Beyond the Space

인공위성이라고 하면 우주라는 망망대해에서 지구 주위를 외롭게 돌고 있는 장면들을 많이 상상하실 텐데요. 대부분의 인공위성이 이와 같이 태평양 한가운데에서 길을 잃은 조난자와 같은 처지에 놓여있기는 하지만 몇몇 특별한 임무의 경우에는 꼭 그렇지만도 않습니다.
전투기는 출격할 때에 편대를 이루어 단체로 움직이고, 해군 함정들이 함대를 이루어 작전에 나서는 것을 많이들 보셨을 겁니다. 이것은 보다 효율적으로 작전을 수행하기 위해서인데요. 인공위성에서도 비슷한 방식을 사용하는 것을 간혹 볼 수 있습니다. 이것을 인공위성 편대 비행(Satellite Formation Flying)이라고 합니다. 말 그대로 두 기 이상의 인공위성이 적절한 거리를 두고 함께 날아다니고 있는 형상이지요.

인공위성 편대 비행은 그 방식에 따라 세 가지 정도로 나누어 볼 수 있습니다. 트레일링 포메이션(Trailing Formation), 클러스터 포메이션(Cluster Formation), 컨스털레이션 포메이션(Constellation Formation) 인데요. 이 중 컨스털레이션은 다른 두 방식과는 차이점이 많기 때문에 보통 별개의 개념으로 독립시켜 사용하고 있습니다. 이녀석에 대해서는 일전에 제가 쓴 포스팅을 참조하셔도 좋습니다.

트레일링 포메이션은 보통 두 기 정도의(그 이상이 될 수도 있습니다.) 인공위성이 동일한 궤도를 적절한 거리를 두고 도는 형상인데요. 기상위성이나 환경 관련 임무를 지닌 인공위성에서 볼 수 있습니다. 동일한 지역을 다른 각도로 보고자 한다던가, 동일한 지역의 다른 시각에서의 모습을 관측하여 그 변화를 알아내고자 할 때 주로 사용하는 포메이션이지요.

클러스터 포메이션은 일반적으로 인공위성 편대 비행으로 가장 잘 알려져있는 형상입니다. 전투기 편대 비행처럼 근거리(250m~5km)에 여러기의 인공위성이 진짜 편대처럼 위치해 있지요. 이 클러스터 포메이션이 위성 편대 비행의 장점을 가장 잘 살릴 수 있는 방식입니다.

그렇다면 인공위성 편대 비행이 왜 필요할까요? 여러가지 이유가 있지만 가장 큰 것은 경제적인 이유와 기술적이 이유입니다. 날이 갈수록 고도의, 복잡한 임무를 수행해야 하는 인공위성 업계에서는 어쩔 수 없이 점점 커다란 인공위성을 만들어야만 했습니다. 충분하고 다양한 기능을 위해서는 여러 탑재 장비를 실어야 하고 그 장비들은 또한 점점 소비전력이 커지기 때문에 배터리나 태양전지판도 커져야 하는 상황에 처해있지요. 그런데 인공위성은 크면 클 수록 개발 비용과 발사 비용은 기하급수적으로 늘어나게 되어있습니다. 뿐만 아니라 큰 위성일수록 당연히 복잡한 시스템이 될 것이고 그에 따라 신뢰도가 떨어집니다. 즉, 고장날 확률도 커지고 고장났을 경우에 복구도 쉽지 않다는 거지요. 우주 엔지니어들은 이런 상황을 타계해야만 했습니다.

그래서 나온 개념이 각각의 기능을 여러개의 작은 위성으로 분산시켜서 올리는 방법이었습니다. 작고, 가볍고, 단순한 소형 위성은 개발하기도 쉬우며 높은 신뢰도에 비용 또한 저렴합니다. 게다가 기능을 분산시켰기 때문에 만일 하나의 위성이 실패하더라도 나머지 위성들로 그 공백을 메꿀 수가 있지요. 뿐만 아니라 포메이션의 형태가 자유롭기 때문에 단일 위성으로는 한번에 수행할 수 없는 임무가 가능해진다는 것입니다.

물론, 클러스터 포메이션과 같이 근거리 비행을 해야할 경우에는 높은 정밀도의 자세제어가 필요하지만 고정밀 자세제어 기술은 많은 부분 개발이 되어있는 상태이고 대형 위성을 만들 때 마다 고생하는 것 보다 위성 편대 비행을 위한 정밀 자세 제어 시스템을 적용하여 사용하는 것이 더 효율적입니다.

이러한 이점들에 더해서 클러스터 포메이션의 경우 최근 정찰 위성에 많이 사용되는 SAR(Synthetic Aperture Radar)에 적극 활용할 수 있습니다. 애초에 SAR 자체가 합성 개구 기술(Synthetic Aperture Techniques)를 사용한 것인데 그 원리를 더 확장할 수 있거든요. 자세한 원리는 머리만 아프니 생략하고 간단히 말하자면, 단일 위성으로는 커버 할 수 없는 비교적 넓은 지역에 레이더를 탑재한 인공위성을 전개시켜 놓으면 그 인공위성 군이 하나의 거대한 가상의 단일 위성으로 동작할 수 있습니다. 따라서 레이더의 유효 면적(정확하게는 Effective Aperture)이 커지는 효과를 얻을 수 있고 보다 정밀한 영상을 찍을 수 있게 되는 것이지요.

현재에는 지구궤도 뿐만 아니라 미래의 심우주 탐사에 사용할 수 있는 인공위성 편대 비행 기술을 활발하게 개발하고 있다고 합니다.