인공위성: 스푸트니크에서 GPS까지

최초의 인공위성 스푸트니크 1호는 지름 58 cm, 무게 83.6 kg이었고 약 98분에 지구를 한 바퀴 돌았습니다.

온 세계가 들은 삐 소리

1957년 10월 4일, 소련이 세계 최초의 인공위성을 지구 궤도에 올렸습니다. NASA 역사실의 설명에 따르면 스푸트니크 1호는 비치볼만 한 크기로 지름이 58 cm, 무게가 83.6 kg이었고, 타원 궤도를 따라 지구를 한 바퀴 도는 데 약 98분이 걸렸습니다. 이 위성이 한 일은 무전으로 삐 하는 소리를 보내는 것 정도였지만, 수신기만 있으면 누구나 위성이 머리 위를 지나가는 소리를 직접 들을 수 있었습니다. 그로부터 한 달 뒤에는 무게 508.3 kg의 스푸트니크 2호가 개 라이카를 태우고 올라갔습니다. 미국은 1958년 1월 31일 익스플로러 1호를 쏘아 올려 이에 응답했고, 같은 해 1958년 7월에는 미국 의회가 우주법(Space Act)을 통과시켜 NASA를 만들었습니다. 우주 경쟁이 시작된 것입니다.

스푸트니크가 올라간 뒤 4년이 채 안 된 1961년 4월 12일, 유리 가가린이 인류 가운데 처음으로 우주에 간 사람이 되었습니다. NASA의 기록에 따르면 그가 탄 보스토크 1호는 시속 27,400 km로 지구를 돌았고 비행은 모두 108분 동안 이어졌으며, 가가린은 캡슐에 탄 채로 착륙하지 않았습니다. 캡슐 밖으로 튀어나와 낙하산을 타고 내려왔습니다.

인공위성이 하는 일

지금은 수천 개의 위성이 지구를 돌고 있고, 위성마다 하는 일은 어느 궤도를 도는지에 따라 정해집니다. 높이가 수백 km인 낮은 궤도는 땅에서 사진을 선명하게 찍을 만큼 가까워서 한국의 아리랑(다목적실용위성) 같은 지구 관측 위성이 그곳을 납니다. 또 지구가 위성 아래에서 자전하므로, 이런 위성은 행성의 대부분 지역 위를 지나갈 수 있습니다. 중간 높이의 궤도는 위치를 찾는 항법에 알맞습니다. GPS.gov에 따르면 GPS는 약 20,200 km 높이에 위성 24개 이상을 여섯 궤도면에 나눠 배치해서, 거의 어디서든 적어도 네 개가 보이게 합니다. 미국 우주군은 실제로 GPS 위성 31개를 운용해 왔습니다. 높이 35,786 km의 높은 정지 궤도에 있는 위성, 예를 들어 한국의 천리안 기상 위성은 지구의 반구 하나 전체를 한순간도 쉬지 않고 지켜봅니다.

한국에서 정지 궤도 위성은 하늘 어디에 있을까요? 이 위성은 적도 위에 떠 있으므로, 북반구에서 보면 언제나 남쪽 하늘 어딘가에 있습니다. 하늘에서의 높이는 간단한 기하로 구할 수 있습니다. 내 자리와 같은 경도에 있는 위성이라면 고도는 arctan[(cos φ − 6,378 ÷ 42,164) ÷ sin φ]입니다. 서울(φ = 37.6°)에서 계산하면 정남쪽 지평선 위로 약 46°, 더 남쪽인 제주에서는 약 51°입니다. 한국에 있는 위성 안테나가 모두 대략 남쪽을 향하고, 그 정도 각도로 고개를 들고 있는 것은 이 때문입니다.

GPS 수신기는 신호가 오는 시간을 재서 자기가 어디에 있는지 알아냅니다. 위성은 저마다 자기 위치와, 위성에 실린 원자시계가 알려 주는 정확한 시각을 방송합니다. 수신기는 신호마다 도착하는 데 걸린 시간을 재고, 여기에 빛의 속도를 곱해 거리를 얻습니다. 그리고 위성 네 개의 신호로 자기의 3차원 위치와 자기 시계의 오차까지 함께 풉니다. 빛은 1,000분의 1초 동안 300 km를 가므로, 위성의 시계는 엄청나게 정밀해야 합니다. 시계가 100만분의 1초만 틀려도 위치는 벌써 300 m나 어긋납니다.

우주로 나간 한국

한국은 2022년에 마침내 자기 발사체를 갖게 되었습니다. 그해 6월 21일, 한국항공우주연구원(KARI)이 개발한 누리호(KSLV-II)가 고흥 나로우주센터에서 발사되어 성능검증위성을 목표로 한 700 km 높이의 궤도에 올려놓았습니다. 정부는 이로써 한국이 1톤 이상의 실용 위성을 자체 기술로 쏘아 올린 세계 일곱 번째 나라가 되었다고 발표했습니다. 그리고 2024년 5월에는 앞으로 한국의 발사체, 위성, 달 탐사 계획을 이끌어 갈 우주항공청(KASA)이 사천에 문을 열었습니다.

위성이 많아지면 우주 쓰레기도 그만큼 늘어납니다. 다 쓰고 버린 로켓 단, 고장 난 위성, 서로 부딪쳐 생긴 조각 같은 것들입니다. 궤도 속도로 날아다니는 작은 페인트 조각 하나도 아주 큰 에너지를 지니므로, 각 기관은 비교적 큰 잔해를 추적하고, 우주선은 때때로 엔진을 켜서 잔해를 피합니다. 요즘 새로 나가는 임무는 위성이 일을 마친 뒤 그 위성을 궤도에서 어떻게 치울지까지 미리 계획하도록 요구받습니다.