ᅢᅣ 태양 관측 위성 소호 구출 작전
▣ [주제가 있는 인공위성 이야기 – (11)
(그림1) 태양 관측 위성 소호 (http://www.nascom.nasa.gov/gif/artist-FM.gif))
소호라는 말이 한국에서 한때 유행했던 적이 있었습니다. Small Office Home Office의 약자로, 극히 소규모 개인 기업을 말하는데, 오늘 소개할 소호 위성은 그와는 전혀 관련이 없는 순수 과학 관측용 인공위성의 이름입니다.
태양 관측 위성 SOHO는 ‘태양 및 광구 관측소(Solar and Heliosphere)’라는 뜻의 미국과 유럽연합의 합작 위성으로 1995년 12월에 발사되었습니다.
본체의 높이, 폭, 폭이 각각 4.3m, 2.7m, 3.7m로 태양전지판을 모두 펼쳤을 때의 길이가 9.5m, 발사 시 무게가 약 1850kg인 중대형급 위성입니다.
위성 설계부터 제작, 발사, 운영에 들어간 총 사업비는 약 10억달러로 우리 돈으로 약 1조 2천억이 들어간 대형 프로젝트입니다. 유럽연합이 위성 설계와 제작을 담당하고 미국이 발사와 위성 운용을 담당하는 협조 체제로 운영되고 있습니다.
소호는 그 이름이 의미하듯 태양 내부의 움직임과 표면에서 일어나는 다양한 현상을 24시간 동안 끊임없이 관측하는 임무를 수행하고 있습니다. 물론 태양 내부를 투시해 본다는 의미가 아니라 표면의 흑점 발생과 소멸, 홍염이나 그래뉴르(쌀알 무늬)의 움직임을 세밀하게 관찰해 태양 내부의 역학 상태를 유추하는 것입니다.
이러한 임무를 위해 소호 위성에는 서구의 1500여명의 연구진이 참여해 만든 12가지나 되는 많은 종류의 태양 관측용 장비가 실려 있습니다. 그 중 몇 가지를 보면 CDS(코로나 분석 분광계), LASCO(광각 분광계), UVCS(자외선 코로나 분광계), GOLF(저주파 전구 진동 측정 장치), MDI(미켈슨 도플러 영상기), SDI(태양 진동 조사기) 등의 이름이 붙어 있는 것을 알 수 있습니다.
모두 알아들을 수 없는 이름이긴 하지만 결국은 모두가 태양 표면의 활동과 코로나(태양을 둘러싼 고온의 가스층)의 움직임을 관찰하기 위한 장비입니다.
(그림2) 소호위성의 환경시험 장면(출처-http://www.nascom.nasa.gov)
이처럼 각종 관측 장비로 무장한 소호 위성이 떠 있는 궤도는 어디일까요. 태양 관측 위성이기 때문에 당연히 태양이 잘 보이는 곳에 있어야 하겠지요?
여러분이 아시다시피 거의 모든 인공위성은 지구의 중력에 의해 지구 주위를 맴돌고 있습니다. 그런데 지구 주위를 돌고 있으면 어떤 위성으로도 항상 태양을 바라보는 궤도를 유지할 수 없습니다.
궤도를 돌다 보면 태양광이 지구에 의해 가려지는 지구의 그림자 속으로 들어갈 수밖에 없는 때가 반드시 오게 됩니다. 태양광에 수직이 되도록 궤도를 돈다고 해도 계절이 바뀌고 태양의 위치가 바뀌면 반드시 지구의 그림자 속으로 들어갈 때가 오게 되어 있습니다.
이를 두고 위성이 식(Eclipse)에 들어갔다고 합니다. 원래는 태양식(Solar Eclipse)이라고 해야 하는데 인공위성 개발자들은 이를 줄여서 식이라고 많이 말합니다.
위성이 식에 들어가면 당연히 태양을 바라볼 수 없게 되고, 그 동안은 태양 관측을 할 수 없게 되고 전력 생산도 할 수 없게 됩니다. 하루 24시간 언제든지 위성을 바라봐야 한다는 목적을 달성할 수 없게 됩니다.
그래서 소호 위성 개발자들은 지구 주위를 떠나 매우 특이한 궤도에 소호를 보내게 되었습니다. 하루 24시간 항상 태양을 바라볼 수 있는 곳인데 그곳은 지구와 태양의 중력이 정확하게 균형을 이루는 중력의 균형점입니다.
자, 지구와 태양을 잇는 가상의 직선이 있다고 상상해 봅시다. 이 직선상의 어딘가에 위성을 내버려 두면 위성은 어떻게 될까요?
그 지점에서 태양의 중력이 더 강하면 태양 쪽으로 위성이 당겨질 것이고 지구의 중력이 더 강하면 지구 쪽으로 당겨질 것입니다. 지구와 태양의 중력이 같다면? 네, 위성은 그 자리에 가만히 있어요.
이렇게 양쪽 천체의 중력이 균형을 이루는 지점을 물리학에서는 ‘라글란지 점(Lagrange Point)’이라고 부릅니다.
사실 라그랑주 점이 꼭 한 가지만 있는 것은 아닙니다. 고수준의 물리학에서 나오는 이야기인데, 라그랑 지점은 양쪽 천체 사이 외에 서로의 반대편, 즉 양쪽 천체 바깥과 두 천체를 연결하는 선을 한 변으로 하는 정삼각형의 정점에도 존재합니다. 그래서 이 지점을 순서대로 L1, L2, L3, L4, L5포인트 등으로 부릅니다.
여러 개의 라그랑 지점에 인공위성을 위치시키는 방안을 많은 학자들이 연구하고 있습니다. 물리학적으로는 흥미롭지만 그 위치에 인공위성을 둬야 할 실용적인 이유가 아직 없어 위성궤도로서는 크게 각광받지는 못하고 있습니다.
유일하게 가장 먼저 인공위성 궤도로 사용된 곳이 소호위성이 위치한 태양과 지구 사이의 L1 지점입니다. 지금은 소호 외에도 에이스(ACE; Advanced Composition Explorer)라는 이름의 또 다른 위성도 이곳에 배치돼 있습니다.
소호 위성이 태양과 지구를 잇는 직선 위에서 꼼짝도 않고 가만히 있는 것이 아니라 태양을 바라보는 수직면 위에서 작은 원을 그리며 빙글빙글 돌고 있습니다. 이것이 마치 가톨릭 성인들의 그림에 있는 머리 뒤의 빛(Halo)을 연상시킨다고 해서 헤일로 궤도라고도 불립니다.
(그림3) 청선이 소호의 헤일로 궤도, 빨강은 또 하나의 태양 관측 위성인 ACE의 궤도(출처-http://www.ieec.fcr.es/libpoint/viewgraphs.html))
소호 위성이 위치하고 있는 것은 지구에서 태양을 향해 140만 킬로미터입니다. 지구와 달 거리의 4배 정도 되는 곳입니다. 소호 위성은 L1 라그랑 지점에서 관측 장비와 태양전지판은 태양 쪽을 향하고 통신 안테나는 지구 쪽을 향한 자세를 취하며 작은 원궤도를 그리며 하루 24시간 태양의 활동을 감시하고 있습니다. 당초 계획되었던 활동기간은 2년이었지만 원래 예정된 수명을 훨씬 넘어 2004년 현재까지 훌륭하게 임무를 수행하고 있습니다.
(그림4) 소호위성이 촬영한 최근 태양 표면과 흑점 사진 http://www.nascom.nasa.gov
위성을 통제하는 지상 관제센터에서 위성을 잃는 사고가 몇 년에 한 번꼴로 일어나는데 1998년 가을에 소호 위성 관제센터에서 약 3개월간 위성과의 통신이 두절되는 사고가 발생한 적이 있었습니다.
1998년 4월 소호가 당초 예정됐던 2년간의 임무를 훌륭하게 마치자 미국의 NASA와 유럽우주기구(ESA) 관계자들은 소호의 임무기간을 대폭 연장하기로 하고 위성에 설치된 탑재 소프트웨어를 새 것으로 교체하는 작업을 실시합니다.
그런데 이때 교체 작업 담당자의 실수로 위성의 자이로스코프 회전 속도를 제한하는 알고리즘이 삭제된 것입니다. 어떤 이유에서든 자이로스코프의 회전속도가 너무 높으면 장비를 보호하기 위해 강제로 회전속도를 낮춰야 하는데 그 부분의 감시기능이 없어져 버린 것입니다.
물론 교환작업 당시에는 이 사실을 몰랐고 나중에 사고조사 작업 때야 알게 됐습니다. 어쨌든 그렇게 잘못된 소프트웨어가 장착된 소호는 두 달 동안은 이상 없이 작동했지만 그해 6월 24일에 사고가 발생하고 말았습니다. 위성에 장착된 3개의 자이로스코프 중 2개를 동시에 고장난 것입니다.
문제는 위성 탑재 프로그램이 안전 모드에서 태양을 다시 찾는 과정에서 발생했습니다. 순간적으로 강한 태양풍이 위성의 자세를 무너뜨려 태양이 시야에서 사라지자 소호위성의 제어 컴퓨터는 위성의 상태를 자동으로 안전 모드로 전환하고 태양을 찾기 위한 본체 회전 알고리즘을 작동시켰습니다.
우리가 자주 사용하는 윈도우 운영체제에도 안전모드가 있듯이 위성에도 안전모드가 있는데, 이 모드로 전환되면 우선 모든 관측 임무를 중단하고 태양이나 지구와 같은 기준점을 찾아 자세를 가다듬고 지구에 있는 관제센터의 지시를 기다리도록 프로그램돼 있습니다.
기준점인 태양이나 지구가 시야에서 한 번 사라지면 그것이 어느 방향에 있는지 인공위성은 전혀 알 수 없기 때문에 자신의 본체를 빙글빙글 회전시켜 상하좌우 전후 전 방향을 탐색해야 합니다.
소호위성의 경우도 이런 안전모드에서의 태양탐색 알고리즘이 작동했고, 그 과정에서 과속제한장치가 해제된 자이로스코프의 회전속도가 한계점을 넘어서면서 3개의 자이로스코프 중 2개가 고장이 난 것입니다.
자세기준계 역할을 하는 자이로스코프가 고장난 소호 위성은 스스로의 힘으로는 스핀을 멈출 수 없는 상태가 됐고, 이 때문에 지구로 향하고 있어야 할 안테나의 방향이 마음대로 움직이는 바람에 지구와의 통신이 두절되고 만 것입니다.
사고가 발생하자 NASA와 유럽우주기구는 비상대책반을 조직해 소호와의 통신 재개를 위해 모든 노력을 기울였습니다. 평소 화성이나 목성 탐사선 관제에 사용하는 행성 탐사용 통신망 DSN(Deep Space Network)을 총동원하여 DSN에 속하는 모든 안테나는 하루 24시간 중 절반은 소호 탐색에 쓰이도록 동원되었습니다.
소호위성이 그동안 태양을 지향하지 못했기 때문에 전력이 거의 바닥난 상태였기 때문에 이때는 위성에서 나오는 신호만으로는 찾을 수 없는 상황이었습니다. 그래서 나사에서는 푸에르토리코에 있는 직경 305미터의 알레시보(Arecibo) 전파망원경으로 전파를 쏘아 소호의 안테나 혹은 전지판, 본체 등에 반사되어 돌아오는 신호를 찾는 방법을 사용했습니다.
(그림5) 푸에르토리코 알레시보에 있는 305미터 전파망원경 (출처- http://homepage.mac.com/)
소호 위성과 연락이 두절된 지 한 달 만인 7월 23일 마침내 DSN 안테나 중 하나인 캘리포니아 골드스톤에 있는 안테나가 소호로부터 반사되어 오는 규칙적인 신호를 포착했습니다.
반사된 전파가 53초마다 규칙적으로 돌아온다는 사실을 보고하고,