주제가 있는 인공위성 이야기 (2)

ᅵ사 監視衛星 미사일 감시하는 하늘의 눈-DSP 위성

▣ 주제가 있는 인공위성 이야기 (2)

1998년 8월에 있었던 북한의 인공위성 발사 시도, 걸프전에서의 이라크의 스커드 미사일, 중국의 핵실험, 그리고 오래전부터 있었던 소련(러시아)의 핵미사일 위협까지 이 모든 것을 하늘에서 감시하고 있는 미국의 눈이 있었으니 그 이름이 DSP 위성입니다.

▲ (그림1) DSP 위성의 초기 모델 aaero

DSP(Defense Support Program)라는 이름은 하나의 위성을 말하는 것이 아니라 1970년에 시작된 일련의 조기경보위성 시리즈를 통틀어 부르는 이름입니다. DSP는 그 역사가 매우 오래된 위성 시리즈로 1970년 11월 6일 타이탄-3C 로켓에 의해 1호 위성이 발사되어 현재는 18호 위성부터 23호 위성까지 6기의 위성이 운용중인 것으로 알려져 있습니다.

현재 운용 중인 23호가 DSP 시리즈 마지막 위성이며 DSP 위성의 임무는 새롭게 시작되는 SBIRS(Space Based Infra Red Sensor) 위성 시리즈로 인계될 예정입니다.

▲ (그림2) 대륙간탄도미사일을 감시하는 DSP위성의 상상도◎

DSP 위성의 주된 임무는 지구상 어딘가에서 미국을 향해 발사되는 대륙간탄도미사일을 감시하는 것입니다. DSP 위성은 정지궤도 위성이기 때문에 지상에 대한 상대적인 위치가 변하지 않는 특성이 있습니다. 그래서 적도 상공 35,800km에 위치한 정지궤도 위에 여러 개의 위성을 적당한 각도로 펼쳐 배치해 놓으면 지구상의 거의 모든 곳을 감시할 수 있습니다.

(그림3)에 나타난 1993년도 DSP 위성 배치도표를 보면, 이 해에는 5기의 DSP 위성이 활동했음을 알 수 있으며, 그 위치는 각각 인도양 상공의 동경 70°와 100° 부근, 동경 10° 근처의 아프리카 상공, 서경 40° 대서양 상공, 그리고 서경 165° 근처의 태평양 상공임을 알 수 있습니다.

인도양 상공의 위성은 주로 중국과 러시아, 아시아 지역을, 아프리카 상공의 위성은 유럽과 북극 상공을 비행할지도 모르는 대륙간 미사일을 감시하는 역할을 담당하고 있습니다. 대서양 상공의 위성은 남북 아메리카를, 그리고 태평양 상공의 위성도 대륙간 미사일을 감시하는 역할을 하고 있습니다.

▲ (그림3) DSP 위성의 배치 위치 도표 (1993년도)◎

DSP 위성은 옛 소련의 대륙간탄도탄 발사를 감시하거나 지상 핵실험을 감시하는 역할을 해 왔으며 80년대 이른바 스타워즈 계획으로 알려진 미국의 SDI(Strategic Defense Initiative) 프로젝트의 핵심 파트 중 하나입니다.

DSP 위성 개발의 역사를 알아보려면 1950년대 후반으로 거슬러 올라가야 합니다. 1950년대는 한국전쟁 이후 미국과 소련이 냉전체제로 접어들면서 서로를 겨냥한 핵미사일 개발이 본격적으로 시작된 시기였습니다.

양국은 공격용 미사일 개발과 함께 방어체계도 개발해야 했습니다. 50년대 후반 인공위성이 개발되면 미국 국방부 산하 첨단무기시스템 연구기관이었던 ARPA(Advanced Research Projects Agency)에서는 소련에서 발사되는 대륙간탄도미사일의 엔진 분사열을 우주에 배치된 적외선 센서로 관측함으로써 소련의 미사일 공격을 미리 탐지한다는 전략을 세우게 됩니다.

▲ (그림 4) Program461에 사용된 저궤도 위성의 적외선 센서◆

이에 따라 그런 전략이 실제로 가능한지를 확인하기 위해 우선 저궤도 위성에 적외선 센서를 탑재해 지상의 열원을 감지하는 실험을 하게 됐는데 그 프로젝트의 이름이 프로그램 461이었습니다.

(그림4)이 프로그램 461에 사용된 위성 센서입니다. 상단의 검은 부분이 지구를 바라보는 망원경인데 경통 부분이 중심축에 대해 약간 기울어져 있음을 알 수 있습니다. 이것은 위성체의 회전 안정화 방식의 특징을 이용한 것입니다.

센서의 시야각(Field Of View) 내에 위성의 위치에서 바라보는 지구의 일부만 관측되더라도 회전하는 위성체에 장착되어 있기 때문에 결국 보이는 지구면 전체를 관측할 수 있게 되는 원리입니다(그림 5 참조).

원통형 위성의 몸 전체가 분당 6회 속도로 계속 회전하고 있기 때문에 10초 동안 위성에서 바라보는 지구면을 한 번 관측하게 됩니다. 결국 같은 지점을 10초에 한 번꼴로 관측하게 되는 것이군요.

기계적으로 움직이는 부분이 없도록 해 고장 발생 가능성을 줄이고자 한 것도 이렇게 설계한 이유 중 하나입니다. 인공위성을 설계할 때는 주어진 임무를 완수하면서 고장 발생 가능성은 최소화하는 것이 중요한 관건이기 때문입니다.

위성의 지상 감시용 적외선 센서에 미사일 발사로 오해하게 하는 열원에는 여러 가지가 있습니다. 우선 고도 10킬로미터 이하의 지표면에서는 제련소나 공장의 대형 가스 버너, 정유 공장이나 유전의 가스 연소 등이 감시의 장애 요인이 됩니다.

▲ (그림5) 적외선 센서의 지구 스캐닝방법 (

또한 갑작스러운 산불과 화산 분화구, 눈 덮인 높은 산에서 반사되는 강렬한 햇빛도 혼란을 초래할 수 있습니다. 그보다 높은 고도에서는 구름에 반사된 햇빛도 문제가 될 수 있습니다. 30킬로미터 이상의 매우 높은 고도에서는 위성 잔해나 유성체가 지구 대기로 진입하면서 불타는 현상과 오로라 등이 미사일 발사 감시에 혼돈을 겪게 됩니다.

이처럼 관측을 방해하는 모든 혼잡 요소 때문에 DSP 위성의 적외선 센서는 미사일의 엔진에서 나오는 열을 직접 관측하는 대신 다른 방법을 사용하게 되었습니다.

여러분은 로켓을 발사할 때 로켓이 지나간 자리를 따라 하늘에 긴 구름 기둥이 남는 것을 방송이나 사진으로 본 적이 있을 것입니다. 이는 액체로켓의 주연료인 액체수소와 산화제인 액체산소가 결합해 생긴 물이 엔진의 열 때문에 증발하고 그 수증기가 대기 중에 남기 때문입니다.

대부분의 대륙간 탄도 미사일이나 로켓은 액체 연료 엔진을 사용하기 때문에 이와 비슷한 형태의 구름 기둥을 남기거나 엔진 연소 시 이산화탄소를 배출하게 됩니다. 고체로켓도 미세한 탄소알갱이를 배출해 대기 중 수증기를 얽어 항공기가 지나간 뒤 남는 비행기 구름과 비슷한 형태의 구름대를 형성시킵니다.

DSP 위성의 센서는 바로 이러한 수증기와 이산화탄소의 갑작스러운 증가를 감지하여 미사일 발사 여부를 판단합니다. 대기 중에 안정화돼 있던 수증기 밀도가 국지적으로 갑자기 증가하면 미사일이나 로켓이 발사됐다고 판단한다는 원리입니다.

위성에 장착된 적외선 센서는 크게 렌즈(망원경) 부분과 필터, 감광 소자, 그리고 감광 소자에서 발생한 신호를 처리하는 전자 부품 등으로 대별됩니다. 망원경을 통해 들어온 빛이 필터를 거쳐 원하는 파장 대역만 감광소자에 도달하게 되는 것입니다.

초기에는 감광소자로 광전소자를 사용하였고 최근에는 CCD(Charged Coupled Device)를 사용하고 있습니다. 모두 빛이 닿으면 전류가 발생하는 광전 효과를 응용한 부품입니다. DSP 위성의 원형인 Program461에서는 약 400개의 광전소자를 사용하고 DSP 위성에서는 2,000개 내지 6,000개의 광전소자를 적외선 센서에 사용했다고 합니다.

수많은 광전소자를 배열해 놓고 그 위에 필터를 통과한 빛이 닿도록 해 센서에서 발생하는 전기신호를 이용해 미사일이 발사된 것으로 의심되는 지점을 조사하게 되는 겁니다.

DSP 위성은 약 30년간 여러 단계의 업그레이드 과정을 거쳐 성능이 개선돼 왔습니다. 먼저 1970년에 발사된 1호기에서 4호기까지의 위성을 1세대로 구분하는데, 이 당시에는 DSP라는 명칭 대신 IMEWS(Integrated Multipurpose Early Warning Satellite)라는 이름을 사용했습니다. 한국어로 말하면 다목적 조기경보위성군이라고 할까요?

1세대 위성은 중량이 약 950kg, 소모 전력이 400와트 정도로 오늘날의 중형급 위성 규모였습니다. 4기의 1세대 위성 중 1호기는 발사체 문제로 목표했던 정지궤도에 진입하지 못했고 나머지 3기의 위성은 동경 60˚(인도양), 서경 135˚(태평양), 서경 80˚(대서양)에 각각 배치되었습니다.

주로 바다 상공에 배치된 이유는 우선 대부분의 정지궤도 통신위성이나 방송위성이 대륙 상공에 위치해 상대적으로 바다 상공의 정지궤도에 빈자리가 많았기 때문이고, 다른 하나는 위성의 적외선 센서가 안정적으로 작동하기 위해서는 아무래도 지상의 불빛이 거의 없는 바다 위가 유리했기 때문입니다.

▲ (그림6) 호주 바다메라의 지상국 시설◆

1호 위성 발사와 함께 위성을 통제하고 관측 자료를 수신하기 위한 지상국 2곳을 건설했는데, 1곳은 호주 우메라, 다른 1곳은 미국 콜로라도주 덴버 지역에 설치됐습니다.(그림6)이 그 중 하나인 호주의 우메라 지상국입니다.

5호기에서 13호기까지의 위성은 2세대 위성 혹은 DSP-SEDS(Sensor Evolutionary Development Satellite)로 알려져 있습니다. 적외선 센서의 성능이 획기적으로 개선된 위성으로 주로 70년대 중반부터 80년대 후반까지 발사된 위성이 이에 해당합니다. 이 위성들의 무게는 약 1.8톤, 소모 전력은 680와트 정도였습니다.

14호기부터는 DSP-I(Improved)라고 하며 센서 성능과 위성체 성능이 모두 개선된 모델이 임무를 인계하고 있습니다. 1989년 이후에 발사된 위성이 이에 해당합니다. 위성체의 규모도 커져 무게가 약 2.4톤, 소모 전력이 1300와트에 이릅니다.

▲ (그림 7) 3세대 DSP 위성◆

(그림7)에 있는 사진은 1993년 당시 엘 고어 부통령이 위성체 제작사인 TRW사를 방문해 직원들을 격려하는 모습인데 뒤에 있는 위성이 3세대 개량형 위성 중 하나인 19호기입니다. 사람의 키와 비교해 보면 언뜻 봐도 이 글의 처음 등장한 1세대 위성에 비해 두 배 가량 커졌음을 짐작할 수 있다.