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인공위성의 오작동 (Satellite Anomalies)
20세기말에 들어서면서 이동전화, TV, 위치확인시스템 등의 사용이 증가하면서 인공위성이 일상생활에서 차지하는 비중이 점점 커지고 있다. 1998년에서 2003년사이에 약 700여개의 인공위성들(300억불 규모)이 새로 발사될 예정이라고 한다.
우주천기가 인공위성에 미치는 영향은 궤도와 위치에 따라 다르며 근본적으로는 태양에서 일어나는 각종 변화들로 인한 것이다(그림 1, 2). 인공위성들은 우주환경에서 발생하는 각종 문제들을 피할 수 있도록 설계할 수도 있지만, 지금까지 새로 만들어지는 위성들은 다른 기준을 따르는 경우가 많았다. 즉, 작고 가벼워서 발사하기가 쉽고 그 비용이 적게 들어야한다는 것이다. 새로운 설계방식의 일부로서 위성들은 약한 보호막, 적은 부가기능, 부품들의 높은 집적도 그리고 강한 신호방출 등이 있다. 그리고 위성들은 궤도상에서 예전보다도 더 가까이 몰려있는 경우가 많아 우주환경과 관련된 문제를 한꺼번에 겪게된다. 즉, 이전의 위성들에 비해서 약점이 더 많아졌다는 얘기이다.
인공위성은 여러 가지 위험요소에 매우 취약하다. 이러한 위험요소들중 우주환경에 의한 부분은 일부에 불과하지만, 많은 형태의 우주선 오작동현상들이 우주환경관련요인에 의해 유발될 수 있는 것이다.
그림1. 인공위성이 받는 영향: 작동정지 및 궤도붕괴
그림2. 우주환경은 지구주변 우주공간에 영향. GOES 기상위성, 각종 통신위성, GPS, 국제 우주정거장 그리고 콩코드 여객기 등이 그러한 예들이다.
대전현상(electrical charging)
태양복사에 의한 피해중 가장 흔한 것이 위성 및 우주선의 방전현상이다. 방전은 다음과 같은 세가지 원인에 의해 일어난다.
- 전하를 띈 입자들로 된 매질에서 운동을 할 경우, 우주왕복선이나 우주정거장같은 큰 개체들에게는 큰 문제가 된다.
- 지자기 폭풍이나 양성자 이벤트가 일어나 입자들이 한 방향으로 집중포격을 할 경우.
- 태양광이 광전효과를 일으켜 표면으로부터 전자들이 탈출하는 경우.
위의 각 현상들에 의한 영향은 위성의 모양 및 제조당시의 재질에 따라 달라진다. 정전기에 의한 방전은 가짜 회로교차; 전기장치들, 열방지 코팅, 태양전지판의 손상; 또는 센서의 오류 등을 유발한다. 극단적인 경우, 위성의 수명자체가 크게 줄어들어서 계획에도 없던 대체위성을 투입해야만할 수도 있다. 전하는 위성의 표면 또는 그 내부 깊이 쌓여서 다음과 같은 두 가지 현상을 일으킬 수가 있다.
- 표면 방전(surface charging) - 에너지가 낮은 전자들이 위성의 표면에 달라붙어 기존에 있던 다른 전하들과의 상호작용으로 표면에서 원호방전(electrical arc discharge)을 일으키는 현상으로, 태양조명(solar illumination)과 항적방전(wake charging)이 이에 속한다.
- 절연체 방전(deep dielectric charging) - 고에너지 전자들이 위성의 보호막을 뚫고들어와 동축케이블과 같은 절연체 및 도체안에서 쌓이는데, 이것이 계속되면 절연체의 파괴를 유발하여 방전이 일어나게 된다. 투하되는 입자들의 에너지가 높을수록 전하가 더 깊이 들어가서 쌓이게된다.
일반적으로 대전현상 그 자체로는 전기적인 피해가 일어나지는 않는다. 단지 정전전하들이 위성안에 여러 시간동안 쌓이게되는데, 어떤 촉매과정에 의하여 방전같은 현상이 일어나는 것이다. 이러한 과정에는 입자환경의 변화, 태양광량의 변화 또는 위성자체에서의 활동 등이 있을 수 있다.
Single Event Upsets (SEU)
SEU는 에너지가 매우 높은 입자들이 보호막을 뚫고 기억장치로 침투하여 물리적인 해를 입히는 현상을 말한다. 이러한 고에너지 입자들은 주로 (1)우주선(cosmic ray)의 형태로 느린 속도로 꾸준히 날아오는 고에너지 및 중원소 입자들이나 (2)플레어에서 한꺼번에 많은 양이 날아오는 양성자들이다.
실제로 단일 양성자나 우주선으로 축적되는 전하만으로도 전기적인 손상(회로교차, 명령오류, 메모리변조 및 상실) 및 컴퓨터와 같은 각종 장치들의 물리적 손상은 충분히 가능하다. 따라서 이러한 사건들을 SEU라고 부른다. SEU는 무작위적으로 발생하며 예상자체가 거의 불가능하다. 11년 태양주기의 어느 때라도 일어날 수 있지만(그림 3), 실제로는 극소기 근처에 가장 흔하게 발생한다. 이 때는 태양에서 나오는 행성간 자기장이 약해서, 태양계 외곽에서 들어오는 우주선으로부터 지구를 보호해주는 역할을 거의 못해주기 때문이다.
그림3. 인공위성들은 태양활동주기내내 위험에 처해있다.
복사로인한 위험(Radiation Hazards)
총 선량 효과(Total dose effect) - 우주선 및 태양 양성자 이벤트로 날아오는 복사에 의한 피해는 점점 누적이 되는 특성이 있는데, 태양전지판에서 생성가능한 전압이 점점 줄어드는 경우가 이러한 예이다.
모든 기술적인 노력에도 불구하고, 인공위성들은 아직도 하전입자들의 영향에 매우 취약하다. 실제로, 새로운 미세전자공학기술과 낮은 전압의 차용으로 인하여 이전의 단순한 장치들에 비해서 전기적인 손상을 입을 가능성이 더 높아진 것이다. 물론 이러한 부속품들은 가혹환경에서도 견딜 수 있도록 만들어지지만, 규모가 큰 폭풍현상들이 반복되다보면 손상을 입을 수밖에 없다. 인공위성 및 우주선들은 궤도가 높고 낮음에 관계없이 이러한 복사에 의한 피폭을 당할 가능성이 높다.
우주선의 항력과 궤도 추적
태양에서 오는 자외선 플럭스와 지구자기장의 교란으로 상층대기가 가열되면 저궤도위성들은 속도가 느려져서 더 빨리 추락하게 된다. 인공위성이 이렇게 대기의 항력을 받게되면 궤도의 유지에 막대한 비용이 소요된다. 그러나 위성에 언제 궤도에서 벗어날지는 예측이 상당히 어렵다. SkyLab위성이 예상수명보다도 빨리 유실되었던 사건은 좋은 예이다. 당시에는 이렇게 장기적인 체류를 하기에는 지자기폭풍이 매우 강했기 때문에, 우주왕복선에 의한 구조작업이 시작되기도전에 궤도를 이탈하여 불타버리고 말았다.
그외에도 수많은 우주잔해들 역시 이러한 영향을 받는다. 따라서 이러한 "우주쓰레기"들을 추적하는데 있어서도 이런 점을 고려해야만 한다. 우주왕복선 및 우주정거장은 특별히 더 정확한 추적이 필요하다.
자기장 변동과 방전으로 인한 방향상실
인공위성들중에는 지구의 자기장을 이용하여 방향을 잡아가는 것들이 있는데, 지자기폭풍이 일어나면 이들은 방향을 잃기가 쉽다. 많은 위성들은 우주공간에서 방향을 유지하기위해서 자기-광학 센서를 사용한다. 이러한 센서들은 배경하늘의 별들의 위치를 기준으로하여 정확한 지향정밀도를 얻어낸다. 고에너지 입자들은 별추적기나 CCD와 같은 광학장비에 섬광으로 나타나기도 한다. 이러한 현상으로 인하여 별추적시스템의 방향상실이나 센서의 계측오류가 유발되어 위성의 지구에 대한 자세고정이 상실될 수가 있다. 이때 방향성 통신안테나, 센서, 태양전지판 등의 조준방향이 잘못되어 위성의 통신두절, 전력손실, 그리고 극단적인 경우 배터리소모로 인한 위성체의 손실까지도 초래할 수 있다(지속적으로 태양복사에 노출되어 별센서가 점점 손상되기도한다). 방향상실현상은 태양활동이 활발할 때 정지위성 및 극지방 궤도위성에 주로 나타난다.
전파 간섭
태양이 인공위성, 지상안테나와 일직선이 될 경우, 태양의 전파폭발에 의하여 위성통신이 마비될 수가 있다. 이러한 문제는 일직선을 이루는 동안만 지속된다.
이온층을 경유하는 전파의 전송과 관련된 문제는 우주환경의 변화에 의해 일어나며, 정도의 차이는 있지만 거의 모든 인공위성들이 영향을 받게된다. 그러나 이 문제는 여기서는 거론하지 않기로 하겠다. ("Radio Propagation" 토픽을 참고하시오)
사후 분석
인공위성의 손상 및 오작동에 관한 분석은 주로 그 원인을 밝혀내기위해 이루어진다. 손상의 형태(항상 알 수 있는건 아니지만)와 환경의 조건을 알면 원인을 밝히는데 충분한 실마리를 제공한다. 어떤 조건들은 특정한 문제를 일으키는걸로 잘 알려져있기도 하다. 고에너지 양성자들은 잡음증가, SEU, 총선량문제 또는 전력패널의 손상을 일으킬 수 있다. 에너지가 2MeV이상인 전자 플럭스의 증가는 정지궤도상에서의 절연체 하전현상과 깊은 연관이 있다.
인공위성을 견고하고 우주환경에 강하게 만드느냐 아니면 비용과 무게를 줄이느냐의 문제로 인하여 위성사업에서 우주천기가 차지하는 비중은 매우 크다. 위성의 설계와 작동에 있어서 우주천기는 국가경제의 한 역할을 담당하며 계속 증가추세에 있는 위성에 의존하는 기술산업에 막대한 영향을 미치게 된다.
추가정보
인공위성 오작동과 관련된 더 자세한 정보는 http://sec.noaa.gov/SatOps/에서 "Satellites and Space Weather를 참고하면된다.
그 외 관련 사이트
- The Aerospace Corporation, Research and Technology Solutions (http://www.aero.org/research/)
- Space Science Institute, Space Weather Center (http://www.spacescience.org/WOP/NSWP/)
- Space Weather: A Research Perspective (http://www.nas.edu/ssb/swconsequences.html/)
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