하늘 천(天)에 이로울 리(利), 편안할 안(安). 한국 최초의 정지궤도 복합위성인 천리안위성 1호가 2026년 6월 8일, 16년간의 임무를 마치고 폐기됐다. 2010년 발사돼 통신, 해양과 기상 관측이란 세 가지 임무를 수행하며 16억 km를 비행한 끝의 일이다. 16년의 여정 뒤에는 여러 사람들의 20년이 넘는 노력이 숨어있었다. 7월 2일, 대전 한국항공우주연구원을 찾아가 천리안위성 1호의 개발부터 폐기까지 임무에 참여한 사람들의 이야기를 전해 들었다.

▲한국항공우주연구원

미국 우주항공기업 노스롭 그루먼은 미국 해군연구소, 방위고등연구계획국(DARPA)과 함께 정지궤도에 있는 위성의 수명을 연장하는 차세대 위성 정비 차량(MRV·Mission Robotic Vehicle)을 개발했다. 2026년 여름 발사할 예정이다.

박봉규 한국항공우주연구원(항우연) 공공복합통신위성체계팀 책임연구원은 2001년부터 무려 25년간 천리안위성 1호 개발, 운영 지원, 폐기에 관여했다.

개발
프랑스 셋방살이하며 만든 ‘짠내’나는 위성

“20년이 지난 일이지만 마냥 좋은 기억은 아니었죠. 무엇보다 경제적인 사정상 자녀들을 국제 학교에 보내지 못하고 프랑스 툴루즈의 공립 학교에 보냈는데, 프랑스어로 수업을 듣고 얘기를 해야 하다 보니 아이들이 처음 등교하던 날 힘들어서 울던 아침이 아직도 기억에 남아요.”

7월 2일 한국항공우주연구원(항우연)에서 만난 박봉규 공공복합통신위성체계팀 책임연구원이 말했다. 그는 1993년 항우연에 입사해 무궁화 1, 2, 3호의 임무 해석 및 운용 설계를 담당하다 천리안위성(천리안) 1호 개발의 운용 설계를 맡았다. 천리안 1호는 한국이 최초로 개발한 정지궤도 위성이다. 천리안은 당시 국민 공모로 정해진 이름이다. 천리안 1호보다 앞서 정지궤도로 올라간 무궁화위성이 있지만, 프랑스 및 이탈리아 소재의 기업인 ‘탈레스-알레니아 스페이스’에서 개발 및 제작을 담당했다.

2001년 한국에서는 정지궤도 위성을 직접 개발하는, 천리안위성 사업이 시작됐다. 프랑스의 항공 우주 기업 EADS 아스트리움(현 에어버스)과 공동으로 설계하기로 해 약 20명의 항우연 연구원들이 2005년 툴루즈로 약 2년간 파견을 떠났다.

“공동설계라고는 하지만, 개발 책임은 아스트리움이 졌고 항우연은 개발 분야별로 한 명씩 제한적인 부분에서 참여했죠.” 박종석 공공복합통신위성체계팀 팀장이 말했다. 박 팀장은 당시 기계 설계 담당자였다. 제한적인 참여에도 담당자들의 어깨는 무거웠다. “각 파트의 담당자들이 모든 걸 책임져야 했어요. 이후 독자적으로 정지궤도 위성을 만들 때 필요한 것들을 한 사람이 다 알아 와야 했죠.”

아스트리움에서의 파견 환경은 좋지 않았다. “번듯한 회사 건물 바깥에 컨테이너 박스로 만들어진 임시 가건물이 당시 항우연 파견 연구원들의 업무 공간이었어요.” 박 팀장이 씁쓸하게 20년 전을 떠올렸다.

한국의 상황도 좋지 않았다. “1990년대 초 무궁화 위성을 사 올 때, 추후 정지궤도 위성 설계 및 제작이란 목표가 있었기에 당시 연구개발(R&D) 예산이 투입됐어요. 이때 항우연을 비롯해 한국전자통신연구원(ETRI)에서 위성을 구매했던 해외 업체에 파견을 가 훈련을 받기도 했고, 한국 내 부품소재 제작 업체에서 부품 및 소재를 만들기도 했죠. 그런데 1997년 IMF(외환 위기)가 터졌어요.”

경제 위기는 우주 연구에도 상흔을 남겼다. 당시 위성 개발은 돈이 되는 사업이 아니었기에 사업을 접은 업체들이 많았다. 때문에 외환 위기가 끝나고 천리안 1호 개발을 시작하려고 보니 위성 개발 경험이 있던 이들과 당시의 자료가 모두 사라진 상황이었다. 박 팀장은 “한국 내 기반이 모두 없어진 상태로 다시 시작해야 했다”고 회고했다.

▲한국항공우주연구원

2010년, 천리안위성 1호가 조립을 마치고 금색 단열재로 감싸져 있다. 천리안 1호는 이후 16년간 임무를 성공적으로 수행하며 한국 우주개발 역사에 큰 획을 그었다.

박종석 공공복합통신위성체계팀 팀장은 천리안 1호 개발부터 폐기까지를 회고했다. 외환 위기로 연구에 어려움을 겪은 바 있는 그는 뉴스페이스 시대일수록 경제 상황에 영향을 적게 받는 지속가능한 우주 연구를 위해 국가의 역할이 중요하다고 강조했다.

운영
16년간의 비행, 1년 365일 24시간 상시 대기하다

2010년 6년 27일, 천리안 1호는 통신, 해양, 기상 무려 3개의 탑재체를 안고 프랑스령 기아나 우주센터에서 정지궤도로 떠났다. 천리안 1호는 통신, 해양 및 기상 관측까지 세 가지 임무를 동시에 맡은 다목적복합위성이었다.

천리안 1호의 기존의 운용 목표는 7년이었으나 무려 2배가 넘는 기간 동안 하늘을 지켰다. 같은 시간 지상에서는 1년 365일 24시간 동안 위성이 문제없이 운영되고 있는지를 확인한 이들이 있었다. 정지궤도 위성은 적도 상공에서 지구 자전과 같은 속도로 움직이기 때문에, 위성 상태에 이상은 없는지 확인하는 관제 업무가 24시간 계속 이뤄져야 했기 때문이다.

2019년부터 천리안 1호 관제 리더를 맡은 김혜원 위성관제팀 선임연구원은 “4조 2교대로 관제 업무가 이어졌다”고 말했다. 외부 업체와 협력해 24시간 위성 관제 체계를 유지했다. “업무 시간은 교대로 정해져 있지만 항상 ‘온콜(On-Call·응급 상황에 즉각 대응할 수 있도록 상시 연락을 유지하는 근무 방식)’ 상태였어요. 명절에도 급하게 연락 받고 출근하기도 했죠.” 김 연구원은 “2020년 천리안 1호의 기상 임무가 종료되고, 2021년 해양 임무가 종료된 이후에는 야간이나 주말에 긴급히 대응해야 하는 상황은 이전보다 줄어들었다”고 덧붙였다.

2001년 개발 착수 단계부터 2026년 최종 폐기 기동까지 무려 25년 동안 천리안 1호 운영을 지원한 FST(Flight Support Team)의 헌신도 있었다. FST팀은 툴루즈 파견으로 위성 개발에 직접 참여했던 원년 멤버 연구원으로 구성된 일종의 ‘주치의’ 그룹이다. 이들은 16년간 천리안 1호가 우주 임무를 수행하는 동안 예기치 못한 시스템 오류나 이상 현상이 발생할 때마다 달려와 원인을 분석하고, 복구 방법을 제시해 왔다. 박 책임연구원은 그중 한 명이다.

16년 동안 연구자들이 가장 초조했던 순간은 언제였을까? 김 연구원과 박 팀장은 입을 모아 “2015년에 발생한 추력기 고장”이라 답했다. 추력기는 일종의 소형 엔진이다. 자세를 제어하거나 고도를 수정할 때, 궤도를 유지하거나 변경할 때 사용한다. 운영부터 폐기까지 위성의 일생 동안 필수적인 부품이다. 천리안 1호에는 서로 다른 방향으로 총 7곳에 추력기가 2대씩 달려 있다. 한 대는 주추력기, 또 한 대는 부추력기다. “2015년, 1번 주추력기에 비정상적인 온도 분포가 감지된 이후 1번 추력기는 ‘백업’ 없이 한 대로 운영됐어요. 추력기가 고장난 후 10년이 넘는 시간 동안 1번 추력기에 문제가 없는지 계속 걱정하며 확인했죠.” 김 연구원이 설명했다.

천리안 1호 폐기에 대한 논의는 2024년 여름부터 시작됐다. “위성을 폐기할 때는 남은 연료가 어느 정도인지, 운영 제한조건이 언제까지인지를 고려해요. 천리안 1호는 2026년 하반기가 운영 제한조건이 도래하는 때였어요.” 운영 제한조건은 위성을 안전하게 운용할 수 있는 조건이다. 정지궤도 위성은 달과 태양의 중력 때문에 시간이 지날수록 조금씩 기울어진다. 이 기울어진 정도를 궤도경사각이라 부른다. 궤도경사각이 커지면 위성은 지상에서 볼 때 남북 방향으로 왔다 갔다 흔들리는 것처럼 보인다. 때문에 인공위성은 궤도경사각을 0도에 가깝게 보정한다. 운용 기간이 오래된 천리안 1호는 연료를 아끼고 위성 운용 수명을 늘리기 위해 2021년 4월부터 궤도경사각을 5.0도 이내로 맞춰두고 있었지만, 2026년 하반기부터는 경사각이 5.0도를 넘어가게 됐다.

김혜원 위성관제팀 선임연구원은 “그동안 위성이 노후화돼 신호를 잃은 적은 있지만 능동적으로 폐기한 것은 처음”이라며 천리안 1호 폐기의 의의를 밝혔다.

폐기
8일간의 여행을 거쳐 무덤궤도로 올라가다

“천리안 1호 폐기는 2026년 6월 1일 월요일에 시작해 8일인 월요일까지 총 8일 동안 이뤄졌어요.” 박 책임연구원이 말했다. 폐기의 시작은 위성 내 탑재체의 전원을 모두 끄는 것이었다. “탑재체를 끄면 위성 온도가 떨어져요. 위성에는 온도를 모니터링하고 자동으로 적정 온도로 맞추는 열제어 모니터링 시스템이 갖춰져 있는데, 해당 시스템도 기능하지 못하게 조치해야 했죠.”

이후 3일 동안 무덤궤도로 올려보내는 일이 진행됐다. 무덤궤도는 정지궤도에서 약 300~500km 더 높은 고도에 있는 궤도다. 현재 무덤궤도에는 약 600개의 우주 쓰레기가 있다. “이중 300~400개가 폐기된 정지궤도 위성이고, 나머지는 로켓의 상단을 비롯해 부딪혀서 만들어진 잔해 등이에요.” 정유연 SSA(우주상황인식)연구팀 선임연구원이 설명했다.

무덤궤도에서도 아무 높이에나 위성을 폐기하는 것은 아니다. “국제우주파편조정위원회가 제시하는 가이드라인에 따라 위성의 질량과 면적을 식에 넣어 위성을 폐기하는 고도를 계산해요.” 정 선임연구원은 이번 폐기 임무에서 궤도 운영 및 기동 계획 업무를 맡았다. 목표 고도에 맞춰 위성 폐기 기동을 설계하고, 각 기동이 완료된 뒤에는 위성 상태를 파악한 뒤 다음 기동을 준비하는 일이었다.

천리안 1호는 총 6번의 기동 계획을 나눠 세웠다. 실제 폐기 기동은 6월 3일부터 5일까지 총 3일간 이루어졌다. “오전 9시와 밤 9시, 12시간의 간격을 두고 하루 두 번씩 기동이 이루어졌어요. 한 번 쏠 때마다 50km씩 올라가는 거였죠. 기존 원궤도를 돌고 있던 위성을 한 번 밀면 한쪽은 높고, 반대쪽은 낮은 타원궤도가 된다. 때문에 위성이 반 바퀴를 돌아, 처음 쏜 지점의 정반대편에 도착할 때 한 번 더 밀면, 남아 있던 낮은 쪽의 궤도까지 올라간다. 기존보다 높은 고도의 원궤도에 안착하는 것이다. 천리안 1호는 두 번의 분사를 거치며 하루 약 100km씩 더 높은 원궤도에 올랐다. “천리안 1호는 계획했던 300km보다 아주 조금씩 더 올라가서 3일 동안 총 304km를 올랐어요.” 첫 폐기 기동에 어려움은 없었냐는 기자의 질문에 정 연구원은 “기존 위성의 위치를 유지하고 자세를 제어하는 궤도 운영 및 기동 업무와 크게 다르지 않았다”고 설명했다.

무덤궤도에 안착한 천리안 1호는 위성 폐기 요구사항을 하나씩 수행했다. 궤도의 찌그러진 정도가 0.003도 이하여야 하기에, 천리안 1호는 0.001도로 맞추었다. 또 이틀 동안 연료탱크를 비웠다. 마지막 날에는 배터리를 방전시키기 시작했다. “현재 방전은 진행 중이에요.” 박 책임연구원이 덧붙였다. 천리안 1호는 배터리가 방전되고 나면 무덤궤도에서 기약 없는 안식을 취할 예정이다.

정유연 SSA연구팀 선임연구원은 위성의 안전한 폐기를 넘어, 지속가능한 우주를 만들어내기 위한 논의 및 연구가 필요하다고 말했다.

폐기 이후
제로-데브리스 시대, 천리안 1호 재사용이 가능할까?

“무덤궤도에 올라간 위성들은 앞으로 그냥 계속 거기 존재하는 건가요?” 기자의 질문에 정 연구원이 고개를 끄덕였다. “정지궤도는 약 3만 6000km의 높이라, 500~2000km 고도의 저궤도 위성과 달리 다시 지구로 돌아오게 하는 게 불가능해요. 이미 정지궤도로 올라가는 데 많은 연료를 썼거든요.”

“처음 목표의 2배 넘게 운용했기에 천리안 1호는 성공적인 우주 프로젝트로 볼 수 있어요.” 천리안 1호 폐기의 소회를 묻는 질문에 박 팀장이 후련한 얼굴로 대답했다. 다만 이들에게 천리안 1호 폐기는 끝이 아닌 새로운 시작이다. 천리안 1호가 무사히 비켜준 궤도에 천리안 3호가 무사히 올라가야 하기 때문이다.

정지궤도는 운용할 수 있는 위성의 개수에 한계가 있다. 그래서 정지궤도 위성은 국제연합(UN) 산하 국제전기통신연합(ITU)로부터 궤도와 주파수를 배정받아 사용한다. “위성을 폐기하면 궤도와 주파수를 반납해야 하는데, 반납 유예기간이 3년이에요. 때문에 천리안 1호 폐기로부터 3년 이내에 천리안 3호를 발사해야 하죠. 2024년에 폐기 논의를 시작했을 때부터 승계 일정을 고려해 2026년 폐기를 계획했어요.” 박 책임연구원이 설명했다.

언젠가는 천리안 1호를 다시 정지궤도로 끌어내려 임무를 수행하게 할 날이 올지도 모른다. 로봇팔로 위성의 임무를 연장하는 기술이 계속 발전하고 있기 때문이다. 정 연구원은 미국의 항공우주기업 ‘노스롭 그루먼’의 ‘임무 연장 위성(MEV·Mission Extension Vehicle)’을 언급했다. MEV는 연료가 떨어져 가는 정지궤도 위성에 붙어 대신 추진기 역할을 해주는 수명 연장 우주선이다. MEV는 2020년, 2021년 인텔의 인공위성에 수명 연장 서비스를 제공했다. 노스롭 그루먼은 원격 조종 로봇 팔을 장착해 고장 난 위성을 수리하고 검사하는 것은 물론 부품도 교체하는 임무 자동화 위성(MRV Mission Robotic Vehicle)을 2026년 여름에서 발사할 예정이다. 이런 기술이 발달하면 한 번 보낸 위성을 폐기하지 않고 계속 사용하는 미래가 올 수 있다.

“30대 후반부터 지금까지 정말 오랜 시간을 함께한 위성이었어요. 천리안 1호를 폐기한다고 하니, 저보다 아이들이 더 섭섭해하더라고요.” 툴루즈 파견 당시 2년 반 동안 프랑스에서 학교를 다녔던 박 책임연구원의 아이들은 이제 30대가 됐다. 박 책임연구원이 천리안위성 개발 프로젝트에 처음 참여했을 때와 비슷한 나이다. “천리안 1호로 한국식 정지궤도의 모델을 갖출 수 있었어요. 때문에 앞으로 계속 개발할 정지궤도의 위성에 천리안 1호의 디자인이 계속 반영될 거라는 게 하나의 위안입니다.”