의 잔해나 유성체가 지구 대기에 진입하면서 불타는 현상과 오로라 등이 미사일 발사 감시에 혼돈을 초래하게 됩니다.
이렇게 관측을 방해하는 모든 혼잡 요소들 때문에 DSP 위성의 적외선 센서는 미사일의 엔진에서 나오는 열을 직접 관측하는 대신에 다른 방법을 사용하게 되었습니다.
여러분들은 로켓을 발사 할 때, 로켓이 지나간 자리를 따라 하늘에 긴 구름 기둥이 남는 것을 방송이나 사진에서 보신 적이 있을 겁니다. 이것은 액체 로켓의 주 연료인 액체 수소와 산화제인 액체 산소가 결합해서 생긴 물이 엔진의 열 때문에 증발하여 그 수증기가 대기 중에 남기 때문입니다.
대부분의 대륙간 탄도 미사일과 로켓들은 액체 연료 엔진을 사용하기 때문에 이와 비슷한 형태의 구름 기둥을 남기거나 또는 엔진 연소 시에 이산화탄소를 배출하게 됩니다. 고체 로켓 역시 미세한 탄소 알갱이들을 배출해서 대기 중의 수증기를 엉기게 만들어 항공기가 지나간 뒤에 남는 비행운과 유사한 모양의 구름 띠를 형성하게 합니다.
DSP 위성의 센서는 바로 이러한 수증기와 이산화탄소의 갑작스런 증가를 감지하여 미사일 발사 여부를 판단합니다. 대기 중에 안정화 되어 있던 수증기 밀도가 국지적으로 급작스럽게 증가한다면 미사일이나 로켓이 발사된 것으로 판단한다는 원리이지요.
위성에 장착된 적외선 센서는 크게 렌즈(망원경) 부분과 필터, 감광 소자 그리고 감광 소자에서 발생한 신호를 처리하는 전자 부품 등으로 크게 나누어 집니다. 망원경을 통해 들어온 빛이 필터를 거치면서 원하는 파장 대역만이 감광 소자에 도달하게 되는 것이지요.
초기에는 감광 소자로 광전 소자를 사용했고 최근에는 CCD(Charged Coupled Device)를 사용하고 있습니다. 두 가지 모두 빛이 닿으면 전류가 발생하는 광전 효과를 응용한 부품입니다. DSP 위성의 원형인 Program 461에서는 약 400개의 광전 소자를 사용했고 DSP 위성에서는 2,000개 내지 6,000개의 광전 소자를 적외선 센서에 사용했다고 합니다.
수 많은 광전 소자를 배열해 놓고 그 위에 필터를 통과한 빛이 닿도록 하여 센서에서 발생하는 전기 신호를 이용해서 미사일이 발사된 것으로 의심되는 지점을 알아내게 되는 것입니다.
DSP 위성은 30여 년 동안 몇 단계의 업그레이드 과정을 거쳐 성능이 개선되어 왔습니다. 우선 1970년에 발사된 제1호기부터 제4호기까지의 위성을 제1세대로 구분하는데 이 당시에는 DSP라는 명칭대신 IMEWS(Integrated Multipurpose Early Warning Satellite) 라는 이름을 사용했습니다. 우리말로 하면 다목적 조기경보 위성군 이라고 할까요?
1세대 위성들은 중량이 약 950 킬로그램, 소모 전력이 400와트 정도로 오늘날의 중형급 위성 규모였습니다. 4기의 제1세대 위성들 중에서 1호기는 발사체의 문제로 인해 목표로 했던 정지 궤도에 진입하지 못했고, 나머지 3기의 위성들은 동경 60˚ (인도양), 서경 135˚ (태평양), 서경 80˚ (대서양)에 각각 배치되었습니다.
바다 상공에 주로 배치된 이유는, 우선 대부분의 정지 궤도 통신 위성이나 방송 위성들이 주로 대륙 상공에 자리를 잡아서 상대적으로 바다 상공의 정지 궤도에 빈 자리가 많았기 때문이고 또 하나는 위성의 적외선 센서가 안정적으로 작동하기 위해서는 아무래도 지상의 불빛이 거의 없는 바다 위가 유리했기 때문입니다.
이렇게 관측을 방해하는 모든 혼잡 요소들 때문에 DSP 위성의 적외선 센서는 미사일의 엔진에서 나오는 열을 직접 관측하는 대신에 다른 방법을 사용하게 되었습니다.
여러분들은 로켓을 발사 할 때, 로켓이 지나간 자리를 따라 하늘에 긴 구름 기둥이 남는 것을 방송이나 사진에서 보신 적이 있을 겁니다. 이것은 액체 로켓의 주 연료인 액체 수소와 산화제인 액체 산소가 결합해서 생긴 물이 엔진의 열 때문에 증발하여 그 수증기가 대기 중에 남기 때문입니다.
대부분의 대륙간 탄도 미사일과 로켓들은 액체 연료 엔진을 사용하기 때문에 이와 비슷한 형태의 구름 기둥을 남기거나 또는 엔진 연소 시에 이산화탄소를 배출하게 됩니다. 고체 로켓 역시 미세한 탄소 알갱이들을 배출해서 대기 중의 수증기를 엉기게 만들어 항공기가 지나간 뒤에 남는 비행운과 유사한 모양의 구름 띠를 형성하게 합니다.
DSP 위성의 센서는 바로 이러한 수증기와 이산화탄소의 갑작스런 증가를 감지하여 미사일 발사 여부를 판단합니다. 대기 중에 안정화 되어 있던 수증기 밀도가 국지적으로 급작스럽게 증가한다면 미사일이나 로켓이 발사된 것으로 판단한다는 원리이지요.
위성에 장착된 적외선 센서는 크게 렌즈(망원경) 부분과 필터, 감광 소자 그리고 감광 소자에서 발생한 신호를 처리하는 전자 부품 등으로 크게 나누어 집니다. 망원경을 통해 들어온 빛이 필터를 거치면서 원하는 파장 대역만이 감광 소자에 도달하게 되는 것이지요.
초기에는 감광 소자로 광전 소자를 사용했고 최근에는 CCD(Charged Coupled Device)를 사용하고 있습니다. 두 가지 모두 빛이 닿으면 전류가 발생하는 광전 효과를 응용한 부품입니다. DSP 위성의 원형인 Program 461에서는 약 400개의 광전 소자를 사용했고 DSP 위성에서는 2,000개 내지 6,000개의 광전 소자를 적외선 센서에 사용했다고 합니다.
수 많은 광전 소자를 배열해 놓고 그 위에 필터를 통과한 빛이 닿도록 하여 센서에서 발생하는 전기 신호를 이용해서 미사일이 발사된 것으로 의심되는 지점을 알아내게 되는 것입니다.
DSP 위성은 30여 년 동안 몇 단계의 업그레이드 과정을 거쳐 성능이 개선되어 왔습니다. 우선 1970년에 발사된 제1호기부터 제4호기까지의 위성을 제1세대로 구분하는데 이 당시에는 DSP라는 명칭대신 IMEWS(Integrated Multipurpose Early Warning Satellite) 라는 이름을 사용했습니다. 우리말로 하면 다목적 조기경보 위성군 이라고 할까요?
1세대 위성들은 중량이 약 950 킬로그램, 소모 전력이 400와트 정도로 오늘날의 중형급 위성 규모였습니다. 4기의 제1세대 위성들 중에서 1호기는 발사체의 문제로 인해 목표로 했던 정지 궤도에 진입하지 못했고, 나머지 3기의 위성들은 동경 60˚ (인도양), 서경 135˚ (태평양), 서경 80˚ (대서양)에 각각 배치되었습니다.
바다 상공에 주로 배치된 이유는, 우선 대부분의 정지 궤도 통신 위성이나 방송 위성들이 주로 대륙 상공에 자리를 잡아서 상대적으로 바다 상공의 정지 궤도에 빈 자리가 많았기 때문이고 또 하나는 위성의 적외선 센서가 안정적으로 작동하기 위해서는 아무래도 지상의 불빛이 거의 없는 바다 위가 유리했기 때문입니다.
▲ (그림 6) 호주 우메라의 지상국 시설 ⓒ
1호 위성의 발사와 함께 위성을 통제하고 관측 자료를 수신하기 위한 두 곳의 지상국을 건설하였는데 한 곳은 호주의 우메라, 또 한 곳은 미국 콜로라도주의 덴버 지역에 설치되었습니다. (그림 6)이 그 중의 한 곳인 호주의 우메라 지상국입니다.
제 5호기부터 13호기 까지의 위성들은 2세대 위성 혹은 DSP-SEDS(Sensor Evolutionary Development Satellite)라고 알려져 있습니다. 적외선 센서의 성능이 획기적으로 개선된 위성들로써 주로 70년대 중반부터 80년대 후반까지 발사된 위성들이 여기에 해당합니다. 이 위성들의 중량은 약 1.8톤, 소모 전력은 680 와트 가량이었습니다.
14호기부터는 DSP-I (Improved) 라 하여 센서 성능이나 위성체 성능이 모두 개량된 모델이 임무를 이어 받았습니다. 1989년 이후에 발사된 위성들이 여기에 해당합니다. 위성체의 규모도 더 커져서 중량이 약 2.4톤, 소모 전력이 1,300와트에 이르게 됩니다.
제 5호기부터 13호기 까지의 위성들은 2세대 위성 혹은 DSP-SEDS(Sensor Evolutionary Development Satellite)라고 알려져 있습니다. 적외선 센서의 성능이 획기적으로 개선된 위성들로써 주로 70년대 중반부터 80년대 후반까지 발사된 위성들이 여기에 해당합니다. 이 위성들의 중량은 약 1.8톤, 소모 전력은 680 와트 가량이었습니다.
14호기부터는 DSP-I (Improved) 라 하여 센서 성능이나 위성체 성능이 모두 개량된 모델이 임무를 이어 받았습니다. 1989년 이후에 발사된 위성들이 여기에 해당합니다. 위성체의 규모도 더 커져서 중량이 약 2.4톤, 소모 전력이 1,300와트에 이르게 됩니다.
▲ (그림 7) 제 3세대 DSP 위성 ⓒ
(그림 7)에 있는 사진은 1993년 당시 엘 고어 부통령이 위성체 제작사인 TRW사를 방문하여 직원들을 격려하는 모습인데 뒤에 있는 위성이 제3세대 개량형 위성의 하나인 19호기입니다. 사람 키와 비교해 보면 언뜻 봐도 이 글의 처음에 등장했던 1세대 위성에 비해 두 배 정도 커졌음을 짐작할 수 있습니다.
앞서 잠깐 언급한 바와 같이 DSP 위성의 역할을 이어 받게 될 후속 위성 시리즈인 SBIRS 는 1990년대 후반에 등장한 NMD(National Missile Defense; 국가 미사일 방어)와 TMD (Theater Missile Defense; 전구 미사일 방어) 체계에 있어서 앞으로 중요한 역할을 맡게 될 것입니다.
즉, 적의 미사일이 발사되는 초기에 그 위치를 파악하여 두 번째 미사일이 발사되기 전에 선제 공격을 한다는 전략을 가능하게 합니다. 이동식 미사일 발사대 일 경우에도 미사일의 궤적을 실시간으로 추적하면 발사 지점을 추정할 수 있기 때문에 발사 후 이동 준비에 소요되는 최소 시간 내에 다음 발사 위치로 이동할 수 없도록 공격을 하는 것이 가능해집니다.
[김방엽 항공우주연구원 선임연구원] (관련 사이트)
http://www.af.mil/factsheets/factsheet.asp?fsID=96
http://www.fas.org/spp/military/program/warning/dsp.htm
http://www.tbs-satellite.com/tse/online/prog_dsp.html
http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2000/03.html 2004.04.14 16:39
※ 출처 - ⓒScience Times http://www.sciencetimes.co.kr/
앞서 잠깐 언급한 바와 같이 DSP 위성의 역할을 이어 받게 될 후속 위성 시리즈인 SBIRS 는 1990년대 후반에 등장한 NMD(National Missile Defense; 국가 미사일 방어)와 TMD (Theater Missile Defense; 전구 미사일 방어) 체계에 있어서 앞으로 중요한 역할을 맡게 될 것입니다.
즉, 적의 미사일이 발사되는 초기에 그 위치를 파악하여 두 번째 미사일이 발사되기 전에 선제 공격을 한다는 전략을 가능하게 합니다. 이동식 미사일 발사대 일 경우에도 미사일의 궤적을 실시간으로 추적하면 발사 지점을 추정할 수 있기 때문에 발사 후 이동 준비에 소요되는 최소 시간 내에 다음 발사 위치로 이동할 수 없도록 공격을 하는 것이 가능해집니다.
[김방엽 항공우주연구원 선임연구원] (관련 사이트)
http://www.af.mil/factsheets/factsheet.asp?fsID=96
http://www.fas.org/spp/military/program/warning/dsp.htm
http://www.tbs-satellite.com/tse/online/prog_dsp.html
http://www.aero.org/publications/crosslink/summer2000/03.html 2004.04.14 16:39
※ 출처 - ⓒScience Times http://www.sciencetimes.co.kr/
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