금성·화성 탐사, 소련이 앞섰다…하지만 통신 끊긴 ‘절반의 성공’

[물리학자의 시선으로 보는 우주탐사 역사]
(3) 초기 행성탐사와 통신위성

지구 안쪽 행성으로 갈 땐 지구 공전 방향과 반대로, 지구 바깥쪽 행성으로 갈 땐 지구 공전 방향으로 우주선을 보내야 한다. NASA/JPL

달에 가려면 지구의 중력탈출속도로 출발해도 충분하다. 정확하게 중력탈출속도로 지구에서 출발한 우주선이 지구에서 충분히 멀어지면, 우주선이 지구에서 멀어지는 속도는 0에 가깝다. 태양의 위치에서 보면 우주선의 속도는 지구의 공전속도와 거의 같고, 우주선은 지구의 공전궤도와 비슷하게 태양 주위를 돈다. 이런 우주선은 다른 행성에 다가갈 수 없다.

우주선이 다른 행성에 다가가려면 지구의 중력탈출속도보다 큰 속도를 내야 한다. 그러면 지구에서 충분히 멀어져도 우주선은 지구에서 0보다 더 큰 속도로 멀어진다. 우주선이 지구 공전방향으로 멀어지면, 태양의 위치에서 보는 우주선의 속도는 지구의 공전속도에 우주선이 지구에서 멀어지는 속도를 더한 속도이다. 이렇게 지구가 공전하는 것보다 더 빠르게 움직이는 우주선은 지구공전궤도의 바깥 방향으로 멀어지면서 지구의 공전궤도보다 더 큰 공전궤도를 돈다. 이 경우에는 화성과 같이 지구의 공전궤도 바깥을 도는 행성에 다가갈 수 있다.

우주선이 지구 공전방향과 반대 방향으로 멀어지면, 태양의 위치에서 보는 우주선은 지구의 공전속도에서 우주선이 멀어지는 속도를 뺀 속도로 멀어진다. 이렇게 지구가 공전하는 것보다 더 느리게 움직이면 우주선은 지구의 공전궤도 안쪽으로 멀어지면서 지구의 공전궤도보다 더 작은 공전궤도를 돈다. 이 경우에는 금성과 같이 지구의 공전궤도 안쪽을 도는 행성에 다가갈 수 있다.

그림 1. 위: 지구의 중력탈출속도보다 더 큰 속도로 출발하면, 지구에서 충분히 먼 거리에서 우주선은 거의 일정한 속도로 지구에서 멀어진다. 아래: 금성과 화성에 다가가는 방법. 우주선이 지구와 공전하는 방향과 반대로 지구에서 멀어지면 태양에서 본 우주선의 속도는 지구 공전속도보다 작아지면서 지구 공전궤도 안쪽의 금성 궤도로 다가간다(왼쪽 아래). 우주선이 지구와 공전하는 방향으로 지구에서 멀어지면 태양에서 본 우주선의 속도는 지구 공전속도보다 커지면서 지구 공전궤도 바깥쪽의 화성 궤도로 다가간다(오른쪽 아래).

소련, 금성에 먼저 가기는 했지만

250㎞ 상공의 지구 저궤도를 기준으로 중력탈출속도보다 초속 0.3㎞ 이상 더 빠른 속도로 날아가면 금성에 다가갈 수 있다. 우주선이 지구를 벗어나는 방향은 지구가 공전하는 방향과 반대이어야 한다. 그러면 태양의 위치에서 본 우주선의 속도가 지구의 공전속도보다 더 작아지면서 지구의 공전궤도 안쪽에 있는 금성을 향해 갈 수 있다. 화성에 다가가려면 중력탈출속도보다 초속 0.4㎞ 이상 더 빠른 속도로 날아가야 한다. 우주선이 지구를 벗어나는 방향은 지구가 공전하는 방향이어야 한다. 그래야 태양의 위치에서 본 우주선의 속도가 지구의 공전속도보다 더 커지면서 지구보다 태양에서 더 먼 공전궤도를 도는 화성을 향해 갈 수 있다. 같은 질량의 우주선이라면, 금성으로 보내는 속도가 화성으로 보내는 속도보다 약간 더 작다. 실제 미국과 소련은 우주선을 금성에 먼저 보냈다.

소련은 첫 금성 탐사선 베네라 1호(Venera 1)를 1961년 2월12일에 발사했다. 발사 후 96일이 지난 같은해 5월19일에 베네라 2호는 금성에서 10만㎞ 이내로 접근한 것으로 알렸다. 지구와 달 사이 거리의 3분의 1도 안되는 거리다. 그러나 금성을 향해 가던 중이었던 2월22일에 시도한 통신이 실패했다. 지구에서 320만㎞ 떨어진 곳을 지나가던 중이었다. 이후에도 통신이 계속 실패하면서 소련의 첫 금성 근접비행은 통신 없이 이뤄진 절반의 성공이었다.[1] 미국의 첫 금성 탐사선 매리너 2호(Mariner 2)는 소련의 베네라 1호보다 1년 6개월이나 늦은 1962년 8월27일에 발사됐다. 발사 110일 후인 12월14일에 금성에서 약 3만4773㎞ 떨어진 곳까지 접근했다. 근접비행을 마치고 금성에서 멀어지던 1963년 1월3일까지도 지구와의 통신을 유지한 성공적인 탐사였다.[2]

그림 2. 금성과 화성에 다가간 탐사선들. 최초로 금성에 근접비행한 소련의 베네라 1호(왼쪽 위)와 매리너 2호(오른쪽 위), 그리고 최초로 화성에 근접비행한 소련의 마스 1호(왼쪽 아래)와 미국의 매리너 4호(오른쪽 아래). 소련의 첫 금성 근접비행과 화성 근접비행은 통신이 두절된 상태에서 진행됐다. 소련보다 1년 6개월과 1년 8개월 늦었던 미국의 첫 금성 근접비행과 화성 근접비행은 통신을 유지하며 진행됐다. 사진 : NASA

화성에 근접비행을 한 첫 탐사선은 1962년 11월1일 발사된 소련의 마스 1호(Mars 1)였다. 발사 후 230일이 지난 1963년 6월19일에 19만㎞까지 접근한 것으로 알려졌다. 하지만 마스 1호도 화성으로 가던 중이던 1963년 3월21일 통신이 끊겼다.[3] 미국의 첫 화성 탐사선 매리너 4호(Mariner 4)는 소련의 마스 1호보다 1년8개월 늦은 1964년 11월28일에 발사됐다. 발사 후 229일이 지난 1965년 7월15일 매리너 4호는 화성에 약 1만㎞까지 접근했고, 이때 찍은 화성 사진을 지구로 전송하는 등 성공적으로 임무를 완수했다.[4]

소련은 베네라 1호와 마스 1호 이후에도 금성과 화성 근접비행과 대기 진입 비행 등을 수행했지만 도중에 통신이 끊기는 문제를 한동안 계속 겪으면서, 먼 우주탐사에 중요한 통신 기술에서의 약점을 보였다. 미국은 금성과 화성에 근접비행하는 우주선을 소련보다 1년 6개월 이상 늦게 보냈지만, 근접비행과 더불어 지구와의 통신도 유지하는 성공적인 행성 탐사를 수행했다. 미국이 행성 근접비행 우주선과의 통신을 성공적으로 수행했던 것은 이전부터 통신위성을 개발하는 등 통신기술에 적극적이었던 것과 무관하지 않다.

그림 3. 최초의 통신위성들: 미국과 유럽 사이의 TV방송을 최초로 중계한 텔스타 1호(왼쪽 위)는 북반구에서 근지점을 지나고(왼쪽 아래), 미국과 일본 사이의 TV방송을 최초로 중계한 릴레이 1호(오른쪽 위)는 남반구에서 근지점을 지난다(오른쪽 아래). 두 위성 모두 공전주기가 지구의 자전주기와 많이 다르기 때문에 위성 아래의 지상 위치는 계속 변한다. 적도를 기준으로 텔스타 1호는 지구를 1바퀴돌 때마다 4380㎞씩 서쪽으로 이동하고, 릴레이 1호는 5160㎞씩 서쪽으로 이동한다. 위성사진 출처: NASA

통신위성 개발에 앞장선 미국 기업들

본격적인 우주경쟁이 시작되기 전부터 이미 미국에서는 통신과 방송 사업이 번창하면서 관련기술도 계속 발전하고 있었다. 이런 상황에서 인공위성이 앞으로 관련 분야에 큰 파급력을 가져올 것이라는 사실을 미국의 주요 기업들은 놓칠 리가 없었다. 미국에서 전화사업을 독점하고 있던 AT&T는 1960년 미국 연방통신위원회(FCC)에 실험용 통신위성 발사 허가 신청서를 제출했는데, 당시 허가 여부를 결정하기 위해 필요한 정책이 전혀 없었던 미국 정부는 놀라움을 금치 못했던 것으로 알려졌다.[5] AT&T가 설립한 벨전화연구소는 통신위성 텔스타를 개발하고 있었고, 당시 라디오와 TV 개발의 선도 기업이었던 RCA는 릴레이 프로그램(Relay Program)의 통신위성을 개발하고 있었다. 이들이 개발한 통신위성은 수천㎞ 상공의 지구 중궤도를 도는 통신위성이었고, 모두 미 항공우주국(나사, NASA)의 발사 지원을 받았다.

한 대륙에서 보내는 통신이나 방송 전파를 인공위성이 받아 다른 대륙에 다시 보내는 위성 중계를 성공한 첫 인공위성은 1962년 6월10일에 발사한 텔스타 1호(Telstar 1)였다. 지구와 가깝게는 952㎞ 높이의 북반구 상공을, 멀게는 5933㎞ 높이의 남반구 상공을 도는 타원 궤도를 2시간37분 만에 한 바퀴씩 돌았다. 텔스타 1호는 1962년 7월11일에 미국이 프랑스로 보내는 비공개 TV영상을 중계했고, 12일 후인 7월23일에는 미국과 유럽 사이를 오고가는 공개 TV방송을 중계했다. 텔스타 1호는 TV방송뿐만 아니라 미국과 유럽 사이의 전화통화와 컴퓨터 디지털 데이터 전송도 성공적으로 중계했다.[6]

RCA가 개발한 릴레이 1호(Relay 1)는 나사에 의해 1962년 12월13일에 발사됐다. 지구와 가깝게는 1322㎞ 높이의 남반구 상공을, 멀게는 7439㎞ 높이의 북반구 상공을 도는 타원 궤도를 3시간5분 만에 한 바퀴씩 돌았다. 릴레이 1호는 1963년 11월22일 미국과 일본 사이의 TV방송을 처음으로 중계했다.[7] 텔스타 1호와 비교해 북반구에서 훨씬 더 높은 상공을 돌기 때문에 더 먼거리로 보내는 통신과 방송 전파를 중계할 수 있었다.

그림 4. 지구에서 일정한 높이를 유지하며 도는 동기궤도위성을 올리는 방법. 먼저 지구 저궤도에 올리고, 로켓 추진으로 지구 저궤도와 지구 동기궤도를 걸치는 타원궤도로 옮겨간 후, 적도 상공 3만5786㎞ 높이에 이르면, 다시 로켓 추진을 해서 지구 동기궤도로 옮겨 간다. 이렇게 중간 과정의 타원 모양 전이궤도를 거쳐서, 작은 원모양 공전궤도에서 큰 원모양 공전궤도로 옮겨가는 것을 호만 전이(Hohmann transfer)라고 부른다. 지구 저궤도의 높이는 편의상 250㎞로 잡았다.

정지궤도 위성이 탄생하기까지

그런데 텔스타 1호와 릴레이 1호의 문제는 지구에서 보이는 위성의 위치가 계속 변한다는 것이다. 통신위성의 공전주기가 지구의 자전주기와 많이 달랐기 때문이다. 적도를 기준으로 텔스타 1호는 지구를 1바퀴 돌 때마다 서쪽으로 4380㎞씩 서쪽으로 이동했고, 릴레이 1호는 5160㎞씩 서쪽으로 이동했다. 적도를 기준으로 44.8도와 47.5도 기운 궤도를 돌았던 이 인공위성들은 남북 방향으로도 움직였다. 이 때문에 특정 지점 사이의 통신이나 방송 중계는 짧은 시간만 할 수 있었고, 위성이 비슷한 자리로 되돌아 오려면 거의 하루가 걸렸다.

인공위성이 시간이 지날수록 점점 더 서쪽으로 옮겨가는 문제를 해결하는 인공위성이 바로 동기궤도위성(geosynchronous satellite)이다. 지구가 자전하는 주기와 같은 주기로 지구 주위를 공전하는 궤도인 동기궤도(geosynchronous orbit)를 도는 인공위성이다. 첫 동기궤도위성인 신콤(Syncom) 통신위성은 항공기와 미사일을 제작하는 기업이었던 휴즈 항공이 1961년부터 개발하기 시작했다.

동기궤도위성은 서쪽으로 계속 치우치는 문제는 해결했지만, 남북 방향으로 움직이는 문제가 있었다. 적도면에서 기울어진 방향으로 지구 주위를 공전하면 12시간은 남반구 상공에 위치하고 나머지 12시간은 북반구 상공에 위치하기 때문이다. 이 문제를 해결하려면 위성이 지구 적도 위의 상공을 공전하면 해결된다. 적도 상공에서 높이를 일정하게 유지하는 공전궤도를 도는 동기궤도위성을 지구에서 보면 하늘의 한 곳에 정지해 있는 것처럼 보인다. 이런 공전궤도를 정지궤도(geostationary orbit)라고 부르고 이 궤도를 도는 인공위성을 정지궤도위성 (geostationary satellite)라고 부른다. 정지궤도는 동기궤도의 특별한 경우이다. 일정한 높이를 유지하는 동기궤도와 정지궤도 모두 적도를 기준으로 3만5786㎞ 높이의 상공에서 초속 3.07㎞의 속도로 지구 주위를 23시간 56분4초마다 1바퀴씩 돈다.

지구에서 일정한 높이를 도는 동기궤도에 인공위성을 올리려면 크게 세 단계의 로켓추진을 거친다. 먼저 지구에서 발사해 지구 저궤도에 인공위성을 올린다. 250㎞ 상공의 지구 저궤도라면 인공위성은 초속 7.76㎞의 속도로 공전한다. 이 궤도에서 다시 로켓 추진을 해 인공위성의 속도를 초속 10.20㎞(Δv=10.20-7.76=2.44㎞/s)로 높이면, 인공위성은 지구 저궤도와 지구 적도 상공 3만5786㎞을 거치는 타원 모양의 궤도를 돈다. 인공위성이 지구에서 가장 먼 곳에 도달하면 속도는 초속 1.60㎞가 된다. 이 위치에서 다시 로켓 추진으로 속도를 초속 3.07㎞(Δv=3.07-1.60=1.47㎞/s)로 높이면, 인공위성은 3만5786㎞의 고도를 일정하게 유지하며 지구의 자전주기와 같은 주기로 지구 주위를 공전한다. 지구 저궤도부터의 두 Δv의 합계는 초속 3.91㎞로, 한 번에 추진하면 우주선을 화성에도 보낼 수 있는 Δv이다.

그림 5. 신콤 2호의 동기궤도(노란색)와 신콤 3호의 정지궤도(하늘색). 신콤 2호는 적도와 비교해 33.1도 기운 동기궤도를 돌고, 신콤 3호는 적도 주위를 돈다. 두 궤도 모두 적도 상공 기준 3만5786㎞ 높이의 궤도를 지구의 자전주기와 같은 공전주기로 돈다. 위성사진 출처: NASA

기아나, 정지궤도 위성 발사의 성지

최초의 동기궤도위성은 1963년 7월26일에 발사된 미국의 신콤 2호였다.[8] 지구의 적도와 비교해 33.1도 기운 방향으로 공전했기 때문에, 적도에서 보면 위성이 하늘의 남북방향으로 움직이는 것처럼 보였다. 만약에 캐나다 북쪽의 높은 위도에 위치한 지점에서 봤다면 하루의 일정시간 동안은 위성이 지평선 아래로 가려지는 상황이 만들어졌을 것이다. 최초의 정지궤도위성은 1964년 8월19일에 발사된 미국의 신콤 3호였다.[9] 1964년 10월에 열렸던 도쿄올림픽 경기 TV방송을 일본에서 미국으로 중계했다. 미국에서 수신한 도쿄올림픽 경기 TV방송은 유럽에도 다시 전송되었는데, 이를 중계한 위성은 중궤도 위성인 릴레이 1호였다. 신콤 2호와 3호는 1965년 1월1일부터 미국 국방부가 운영을 맡았다. 특히 신콤 3호는 전쟁중이었던 베트남에서의 미국 국방부 통신을 지원했다.

정지궤도위성은 적도 상공을 돌아야 한다는 조건이 추가되기 때문에, 적도에 가까운 곳에서 발사하거나 적도 주위를 돌도록 인공위성의 방향을 수정하는 과정이 필요하다. 대한민국이 개발하고 다양한 임무를 수행한 정지궤도위성인 천리안 1호, 2A호, 2B호는 각각 2010년 6월26일, 2018년 12월5일, 그리고 2020년 2월19일에 아리안5 ECA 발사체에 실려 남아메리카의 프랑스령 기아나에 위치한 ‘기아나 우주 센터’에서 발사됐다.[10] 기아나 우주 센터는 적도에 가까운 곳에 위치하고 있어서, 적도 상공을 도는 정지궤도위성을 발사하기에는 최적의 장소이다. 지구의 자전으로 적도에서 지구가 움직이는 속도인 초속 0.465㎞를 발사체가 덤으로 얻을 수 있어 그만큼 로켓 연료를 절약할 수 있는 장점도 있다.

*다음 편에는 유인 달탐사 이야기가 이어집니다.

주)

[1] “Venera 1 - Spacecraft - the NSSDCA - NASA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1961-003A

[2] “Mariner 2 - Spacecraft - the NSSDCA - NASA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1962-041A

[3] “Mars 1 - Spacecraft - the NSSDCA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1962-061A

[4] “Mariner 4 - Spacecraft - the NSSDCA”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1964-077A

[5] “Communications Satellites: Making the Global Village Possible”, David J. Whalen, NASA, https://history.nasa.gov/satcomhistory.html

[6] “Telstar 1”, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Telstar_1

[7] “Relay”, NASA, https://www.nasa.gov/centers/goddard/missions/relay.html

“Final Report on the Realy I Program)”, Goddard Spece Flight Center, NASA, https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19660000937/downloads/19660000937.pdf

[8] “Syncom 2 - NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1963-031A

[9] “Syncom 3 - NASA - NSSDCA - Spacecraft - Details”, NASA, https://nssdc.gsfc.nasa.gov/nmc/spacecraft/display.action?id=1964-047A

[10] “천리안 (위성)”, Wikipedia, https://ko.wikipedia.org/wiki/천리안_(위성)

“천리안 2호”, Wikipedia, https://ko.wikipedia.org/wiki/천리안_2호

윤복원/미국 조지아공대 연구원(전산재료과학센터·물리학) [e-mail]