어과동 편집부원들이 팬파티 행사를 마친 후 언제 휴가를 쓸지 고민하고 있어요. 할 일이 남아 있지만 집에서 쉬며 일하겠다는 사람과 일은 회사에서 하겠다는 사람, 과연 어느 쪽이 더 많을까요?

[통합과학 개념 이해하기]

궤도 이탈 금지! 인공위성을 붙드는 힘은?

인공위성은 지구와 같은 천체 주변을 돌면서 특정한 임무를 수행하는 물체입니다. 지구 주변에는 지구에서 보낸 신호를 받아 지구의 다른 곳으로 다시 보내주는 통신위성, 우주 공간의 현상을 관찰하고 분석하는 과학기술위성, 지구의 기상을 감시하고 예측해서 날씨 정보를 제공하는 기상위성 등 여러 종류의 인공위성이 있어요.

인공위성은 발사체(로켓)에 실려서 지구 대기권 바깥의 궤도로 보내집니다. 궤도는 어떤 물체가 또 다른 물체의 주변을 돌며 운동하는 경로예요. 지구는 태양을 중심으로, 한 바퀴를 도는 데 365.256일이 걸리는 궤도로 움직이죠. 인공위성도 지구나 달, 금성 주변에서 원형 또는 타원형의 궤도를 따라 비행합니다.

인공위성이 먼 우주로 튕겨 나가지 않고 계속 궤도 안에서 움직일 수 있는 건 힘의 평형● 덕분입니다. 궤도에 들어간 인공위성은 지구가 물체를 끌어당기는 힘인 중력에 의해 지구 중심 방향으로 이끌려요. 동시에 궤도를 따라 회전하면서 생기는 원심력에 의해 궤도 바깥으로 나아가려고 하죠. 이때 중력과 원심력이 힘의 평형을 이루면 인공위성은 지구로 떨어지지도, 우주로 튕겨 나가지도 않는 상태를 유지합니다. 덕분에 일정한 궤도를 그리며 비행할 수 있죠. 그런데 우주 공간에서는 태양으로부터 뿜어져 나온 미세한 입자가 인공위성에 세게 부딪히거나, 태양이나 달의 중력이 영향을 미쳐 인공위성의 진행 방향이 어긋나는 등 갑작스러운 일들이 생기기도 해요. 자칫 인공위성이 궤도 밖으로 밀려날 수 있죠.

이를 막기 위해 인공위성은 연료를 싣고 우주로 갑니다. 이 연료를 통해서 외부의 힘에 밀리지 않고 궤도를 유지하거나 다른 궤도로 이동할 때 필요한 힘을 만들죠. 덕분에 인공위성은 궤도를 벗어나지 않고 안정적으로 비행할 수 있습니다.

[통합과학 넓히기]

연료 없이 비행! 동결궤도로 간 다누리

다누리는 2022년 발사된 우리나라 최초의 달 탐사용 무인 우주선입니다. 달의 궤도를 따라 비행하며 달 표면, 달 주변의 우주 환경 등을 관측하죠. 원래는 1년 동안만 임무를 하도록 설계했지만, 관측에 필요한 과학 장비와 연료를 필요할 때만 정확히 사용하는 등 효율적으로 관리해서 수명을 늘렸어요. 현재 목표는 2027년 12월까지 달 표면을 좀 더 관측하는 거예요.

2025년 9월 24일, 우주항공청은 다누리가 연료 없이도 비행할 수 있는 달의 동결궤도에 성공적으로 진입했다고 밝혔어요. 동결궤도는 ‘얼어붙은 것처럼 안정된 궤도’라는 뜻입니다. 지구나 달은 완벽한 구가 아니라 조금씩 찌그러진 형태예요. 달에는 밀도가 높은 현무암 등이 몰려 있는 ‘매스콘’ 지역이 있어요. 같은 부피면 밀도가 높을 때 질량이 더 크지요. 중력은 질량이 클수록 세게 작용해요. 매스콘처럼 질량이 큰 곳에서는 더 큰 중력으로 인공위성을 강하게 끌어당기고, 그렇지 않은 곳에서는 비교적 약한 세기로 끌어당기죠.

이처럼 달의 중력이 불균일하기 때문에, 달 주변을 도는 인공위성들은 궤도를 유지하기 위해서 주기적으로 대처를 해요. 자세를 바꾸고 위치를 살짝 옮기는 등의 방법을 쓰는데, 그럴 때마다 지구에서 가져간 연료가 소모되죠.

그런데 달의 궤도 중에서는 달의 들쑥날쑥한 중력들이 만나서 힘의 평형을 이루는 지점이 있어요. 한쪽 지역에서 인공위성을 강하게 당기면, 다른 쪽 지역에서 비슷한 힘으로 인공위성을 밀어내며 결국 인공위성이 그 자리에 안정적으로 머물도록 하죠. 이렇게 서로 다른 세기의 중력들이 평형을 이루는 지점이 바로 동결궤도입니다. 지역마다 직용하는 중력이 불균일하기 때문에, 기존에 인공위성이 돌던 달의 궤도와는 달리 타원형을 띠고 있어요.

다누리는 앞으로 동결궤도를 비행하면서, 태양 빛이 닿지 않아 영원한 어둠 속에 있는 달 극지방의 영구음영지역 등을 조사할 예정이에요. 동결궤도에서의 임무가 끝나면 폐기 절차를 거치고, 2028년 3월에 달 표면에 충돌하는 것으로 완전히 임무를 마치게 된답니다.

일반 궤도

기동 필요 → 연료 소모

동결궤도

기동 불필요 → 연료 절약

인공위성이 달의 궤도를 돌 때는 연료를 계속 써야 하지만, 동결궤도에서는 자리를 그대로 유지하기 때문에 연료를 아낄 수 있다.

용어 설명

●힘의 평형 : 한 물체에 같은 크기의 두 힘이 서로 반대되는 직선 방향으로 작용해서, 물체가 힘의 영향을 받지 않고 원래 상태를 유지하는 것.