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과학기술정보통신부는 3월 20일 카자흐스탄 바이코누르 우주센터에서 차세대중형위성 1호를 발사할 예정입니다. 차세대중형위성은 국내에서 독자 개발한 인공위성으로 우리나라의 지형을 정밀하게 찍는 인공위성이에요. 오늘은 위성을 하늘로 보낼 때 사용하는 로켓을 만들어보겠습니다! 

※ 편집자 주
LOL, 오버워치, 배그부터 다양한 인디게임까지 섭렵한 게임 인생 7년 차 퓨처킴. 하지만 마인크래프트는 처음이다. 회사에서 게임을 하는 것이 조금은 눈치 보이지만 마크의 초고수가 되는 그날까지, 나는 달린다!

위성은 지구 주변을 도는 달처럼 태양계 행성이나 왜행성의 주변을 공전하는 천체를 말합니다. 인공위성은 사람이 목적을 가지고 우주로 쏘아 올려 특정 천체의 주변을 도는 위성을 말하죠. 인간이 우주로 쏘아 올린 인공위성은 1957년 구소련의 스푸트니크 1호 이래 2020년 11월 15일까지 1만 93개(유엔 우주사무국 발표)에 이릅니다. 그렇다면 어떻게 수많은 인공위성이 어떻게 지구로 떨어지거나 부딪히지 않고 회전할 수 있는 걸까요?

인공위성이 지구를 돌 수 있는 이유는?

국제우주정거장(ISS)처럼 사람을 태우고 지구 주위를 도는 유인인공위성도 있지만 사람 없이 천체를 관측하며 수집한 데이터만을 지구로 보내는 무인인공위성이 많습니다. 무인인공위성은 한 번 쏘아 올려 적당한 궤도 위에 안착시키면 별다른 조종을 하지 않고도 안정적으로 궤도를 유지하면서 지구를 관찰하죠. 그 비결은 바로 중력과 구심력입니다. 인공위성은 처음 로켓에서 분리되면서 지구 바깥쪽으로 날아가는 운동을 하는데 지구가 인공위성을 당기는 중력(구심력)이 작용하면서 원운동을 하게 됩니다. 과학자들은 중력과 인공위성의 구심력이 같아지도록 고도와 속도를 계산해 발사하죠.

중력은 만유인력의 법칙에 따라 중력 상수(G)에 지구의 질량(M)과 인공위성의 질량(m)에 두 물체 사이의 거리(R)의 제곱으로 나눠 구하고

구심력은 질량에 물체의 속도(v) 두 번 곱한 뒤, 두 물체 사이의 거리(R)로 나눠 구합니다.

두 값이 같아져야 계속 원운동할 수 있기 때문에 두 식을 같다고 두면, 인공위성의 질량은 소거되고 중력 상수는 변하지 않는 값이므로 인공위성 속도의 제곱은 지구와 인공위성의 거리에 반비례한다는 사실을 알 수 있습니다. 

차세대중형위성의 속도는?

그렇다면 2021년 3월 20일에 발사하는 차세대중형위성은 어떤 속도로 우리 지구를 돌까요? 차세대중형위성을 개발한 한국항공우주연구원은 차세대중형위성이 고도 약 500km에서 원 궤도를 돈다고 밝혔습니다. 그럼 중력 상수와 지구의 질량은 정해져 있으므로 공식에 지구 중심으로부터 인공위성까지의 거리를 대입해 계산하면 속도는 초당 7.6km를 이동하는 것으로 나옵니다. K2 소총의 총알 속도인 초당 약 0.96km에 비교하면 굉장히 빠르죠? 차세대중형위성은 정밀 지상관측이 임무이기 때문에 비교적 가까운 저궤도(250~2000km)에서 지구를 관찰합니다. 지구와 가까울수록 중력이 커지기 인공위성이 낙하하지 않기 위해서는 그만큼 더 빠른 속도로 움직이며 구심력을 커져야 하죠. 반면에 더 높은 궤도에 있는 인공위성은 작용하는 중력이 작기 때문에 느린 속도로 움직여도 지구로 추락하지 않아요. 특히 고도 약 3만 6000km에 있는 인공위성은 지구의 공전 속도와 같은 속도로 움직여 한 곳만 집중적으로 관찰할 수 있어요. 이런 위성을 정지궤도위성이라고 부른답니다.

오늘은 인공위성의 높이와 속도에 대해 알아봤는데요. 한 번 발사한 인공위성은 수명이 다해도 다시 수거할 수 없어 우주 쓰레기 문제를 일으키기도 한답니다! 우주 쓰레기를 청소하는 우주선의 이야기가 궁금하다면 46쪽 매스미디어 ‘승리호’기사를 읽어보세요!