지구 주회 궤도
1. 개요
지구 주회 궤도는 지구를 공전하는 물체의 궤도를 의미하며, 궤도 유형은 고도, 경사각, 이심률, 방향, 지구 동기 여부 등 다양한 기준에 따라 분류된다. 궤도는 대기권 통과 궤도, 지구 저궤도, 중궤도, 고궤도 등으로 고도에 따라 나뉘며, 궤도 경사각에 따라 극궤도, 태양 동기 궤도 등으로 구분된다. 이심률에 따라 원 궤도, 타원 궤도, 포물선 궤도, 쌍곡선 궤도로 분류되며, 순행 궤도와 역행 궤도는 궤도의 방향에 따라 구분된다. 또한, 지구 동기 궤도, 준동기 궤도, 정지 궤도 등 지구 동기 여부에 따른 분류도 존재한다. 이 외에도 태양 동기 궤도, 달 궤도 등이 있으며, 비지구 궤도로는 말굽 궤도와 준궤도 비행이 있다.
2. 용어
* 고도: 여기서는 지구 평균 해수면으로부터의 물체의 높이를 의미한다.
* 아날렘마: 천문학에서 1년 동안 천구에서 태양의 위치를 나타내는 데 사용되는 용어이다. 숫자 8과 매우 유사하다.
* 원지점: 위성 또는 천체가 지구로부터 가장 멀리 떨어져 있는 지점이며, 이 지점에서 궤도 속도는 최소가 된다.
* 궤도 이심률: 궤도가 완벽한 원에서 얼마나 벗어나는지를 나타내는 척도이다. 이심률은 모든 원궤도 및 타원 궤도와 포물선 궤도 및 쌍곡선 궤도에 대해 엄격하게 정의된다.
* 적도면: 여기서는 지구의 적도에서 천구까지 뻗어 있는 가상의 평면을 의미한다.
* 탈출 속도: 여기서는 추진 없이 물체가 지구로부터 무한정 멀어지기 위해 가져야 하는 최소 속도를 의미한다. 이 속도에서 물체는 포물선 궤도에 진입한다. 이 속도 이상에서는 쌍곡선 궤도에 진입한다.
* 임펄스: 작용하는 시간 동안 힘의 적분이다. (N·sec)로 측정된다.
* 궤도 경사각: 기준 평면과 다른 평면 또는 축 사이의 각도이다. 여기에서 논의되는 의미에서 기준 평면은 지구의 적도면이다.
* 궤도 요소: 해당 궤도를 고유하게 지정하는 데 필요한 케플러 궤도 요소의 여섯 가지 매개변수이다.
* 궤도 주기: 여기에서 정의된 대로, 위성이 지구 주위를 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간이다.
* 근지점: 위성 또는 천체가 지구에 가장 가깝게 접근하는 지점이며, 이 지점에서 궤도 속도는 최대가 된다.
* 항성일: 천체가 360° 회전하는 데 걸리는 시간이다. 지구의 경우 23시간 56분 4.091초이다.
* 태양시: 여기서는 해시계로 측정한 지역 시간을 의미한다.
* 속도: 특정 방향으로의 물체의 속력이다. 속도는 벡터로 정의되므로 속도와 방향 모두를 정의해야 한다.
3. 지구 중심 궤도의 유형
지구 중심 궤도는 다양한 기준으로 분류할 수 있다.
* 고도에 따른 분류
지구 저궤도(LEO): 평균 해발 160km에서 2000km 사이의 궤도이다.
지구 중궤도(MEO): 고도 2000km에서 정지 궤도의 35786km 사이의 궤도이다.
지구 동기 궤도(GEO): 고도 35786km의 원형 궤도이다.
지구 고궤도(HEO): 지구 동기 궤도보다 높은 궤도이다.
* 궤도 경사각에 따른 분류
경사 궤도: 적도면에 대한 궤도 경사각이 0이 아닌 궤도이다.
극궤도: 행성의 극 위나 근처를 지나는 궤도로, 궤도 경사각이 90도에 가깝다.
태양 동기 궤도: 거의 극궤도이며, 매 통과 시마다 같은 지방 시에 적도를 지난다.
* 궤도 이심률에 따른 분류
원 궤도: 이심률이 0인 궤도이다.
타원 궤도: 이심률이 0과 1 사이인 궤도이다.
* 호만 전이 궤도: 한 원형 궤도에서 다른 원형 궤도로 이동시키는 궤도이다.
* 정지 전이 궤도: 근지점이 지구 저궤도에 있고 원지점이 지구 동기 궤도에 있는 타원 궤도이다.
* 장타원 궤도: 원지점이 매우 높고 근지점이 낮은 궤도이다.
몰니야 궤도: 경사각이 63.4°이고 궤도 주기가 항성일의 절반인 궤도이다.
툰드라 궤도: 경사각이 63.4°이고 궤도 주기가 1 항성일인 궤도이다.
포물선 궤도: 이심률이 1인 궤도이다.
쌍곡선 궤도: 이심률이 1보다 큰 궤도이다.
* 방향에 따른 분류
순행 궤도: 지구의 자전과 같은 방향으로 회전하는 궤도이다.
역행 궤도: 지구의 자전과 반대 방향으로 회전하는 궤도이다.
* 지구 동기 분류
준동기 궤도: 고도가 약 20200km이고 궤도 주기가 약 12시간인 궤도이다.
지구 동기 궤도(GEO): 고도가 약 35786km인 궤도이다.
* 정지 궤도(GSO): 경사가 0인 정지 궤도이다.
라그랑주 점: 지구를 공전하는 물체의 라그랑주 점은 서경 105도와 동경 75도에 위치해 있다.
초동기 궤도: GSO/GEO 위의 폐기 궤도이다.
아동기 궤도: GSO/GEO 아래의 폐기 궤도이다.
묘지 궤도: 위성이 작동이 끝날 때 이동하는 궤도이다.
* 기타 기준 분류
태양 동기 궤도: 고도와 궤도 경사각을 결합하여 위성이 특정 지점을 동일한 태양시에 통과하도록 하는 궤도이다.
달 궤도: 지구 달의 궤도이다.
* 비지구 궤도
말굽 궤도: 지상 관찰자에게는 행성을 공전하는 것처럼 보이지만 실제로는 행성과 공동 궤도에 있는 궤도이다.
준궤도 비행: 우주선이 궤도 높이에 근접하지만 이를 유지할 속도가 부족한 발사이다.
3.1. 고도에 따른 분류
* 대기권 통과 궤도(Transatmospheric orbit, TAO): 원지점 고도가 100km 이상이고 정의된 대기와 교차하는 근지점이 있는 지구 궤도.
* 지구 저궤도(Low Earth orbit, LEO): 평균 해발 160km에서 2000km 사이 고도 범위의 지구 궤도. 160km에서 1회전은 약 90분이 소요되며 원형 궤도 속도는 8km/s이다.
* 지구 중궤도(Medium Earth orbit, MEO): 원지점 고도가 2000km에서 정지 궤도의 35786km 사이인 지구 궤도.
* 지구 동기 궤도(Geosynchronous orbit, GEO): 고도 35786km의 지구 중심 원형 궤도. 궤도 주기는 지구 자전 주기와 일치하는 항성일 하루와 같다. 속도는 약 3km/s이다.
* 지구 고궤도(High Earth orbit, HEO): 지구 동기 궤도보다 원지점 고도가 더 높은 지구 궤도. 고궤도의 특별한 경우는 근지점 고도가 2000km 미만인 장타원 궤도이다.
3.2. 궤도 경사각에 따른 분류
* 경사 궤도: 적도면에 대한 궤도 경사각이 0이 아닌 궤도이다.
* [[극궤도]]: 행성의 극 위 또는 거의 위를 통과하는 위성 궤도로, 궤도 경사각은 90도 또는 그에 매우 가깝다.
* [[태양 동기 궤도]]: 매 통과 시마다 같은 지방 시에 적도를 통과하는 거의 극궤도이다. 그림자 모양이 매 통과 시마다 동일하므로, 그림 촬영 위성에 유용하다.
3.3. 궤도 이심률에 따른 분류
* 원 궤도: 이심률이 0으로, 궤도가 원을 그리는 궤도이다.
* 타원 궤도: 이심률이 0보다 크고 1보다 작은 궤도로, 궤도가 타원을 그리는 궤도이다.
호만 전이 궤도: 우주선을 한 원형 궤도에서 다른 원형 궤도로 이동시키는 궤도이다. 발터 호만의 이름을 따서 명명되었다.
정지 전이 궤도: 근지점이 지구 저궤도(LEO)의 고도에 있고 원지점이 지구 동기 궤도의 고도에 있는 지구 중심 타원 궤도이다.
장타원 궤도: 원지점이 35,786km 이상이고 근지점이 약 1,000km인 궤도이다. 원지점 근처에서 긴 체류 시간을 갖는다.
* 몰니야 궤도: 경사각이 63.4°이고 궤도 주기가 항성일의 1/2(약 12시간)인 장타원 궤도이다. 이러한 위성은 지구의 지정된 지역에서 대부분의 시간을 보낸다.
*** 툰드라 궤도: 경사각이 63.4°이고 궤도 주기가 1 항성일(약 24시간)인 장타원 궤도이다. 이러한 위성은 지구의 지정된 지역에서 대부분의 시간을 보낸다.
* 포물선 궤도: 이심률이 정확히 1인 궤도이다. 물체의 속도는 탈출 속도와 같으므로 지구의 중력을 벗어나 계속 이동한다.
* 쌍곡선 궤도: 이심률이 1보다 큰 궤도이다. 물체의 속도는 탈출 속도를 초과하므로 지구의 중력을 벗어나 감속되면서 무한히 계속 이동한다.
3.4. 방향에 따른 분류
* 순행 궤도: 지구의 자전과 같은 방향으로 지구가 중심을 회전하는 궤도이다. 지구 적도면에 대한 물체의 투영이 지구 자전과 같은 방향으로 지구를 공전한다.
* 역행 궤도: 지구의 자전과 반대 방향으로 지구가 중심을 회전하는 궤도이다. 지구 적도면에 대한 물체의 투영이 지구 자전과 반대 방향으로 지구를 공전한다.
3.5. 지구 동기 분류
* 준동기 궤도: 고도가 약 20200km이고 궤도 주기가 약 12시간인 궤도이다.
* 지구 동기 궤도(GEO): 고도가 약 35786km인 궤도이다. 그러한 위성은 하늘에서 아날렘마를 따른다.
정지 궤도(GSO): 경사가 0인 정지 궤도이다. 지상에 있는 관찰자에게는 이 위성이 하늘에 고정된 점으로 보일 것이다. 아서 C. 클라크의 이름을 따서 클라크 궤도라고도 한다.
* 라그랑주 점: 지구를 공전하는 물체의 라그랑주 점은 서경 105도와 동경 75도에 위치해 있다. 160개 이상의 위성이 이 두 지점에 모여 있다.
* 초동기 궤도: GSO/GEO 위의 폐기/저장 궤도이다. 위성은 서쪽으로 표류한다.
* 아동기 궤도: GSO/GEO 아래의 폐기/저장 궤도이다. 위성은 동쪽으로 표류한다.
* 묘지 궤도: 위성이 작동이 끝날 때 이동하는 궤도. 정지 궤도에서 수백 킬로미터 위에 있는 궤도이다.