LEO
1. 단어 leo, 사자
2. 두문자어, LEO(Low Earth Orbit)
지구 저궤도.
안정적인 궤도를 유지하기 위해서는 그 궤도에 맞는 중력에 대한 직각 성분 속도가 필요하다. 다시 말해 고도에 맞는 속도가 필요하다는 이야기이다. 고도가 높을수록 궤도속도는 낮아지고, 고도가 낮을수록 궤도속도는 높아진다. 이 특성을 이용한 궤도 중 유명한 것이 묠니야 궤도인데, 구 소련에서 주로 사용했던 궤도로, 궤도를 심한 타원형으로 찌그러트려 높은 부분을 소련 상공에 두고 낮은 부분을 지구 반대편에 두면, 위성이 필요한 소련 상공에서는 낮은 궤도속도로 천천히 오래 머물고 위성이 필요없는 지구 반대편에서는 빠른 속도로 금방 지나가기 때문에 효율적으로 위성을 활용할 수 있다.
여튼 지구 저궤도는 이러한 궤도들 중 평균 해수면으로부터 고도 160km - 2,000km사이의 궤도를 일컫는다. 로켓을 높이 쏘아올리는 것은 어려운 일일뿐더러 위성의 고도가 높으면 지상을 관측하는 장비를 그만큼 강력하게 설계해야 하기 때문에, 대부분의 경우에는 위성을 최대한 낮은 궤도에 쏘아올리는 것이 이득이다. 그러나 고도가 160km보다 낮으면 대기와의 마찰이 심해서 금새 대기권으로 추락하게 된다. 따라서 160km 보다 조금 높은 궤도에 절대다수의 인공위성들이 모여있게 되는데, 이 부분을 일컫는 말이 바로 지구 저궤도, Low Earth Orbit이다.
물론 고도 160km 이상이라고 해도 위성이 영원히 궤도를 유지할 수 있는 것은 아니다. 고도 1,000km 또는 그 이상까지도 매우 희박하지만 공기 분자가 분포하기 때문에, 웬만한 궤도에서 공전하는 인공위성들은 매우 느리지만 지속적으로 속도를 잃게 된다. 이를 Orbital Decay라고 한다. 그러나, 오베르트 효과에 의해서 속도가 감속됨에 따라 궤도가 점점 추락하게 되면 속도가 늘어나게 되어, 결과적으로 공기저항으로 인해 감속을 받았는데도 불구하고 속력이 느는 현상이 발생한다. 이를 공기저항 패러독스(Aerodynamic Paradox)라고 한다. 미국의 첫 인공위성인 익스플로러 1호 역시 LEO를 넘어선 MEO에 공전궤도를 형성했으나 수십년이 지나자 지구에 추락했다. 이러한 Orbital Decay와 함께 태양풍, n-body 중력 문제, 지구의 비대칭적 중력지형 문제 등으로 인해 모든 인공위성의 궤도는 천천히 틀어지게 마련이고, 이러한 오차를 수정하는 것을 Station Keeping이라고 한다. 인공위성이 영원히 현역으로 머무르지 못하는 이유는 이런 Station keeping 용도의 연료가 다 떨어지기 때문.
그러나 지구저궤도는 관측 위성이나 통신 위성에 유리한 장점을 가지고 있다. 지구저궤도는 지구 궤도 중 낮은 궤도이므로, 보통 위성궤도가 1000km 이상에 자리하는 것을 생각해본다면 지구 표면에 훨씬 가깝다고 볼 수 있다. 만약 지구저궤도에 통신 위성을 쏘아 올리게 된다면, 통신 지연 시간은 방송국보다 별로 차이가 나지 않을 것으로 기대된다. 또 관측의 해상도도 높아지므로, 군사적 가치로서 높다. 최근 들어서 이온 엔진을 이용해 지구저궤도에 지속적으로 머물게 하는 위성의 연구도 활발하게 진행 중인데, 이온 엔진의 추력이 공기저항 패러독스로 인해 발생하는 저항과 비슷하고, 이온 엔진은 장시간 가동이 가능하므로 이온 엔진을 지속적으로 추진한다면 안정적인 궤도 유지에 큰 도움이 될 것으로 추정된다.[1]
지구저궤도로 가는 궤도는 기본적으로 'Gravity Turn(중력 회전)'이라고 하는 기동을 시행하면서 지구저궤도에 도달한다. 먼저 이해를 돕기 위해 이 글을 읽는 위키러 여러분들이 돌을 던진다고 해보자. 만약 돌을 수직으로 던진다면 던진 자리 그대로 떨어질 것이다. 그러나 약간이라도 돌을 수직에서 기울여 던진다면 던진 자리보다 더 멀리 떨어지게 될 것이다. 바로 이 원리이다. 중력 회전은 발사체(로켓)의 피치각도를 지속적으로 변화시켜 수직속도와 수평속도를 잘 조절하여 궤도에 들어야 한다. 이를 동력비행과정(Powered Flight)이라고 한다. 중력 회전을 이용하면 발사체의 델타 V(속도증분)가 최소가 된다.
동력비행과정의 계산에는 현재까지 많은 풀이 방법이 알려졌다. 이번 문단에서는 "로켓과학 3: 탄도탄의 모든 것"에 소개된 일부를 알아보도록 하자. 로켓과학 3에서는 MET(Maximum Range Trajectory), 크로스 프로덕트 조종법(Cross-Product), 람베르트 조준 등이 소개되었다. 이 중 '최대사거리궤도(MET)'를 살펴보도록 하자. 최대사거리궤도란 발사체가 가장 적은 양의 연료로 가장 멀리 사격할 수 있는 '궤도'를 말하며, 바꾸어 말하면 주어진 궤도(기준궤도)를 가장 적은 양의 델타 V로 도달할 수 있다는 말과 같다. 이 기준궤도는 초기에 미션궤도에 맞추어 임의로 설계되며, 이를 만족하는 연소종료조건은 무수히 많다. 이러한 연소종료조건 중 '''최대사거리궤도에 만족하는 연소종료 파라미터'''가 '''델타 V를 가장 최소로 하는 연소종료조건'''이다.
2.1. 참고문헌
- Spacecraft Mission Design, AlAA, 2nd Edition
- 로켓과학 3: 탄도탄의 모든 것, 정규수
[1] 심지어 이온 엔진의 높은 비추력(Specific Impulse) 덕분에 필요한 연료도 많이 들지 않는다!