인공위성에 연료가 그렇게 많이 필요한 이유

지난 12월 5일 발사된 정지궤도복합위성 천리안 2A호의 총중량은 3.5톤이다니다. 다목적실용위성 아리랑 3A호의 무게가 1.1톤이었던 것과 비교하면 얼마과인 큰 위성인지 짐작할 수 있는데요. 천리안 2A의 전체 복판 연료가 약 2톤을 차지할것입니다.지난 2010년 발사한 천리안 1호의 경우 총중량 2.5톤 복판 연료 무게가 1.3톤에 달했는데요. 통상 추진제가 전체 무게의 10Percent 정도를 다목적실용위성과 달리 정지궤도위성은 추진제가 3분의 1이과인 됩니다. 왜 그렇게 많은 연료가 필요한 걸까요?

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아리랑과 같은 다목적실용위성은 무게도 상대적으로 가볍지만, 고도 500~700km의 지구궤도에서 선회합니다. 이와 달리 천리안과 같은 정지궤도위성은 무게도 무거운 데다 고도 또 3만 6,000km의 높은 정지궤도에서 운항합니다. 이렇게 높은 궤도까지 발사체가 갈 수는 없고요. 일정 궤도에 올려놓으면 자체적으로 추력을 발발해 목표 궤도로 올라갑니다. 발사체와 분리된 후 궤도에 안착할 때까지는 자체의 추력으로 운항해야 한다는 거죠.그러므로 정지궤도위성에는 액체원지점엔진이라고 불리는 추진시스템을 탑재합니다. 연료와 산화제를 별도로 싣고 가서 혼합해 사용하는 이원추진시스템인데요. 연료로는 모노메틸하이드라진(MMH)을, 산화제로는 산화질소를 사용합니다. 이런 추진제는 대부분 정지궤도까지 가는데 사용합니다. 거리도 멀지만, 궤도를 바꾸는 데 상당한 힘이 필요하기 때문임.실제 천리안 1호의 경우 발사체와 분리된 후 전이궤도(Transfer Orbit, 한 궤도에서 고도가 다른 궤도로 옮겨가기 중간 궤도)에 진입했고요. 여기부터 위성에 장착된 원지점엔진을 사용해 약 2주 정도를 날아가 정지궤도에 안착했슴니다. 분리 후 세 번에 걸쳐 궤도 전이를 통해 동경 128.2도, 위도 0도의 궤도에 진입했는데요. 천리안 위성은 이 과정에서 무려 1톤가량의 추진제를 소모하고, 나쁘지않아머지 300kg의 추진제로 남북/동서방향의 궤도 유지, 관성바퀴 구동기의 모멘텀 덤핑, 자세제어를 하는데 사용하고 있으며 임무 종료 후 무덤궤도로 위성을 보내는데 사용하게 됍니다.천리안 2A호의 경우 아리안5 발사체가 천리안 2A호를 지구 근지점 250km, 원지점 35,786km의 전이궤도에 올려주면 액체원지점엔진을 원지점에서 약 1때때로씩 2주에 걸쳐 번 발화해 근지점 고도를 점차 높여주며 정지궤도에 안착하게 됍니다. 이때 사용하게 되는 연료는 약 1.35톤, 전체 연료의 약 67퍼.센트를 사용하게 되지요.

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정지궤도위성과 달리 상대적으로 고도가 오전은 궤도를 회전하는 다목적실용위성은 추진제를 그렇게 싣지 않음니다. 추진제 무게가 통상 위성 무게의 10퍼센트 정도를 차지한다고 보면 되는데요. 위성의 무게도 가볍고 고도가 오전아 궤도 진입에 많은 연료를 소모하지 않기 때문입니다. 추력기 또한 1톤 안팎의 위성중량에 고도 1,000km 내외의 저궤도위성에서는 하이드라진을 연료로 사용하는 단일추력기를 사용합니다.저궤도위성의 연료는 대부분 위성의 궤도 수정이자신 자세 제어에 사용댑니다. 인공위성은 인공적인 힘을 가하지 않아도 쉽게 떨어지지 않고 계속 궤도를 선회하지만, 위성의 궤도 운항을 방해하는 여러 가지 힘이 작용하는데요. 지구의 중력, 태양계 내에 존재하는 행성과 위성의 인력, 태양풍, 지구 대기와의 마찰력 등이 위성의 정상적인 이다무 수행을 방해합니다. 그러므로 위성도 추력기를 작동해 수시로 궤도자신 자세를 바로잡게 댑니다.인공위성에는 무색무취의 고순도 하이드라진 연료를 주로 사용하는데요. 효율이 데다 산소가 없는 우주 환경에서 장기간 보관과 사용이 가능하기 때문입니다. 하지만 하이드라진은 독성이 엄청 강한 위험 물질입니다. 이러한 위험성 때문에 위성의 추진제 탱크는 티타늄 등 우주에서 떨어져도 깨지지 않을 정도의 강한 물질로 제작합니다.

기획/제작 : 항공우주 Editor 오요한자문/감수 : 정지궤도복합위성사업단 용기력