지구 저궤도

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1. 개요
2. 궤도 특성
3. 이용
4. 우주 쓰레기 문제
참조

1. 개요

지구 저궤도는 지구 대기권과 밴 앨런대 사이에 위치하며, 고도 약 80km에서 500km 사이의 궤도를 의미한다. 이 궤도는 위성 발사에 필요한 에너지가 적고, 통신 지연 시간이 짧아 통신, 지구 관측, 우주 정거장 운영 등에 활용된다. 지구 저궤도에는 국제 우주 정거장, 허블 우주 망원경, 톈궁 우주 정거장 등이 위치하며, 이리듐 통신 위성, 스타링크와 같은 위성 인터넷 통신망도 활용된다. 하지만 우주 쓰레기 문제로 인해 궤도 상의 충돌 위험이 증가하고 있으며, 한국을 포함한 여러 국가에서 이 문제 해결을 위해 노력하고 있다.

2. 궤도 특성

지구 저궤도를 도는 물체는 고도에 따라 대기의 저항을 받는다. 대략 80 ~ 500 km 고도의 열권 및 500 km 이상의 극외권에서 발생하는 가스가 저항원으로 작용한다.^[2] 지구 저궤도는 지구 대기권과 밴 앨런대 사이에 위치하며, 고도는 보통 300km 이상을 유지하는데, 그 아래로는 대기의 마찰이 심해 물체가 부서지기 때문이다.^[3]

안정적인 지구 저궤도를 유지하는 데 필요한 평균 궤도 속도는 약 ()이다. 그러나 이는 궤도의 정확한 고도에 따라 달라진다. 의 원형 궤도의 경우 궤도 속도는 이지만, 더 높은 궤도의 경우 속도는 로 감소한다.^[4] 지구 저궤도에 도달하는 데 필요한 발사체의 델타-v는 약 부터 시작한다.

지구 저궤도의 중력은 지구 표면보다 약간 작다. 이는 지구 표면에서 LEO까지의 거리가 지구 반지름보다 훨씬 작기 때문이다. 그러나 궤도에 있는 물체는 지구 주위를 영구적으로 자유 낙하 상태에 있는데, 궤도에서는 중력과 원심력이 서로 균형을 이루기 때문이다. 결과적으로 궤도에 있는 우주선은 계속해서 궤도에 머물고, 그러한 우주선 안팎의 사람들은 지속적으로 무중력을 경험한다.

저궤도보다 높은 궤도에서는 강렬한 복사 에너지 및 전하들이 집적되어 위성의 전자 기기가 고장날 수 있다. 반면 저궤도에서는 랩탑 컴퓨터와 같은 상업 기기가 정상적으로 작동하기도 했다.^[4]

2. 1. 적도 저궤도 (ELEO)

적도 저궤도(ELEO)는 지구 적도와 이루는 경사각이 작기 때문에 지구 주위를 어떤 궤도보다도 가장 빨리 일주할 수 있으며, 타 궤도에 비해 델타-브이의 필요량이 가장 낮다.

2. 2. 극궤도

높은 경사각을 가지는 지구 저궤도를 보통 극궤도라고 부른다.^[1]

2. 3. 초저궤도 (VLEO)

지구 저궤도 중 특히 고도 300km 이하의 궤도를 '''초저궤도''', '''VLEO'''('''V'''ery '''L'''ow '''E'''arth '''O'''rbit, 극저지구궤도)라고 부르며^[24], 지구 관측 위성에서는 더욱 높은 해상도 등의 이점이 있지만, 궤도 고도가 너무 낮으면 대기의 영향을 무시할 수 없게 되어 공기 저항을 받아 점차 감속하여 급격히 고도를 낮추고, 결국 대기권에 진입하여 소멸하게 된다.

2019년에 우주항공연구개발기구(JAXA)의 초저고도 위성 기술 시험기 "쓰바메"가 167.4km의 매우 낮은 고도를 7일간 유지하며 궤도를 계속 돌면서 지구 관측 위성의 최저 궤도 고도로 기네스 세계 기록에 등재되었다^[25]。이때는 공기 저항의 영향을 보상하기 위해 이온 엔진과 가스 제트를 사용하여 추진력을 발생시켜 속도와 고도를 유지했다.

3. 이용

저궤도는 위성 배치에 필요한 에너지가 적게 들고, 높은 대역폭과 낮은 통신 지연 시간(latency)을 제공하여 통신 분야에 유리하다. 또한 지구 표면과의 거리가 가까워 원격 탐사에서 이미지 등의 해상도가 향상되며, 통신 위성에서는 송수신기에서 발생하는 전력이 적게 든다는 장점이 있다. 국제 우주 정거장은 319.6km에서 346.9km 고도의 지구 저궤도를 돌고 있으며, 하루에 지구를 15바퀴 선회하고 있다. 저궤도 환경은 우주 쓰레기로 혼잡해지고 있으며, 북미 항공 우주 방위 사령부(NORAD)에서는 직경 10cm 이상인 저궤도상의 물체를 8,000개 이상 추적하고 있다.

3. 1. 통신

저궤도는 위성 배치에 필요한 에너지가 적게 들고, 높은 대역폭과 낮은 통신 지연 시간(latency)을 제공한다.^[1] 이러한 이점 때문에 저궤도는 이리듐 커뮤니케이션스(Iridium Communications)와 같은 통신 시스템에 사용된다.^[2] 통신 위성은 성공적인 전송을 위해 덜 강력한 증폭기를 사용해도 된다.^[2]

스타링크와 같은 위성 인터넷 통신망도 지구 저궤도를 활용한다. 지표면에서 볼 때 위성은 항상 이동하고 있기 때문에, 연속적인 통신을 위해서는 여러 위성으로 구성된 네트워크가 필요하다. 이를 위성 군집이라고 한다.^[4]

3. 2. 지구 관측

저궤도는 지구 표면에 가까워 원격 탐사 및 첩보 활동에 유리하다. 이러한 이유로 지구 관측 위성, 정찰 위성 등에 활용된다. LANDSAT, 미도리(ADEOS), 모모(MOS) 등은 지구 저궤도를 활용하는 대표적인 원격 탐사 위성이다.^[24] 기상 관측 위성인 TIROS-N/NOAA 역시 지구 저궤도에서 활동한다. 국제 우주 정거장(ISS), 우주왕복선, 허블 우주 망원경과 같은 유인 및 과학 탐사 장비도 지구 저궤도에 배치된다.

지구 저궤도 중 특히 고도 300km 이하의 궤도는 '''초저궤도''', '''VLEO'''('''V'''ery '''L'''ow '''E'''arth '''O'''rbit, 극저지구궤도)라고 불리며, 지구 관측 위성의 해상도를 더욱 높일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 궤도 고도가 너무 낮으면 대기의 영향을 받아 공기 저항으로 인해 점차 감속하고 고도가 낮아져, 결국 대기권에 진입하여 소멸할 수 있다.^[24]

2019년 우주항공연구개발기구(JAXA)의 초저고도 위성 기술 시험기 "쓰바메"가 고도 167.4km의 매우 낮은 고도에서 7일간 궤도를 유지하며 지구 관측 위성의 최저 궤도 고도로 기네스 세계 기록에 등재되었다.^[25] 이는 이온 엔진과 가스 제트를 사용하여 추진력을 발생시켜 속도와 고도를 유지함으로써 가능했다.

일정한 조명 조건을 제공하는 태양 동기 궤도도 지구 관측에 활용된다.

3. 3. 우주 정거장

국제 우주 정거장은 319.6km에서 346.9km 고도의 지구 저궤도를 돌고 있으며, 하루에 지구를 15바퀴 선회하고 있다. 국제 우주 정거장은 지구 표면에서 약 400km 에서 420km 떨어진 저궤도에 위치해 있으며^[14], 이 정거장의 궤도는 매달 약 2km/month씩 감소하며, 결과적으로 1년에 몇 차례 재부스터(re-boosting)가 필요하다.

2007년 6월 19일 애틀랜티스 우주왕복선에서 촬영한 국제 우주 정거장의 모습

중국의 톈궁 우주 정거장은 2021년 4월에 발사되었으며 현재 지구 표면에서 340km 에서 450km 사이의 고도에서 궤도를 돌고 있다.

4. 우주 쓰레기 문제

지구 저궤도(LEO) 환경은 물체 발사 빈도가 증가하면서 우주 쓰레기로 붐비고 있다.^[18] 궤도 속도에서의 충돌은 위험하거나 치명적일 수 있으므로 최근 몇 년 동안 우주 쓰레기 문제는 점점 더 큰 우려를 낳고 있다. 충돌은 추가적인 우주 쓰레기를 생성하여 케슬러 증후군으로 알려진 연쇄 반응을 일으킬 수 있다. NASA의 궤도 파편 프로그램과 미 전략 사령부는 지구 저궤도에서 직경 10cm보다 큰 물체 25,000개 이상을 추적하고 있으며, 1cm에서 10cm 사이의 추정 개수는 500,000개, 1mm보다 큰 입자 수는 1억 개가 넘는다.^[19] 이 입자들은 17500mi/h의 속도로 이동하므로 작은 충돌이라도 우주선을 심각하게 손상시킬 수 있다.^[20]

참조

_[1] 웹사이트 Current Catalog Files https://www.space-tr[...] 2018-07-13
_[2] 논문 Fragmentations in low Earth orbit: event detection and parent body identification 2021
_[3] 웹사이트 IADC Space Debris Mitigation Guidelines http://www.unoosa.or[...] INTER-AGENCY SPACE DEBRIS COORDINATION COMMITTEE: Issued by Steering Group and Working Group 4 2018-07-17
_[4] 학술지 Toward the LEO economy: A value assessment of commercial space stations for space and non-space users https://linkinghub.e[...] 2025-03-01
_[5] 웹사이트 Definition of LOW EARTH ORBIT https://www.merriam-[...] 2018-07-08
_[6] 웹사이트 Frequently Asked Questions https://www.faa.gov/[...] FAA 2020-02-14
_[7] 뉴스 SCaN Glossary https://www.nasa.gov[...] NASA 2018-07-12
_[8] 뉴스 What Is an Orbit? https://www.nasa.gov[...] 2018-07-08
_[9] 뉴스 A Researcher's Guide to: Space Environmental Effects https://www.nasa.gov[...] 2018-07-12
_[10] 웹사이트 LEO parameters http://www.spaceacad[...] 2015-06-12
_[11] 학술지 The Benefits of Very Low Earth Orbit for Earth Observation Missions 2020-08-01
_[12] 뉴스 SpaceX Wants to Launch 12,000 Satellites http://www.parabolic[...] 2018-01-22
_[13] 웹사이트 Space Junk is Polluting Earth's Stratosphere with Vaporized Metal https://www.scientif[...]
_[14] 웹사이트 Higher Altitude Improves Station's Fuel Economy http://www.nasa.gov/[...] NASA 2013-02-12
_[15] 웹사이트 NASA Earth Observatory http://earthobservat[...] 2015-11-28
_[16] 뉴스 Japan's low altitude satellite Tsubame registered in Guinness World Records https://www.japantim[...] 2024-06-25
_[17] 웹사이트 Space station from 2001: A Space Odyssey https://www.esa.int/[...]
_[18] 웹사이트 Space Debris Mitigation Guidelines of the Committee on the Peaceful Uses of Outer Space https://www.iadc-hom[...] 2021-10-19
_[19] 웹사이트 ARES {{!}} Orbital Debris Program Office {{!}} Frequently Asked Questions https://www.orbitald[...] 2022-09-02
_[20] 웹사이트 Space Debris and Human Spacecraft http://www.nasa.gov/[...] 2022-09-02
_[21] 웹사이트 軌道の種類 https://web.archive.[...] 2020-01-15
_[22] 웹사이트 人工衛星破壊実験は「史上最大規模の宇宙ごみ投棄」 https://www.astroart[...] アストロアーツ 2016-01-13
_[23] 웹사이트 NASA Orbital Debris FAQs http://orbitaldebris[...] 2016-01-13
_[24] 웹사이트 中国、試験衛星を打ち上げ–空気抵抗の大きい「超低軌道」で何を観測するのか https://uchubiz.com/[...] 2024-10-31
_[25] 웹사이트 超低高度衛星技術試験機「つばめ」（SLATS）がギネス世界記録(R)に認定されました https://www.jaxa.jp/[...] JAXA 2020-02-15
_[26] 웹인용 IADC 우주 쓰레기 감축 지침 http://iadc-online.o[...] Inter-Agency Space Debris Coordination Committee 2007-10-25
_[27] 웹인용 NASA 안전 기준 1740.14, 공전궤도상 우주 쓰레기량 제한에 대한 지침 및 평가 절차 http://www.orbitalde[...] Office of Safety and Mission Assurance 2007-10-25
_[28] 웹인용 USSTRATCOM Space Control Fact Sheet http://www.stratcom.[...] 2007-10-25

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