큐브위성 도요샛, 슈퍼 태양폭풍 속 ‘대기 저항’ 정량적으로 밝혔다

- 축적된 데이터 활용…

NASA 위성과의 비교 검증 통해 국제학술지 게재

- 국산 초소형위성 활용한 초제궤도 우주환경 감시 가능성 제시

한국천문연구원(원장 박장현) 도요샛(SNIPE) 연구진이 초강력 태양폭풍이 지구 저궤도 위성에 미치는 대기 저항(항력)* 증가 효과를 정량적으로 규명하는 데 성공했다. 

* 대기 항력: 대기권에서 물체가 이동할 때 공기와의 마찰·압력 차이로 생기는 저항력

연구진은 2024년 5월 발생한 슈퍼 태양폭풍 기간(2024년 5월 10일 20시~12일 4시, 32시간) 동안 도요샛 위성들의 고도가 약 300m 낮아지는 현상을 포착했다. 이를 바탕으로 태양폭풍으로 인해 지구 저궤도의 대기 밀도와 위성이 받는 대기 저항이 얼마나 증가하는지를 정량적으로 분석했다.

분석 결과, 태양폭풍이 정점에 이르렀을 때 위성 주변의 대기 밀도는 평상시보다 2배 이상 급증한 뒤 점차 폭풍 이전 수준으로 회복되는 것으로 나타났다. 위성 운용 고도인 500km 부근에서 태양폭풍 기간 중 대기 저항이 증가한다는 사실은 알려져 있었지만 대기가 매우 희박해 그 변화를 정밀하게 측정하고 정량화하는 데에는 한계가 있었다.

연구진은 비슷한 고도에서 편대비행 중인 도요샛 위성 3기의 궤도 변화를 정밀 분석함으로써 대기 저항 변화를 정량적으로 유추하는 데 성공했다. 또한 미국항공우주국(NASA)의 대형 위성 그레이스-팔로우온(GRACE-FO) 관측자료와 도요샛을 통해 산출한 결과를 비교한 결과, 두 자료가 상당히 일치한다는 사실을 확인했다.

이번 성과는 도요샛이 3년 넘게 임무를 수행해 축적된 관측 데이터를 수퍼 태양 폭풍 기간 자료와 비교할 수 있었기에 가능했다. 도요샛은 2023년 5월 25일 누리호 3차 발사를 통해 고도 약 550km 태양동기궤도에 투입된 이후, 현재까지도 건강한 상태로 우주환경 감시 임무를 이어가고 있다. 10kg급 초소형 큐브위성임에도 불구하고 2024년 5월, 2024년 10월, 2025년 11월, 2026년 1월 발생한 4차례의 초강력 태양폭풍을 모두 견뎌내며 지구 전리권* 및 자기권 플라즈마**의 변화를 지속적으로 관측해왔다. 

  * 전리권: 지표로부터 약 60~1,000km까지의 공간으로 지구와 가장 가까운 우주 영역

  ** 플라즈마: 이온과 전자가 분리된 물질의 상태, 전리권은 중성인 공기 입자, 음의 전기를 띠는 전자 그리고 양전기의 이온이 혼재된 독특한 공간이다.

연구진은 특히 거의 같은 고도에서 운용되는 동일한 형태의 도요샛-나래와 도요샛-라온이 자세제어 상태에 따라 서로 다른 대기 저항을 받는다는 사실을 확인했다. 그리고 자세가 안정적으로 제어된 도요샛-나래의 궤도정보로부터 계산한 대기 밀도는 NASA 그레이스-팔로우온 위성의 관측값과 상당히 일치했다. 이는 고가의 정밀 측정 장비를 탑재하지 않더라도 위성의 궤도와 자세 정보만으로 저궤도 대기 밀도의 변화를 저비용으로 감시할 수 있음을 보여준다. 또한 단일 위성이 아닌 여러 위성이 함께 비행하는 군집위성을 활용하면 각 위성의 데이터를 서로 비교해 저궤도 대기 밀도의 시간적·공간적 변화를 동시에 분석할 수 있다는 장점도 확인했다.

태양폭풍에 따른 대기 저항 증가는 저궤도, 특히 초저궤도 위성의 안정적인 운용과 직결되는 문제다. 실제로 2022년 2월에는 발사 직후 저궤도에 있던 스타링크 위성들이 태양폭풍으로 증가한 대기 저항의 영향을 받아 다수가 궤도에 안착하지 못하고 대기권으로 재진입한 사례가 있다.

최근 활용이 확대되고 있는 초저궤도 위성은 지구와 가까운 궤도에서 운용돼 영상 해상도와 통신 성능, 발사 비용 등의 측면에서 국방·통신 분야에 강점을 갖는다. 반면 일반적인 저궤도보다 대기 저항의 영향을 크게 받아 궤도 수명이 짧고 안정적인 운용이 어렵다는 한계가 있다. 특히 태양활동에 따라 초저궤도 대기 밀도가 크게 달라질 수 있어 위성의 최적 설계와 안정적인 운용을 위해서는 관련 우주환경 자료와 예측 기술 확보가 중요하다.

   이번 연구 논문의 제1 저자인 천문연 송호섭 박사는 “저궤도에서의 대기 저항을 국내에서는 처음으로 한국 큐브위성을 이용해 분석했다는 데 의의가 있다”며“초저궤도 위성 활용이 확대되는 만큼 대기 밀도를 여러 지점에서 정확히 예측하는 기술이 중요해지고 있는데, 이번 연구가 관련 기술 개발을 위한 선행연구로 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

  도요샛 프로젝트 연구책임자인 천문연 이재진 책임연구원은 “우리 기술로 제작하고 발사된, 설계 수명 1년의 국산 꼬마 위성이 지난 3년여간 꾸준히 건강을 유지하며 우주환경 관측 임무를 수행하고 있다는 점에서도 의미가 크다”며 “앞으로 더 많은 국산 초소형 위성들이 우주과학 연구뿐 아니라 국방 감시 등 다양한 분야에서 저비용, 고효율로 활약할 수 있게 되기를 바란다”고 밝혔다. 

  연구진은 초저궤도 우주환경 감시를 위한 후속 위성 ‘도요샛 2(SNIPE-2)’를 기획하고 관련 연구를 이어갈 예정이다. 한편, 본 연구는 국제 학술지 Space Weather에 게재됐다. (보도자료 끝. 추가자료 있음.)

그림 1. 슈퍼 태양폭풍 당시 도요샛 운용 가상도  

그림 2. 그림 1의 상세 설명. 슈퍼 태양폭풍으로 증가한 대기 저항과 도요샛의 궤도 변화를 설명해 준다. 

그림 3. 자세에 따른 대기 저항의 차이(도요샛-나래 vs 도요샛-라온). 같은 모양과 크기의 큐브위성이라도 자세에 따라 받는 대기 저항이 다를 수 있다.