목차
● 임무체계
● 통신. 추적사령체계
● 궤도. 자세제어체계
● 전원체계
● 구조체계
인공위성이란 인공적으로 행성의 주위를 회전하도록 만들어진 물체들을 뜻합니다. 비행하는 궤도의 고도에 따라 크게 정지위성과 이동위성으로 나뉩니다. 사용목적에 따라 통신위성, 과학위성, 지구관측위성, 방송위성, 기상위성, 항해위성, 기술개발위성, 군사위성 등으로 구분됩니다. 궤도를 비행하는 스페이스 캡슐, 우주 왕복선, 우주 정거장도 인공위성에 해당하고, 지구로 떨어지지 않고 궤도를 돌고 있는 이미 성능이 다 소진된 로켓 추진장치나 빈 연료탱크 등도 인공위성이라고 할 수 있습니다.
임무체계
위성이 궤도상에서 실시하는 계획상의 임무를 수행하는 장치나 기기의 집합을 말합니다. 통신위성인 경우에는 중계하는 지상으로부터의 통신전파를 수신하는 안테나로부터 수신기를 거쳐 증폭하여 목적지로 송출하는 송신기나 송신 안테나까지를 포함한 것이 미션계가 됩니다.
통신. 추적사령체계
이 체계에서의 중요한 것은 통신(Telematry, 원격측정)입니다. 이것은 위성 내의 여러 가지 상태나 장치의 관리에 필요한 데이터를 계측하여 지상 기지로 통보하는 시스템이며, 지상 기지는 그 데이터에 의해 위성의 운영. 관리에 필요한 처치를 판단하고 위성에 대하여 전파로 지시를 보냅니다. 그리고 위성 쪽에서는 이 지시를 받아 장치를 제어하도록 되어 있습니다. 이밖에도 인공위성의 시시각각의 위치를 지상에 알리기 위해 지상의 레이다가 추적하는 단서가 되는 신호를 보내는 기능도 이 체계에 포함됩니다.
궤도. 자세제어체계
위성궤도는 지구의 중력이나 고층대기 등의 영향에 의해 장기간동안 상당히 많이 변동하므로, 때때로 수정할 필요가 있는 동시에 위성의 자세변화도 일어나므로 정확하게 해야 합니다. 이런 수정을 실시하는 것이 궤도. 자세제어체계입니다. 지구 표면을 관측하는 텔레비전 카메라나 관측기기가 바른 각도를 향하도록 하거나, 날카로운 지향성을 가진 전파를 송수신하는 안테나의 방향 등을 제어할 때도 위성의 자세제어는 중요합니다.
또 태양전지에 의한 기전력은 전지면의 태양방향 지향정도가 나쁘면 대폭적으로 저하하므로 이 제어도 실시되는 일이 많습니다. 앞서 말한 정지형 궤도로 하기 위한 일련의 궤도수정 조작을 실시하는 것도 이 체계의 임무이며, 통신, 기상, 자원탐사 등 사용목적을 가진 위성에서는 이 체계가 상당히 대규모적인 것이 되고 중량적으로도 커집니다.
궤도. 자세를 변화시키는 동력으로서는 대형 애포지모터나 소형 제트분사장치 등 외에 모터로 휠을 돌려서 얻어지는 토크나 자이로(gyro) 효과 또는 요요(yoyo)와 같은 추를 선단에 단 와이어를 방출하는 등 여러 가지 종류가 있으며, 필요수정량에 대응하여 사용합니다. 가장 기본적인 자세안정법으로는 위성 전체를 팽이처럼 회전시키는 스핀 안정이 있습니다. 본체 표면에 태양전지를 가득 붙인 형의 위성에서는 위성을 일정한 속도로 회전시키지 않으면 태양전지의 각 면이 고르게 빛을 받지 못하기 때문에 적정한 회전율로 위성에 스핀을 주는 일이 필요합니다.
전원체계
인공위성에 탑재되는 여러 가지 장치를 작동시키는 힘은 대부분 전력에 의존하는데, 전원계는 이런 전력을 확보하고 공급하는 역할을 합니다. 이것이 고장 나 전력 공급이 중단되게 되면 위성의 기능은 모두 정지하게 되므로, 높은 신뢰성과 안정된 성능이 요구됩니다.
특수한 예를 제외하면 전원계는 발전 또는 기전계와 이것을 받아 충전하는 2차 전지, 전지로부터 기기로 급전할 때 안정이나 정격화를 실행하는 제어계, 그리고 바르게 각각의 기기에 전력을 분배, 접속하는 계로 이루어집니다.
현재 인공위성의 발전, 기전계를 대표하는 것은 태양광선을 받아서 광기전효과에 의하여 전기에너지로 변환하는 태양전지를 이용하는 것입니다. 태양전지의 기전력은 수광면적에 비례하며 수광면에 직각으로 태양광을 받는 경우는 지구 주변의 궤도에서 1m2당 100W 전후입니다. 궤도에 있어서 위성은 태양으로부터 광선뿐만 아니라 고에너지 방사선도 받으므로 그대로는 태양전지의 수광면에 손상이 생깁니다. 방호를 위하여 전지 표면에 석영 유리를 피복해야 하는데 그것 때문에 태양전지의 무게는 1m2당 3kg 전후입니다.
아폴로 우주선에서 활약하고 있는 스페이스 셔틀등 유인우주선의 전원으로 이용되는 것이 연료전지입니다. 이것은 수소와 산소의 화학반응에 의해 발전한 것으로 효율이 높은 것과 발전량의 제어가 쉽다는 장점이 많은 반면, 반응제를 탱크에 수납해 궤도에 운반하기 때문에 이용기간이 반응제의 양으로 제한됩니다. 그 밖에 방사성 동위원소가 붕괴할 때 방출되는 방사선을 용기의 안벽에 받으면 가열되므로 이 열을 제벽효과에 의하여 전력으로 변환하는 방법을 행성탐사기 등에서 사용하고 있습니다. 사용하는 방사성 동위원소는 주로 플루토륨 238입니다. 기전용 열전쌍 1조에 대하여 기전력은 1.4W로 낮기 때문에 1천 수백조가 집합하여 1조로 한 것을 사용하고 있습니다. 이 방법으로는 발열이 있기 때문에 방열장치가 필요하고 위성기기로부터 멀리 떨어지게 탑재하여 방사선이나 열로부터 방호해야 합니다.
대전력이 요구되는 경우에는 특수한 예지만, 소형의 발전용 원자로가 위성에 탑재되는 일이 있습니다. 부피 및 무게를 감안하여 고속중성자로를 사용하는 것이 일반적입니다. 노에서 발생하는 열의 흡수, 노신의 냉각을 알칼리금속으로 실시하고 이것에 의해 수은을 작업유체로 하는 보일러를 가열해 증기가 된 수은으로 터빈을 돌려서 교류발전기를 구동하는 것이 전형적입니다.
그 밖에 태양열을 모아 보일러를 가동하는 태양로를 이용하는 발전도 제안되고 있습니다. 그러나 현재는 태양전지를 주류로 하고 있습니다. 주기 100분인 인공위성에서는 일조시간이 약 60분이므로 이 사이에 2차 전지에 태양전지의 기전력에 의하여 충전하고 그늘에 들어가는 약 40분간은 2차 전지의 방전기간이 되도록 충방전 사이클을 설정합니다. 위성탑재 규격의 2차 전지는 니켈-카드뮴 전지이고 앞의 충방전사이클이 7,000~1만 회 이상 가능한 것이어야 한다고 되어있습니다. 또 과충전을 방지할 필요가 있어서 제어장치가 설치됩니다.
구조체계
인공위성은 발사로켓의 머리부에 설치되는 노즈콘(Nosecone, 단두원뿔)이라고 하는 원통 부분에 수용해야 해서, 그 외형은 대부분 다면구체 또는 원통형으로 되어 있습니다. 태양전지를 본체에 장착하지 않고 평편패널에 배치하는 것은 패널을 접어서 탄도원뿔 안에 수납하여 탄도원뿔을 이탈시키고 나서 전개시킵니다.
인공위성은 가벼워야 한다는 것이 절대조건이므로 기기를 받쳐주는 구조체는 가벼운 재료로 만들어집니다. 그러나 발사 시의 가속도나 충격, 진동에 견뎌내야 하고 자세, 궤도의 제어에 적합한 구조여야 하는 것도 매우 중요합니다.
인공위성 중에는 궤도를 일정기간 비행시키고 나서 지상으로 강하시켜 회수할 필요가 있는 것이 있습니다. 유인위성이나 군사정찰위성등입니다. 이 경우 궤도로부터 감속, 이탈시키기 위한 장치나 대기권 진입 중에 생기는 공기력 가열에 견디는 구조가 필요하게 됩니다. 또 지상에 강하할 때의 충격에 의한 파괴를 방지하기 위해 낙하산이나 역분사 로켓이 조립되어 들어갑니다. 회수는 위성 본체 전부를 대상으로 하는 것이 아니라 보통은 그 일부를 미리 캡슐로 만들어 두고 그것을 강하, 회수합니다. 군사정찰위성 중에는 캡슐 몇 개를 탑재해 발사하고 정기적으로 1개씩 회수하는 것도 있습니다. 해상에서 회수하는 것을 전제로 한 것은 회수선이 도착할 때까지 떠 있을 수 있는 에어백의 준비나 전파로 위치를 나타내는 발신장치가 필요하게 됩니다.