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1997년 호주에 미국의 인공위성 스카이랩이 추락했습니다.

이에 호주는 미국을 상대로 불법 쓰레기 투척에 대한 벌금형을 선고했습니다.


미국이 무응답으로 대응하고 있었는데, 이 사실을 알게된 캘리포니아주의 한 라디오 방송국 DJ가 방송 모금으로 돈을 마련해 지불하면서 에피소드로 끝났습니다.

그런데 만약 호주에 위성 추락으로 인명피해가 발생했다면 또 다른 문제로 비화됐겠죠.

실제 인공위성의 추락은 우리 상상을 훨씬 넘어서고 있습니다.

지난 40년 동안 무려 5400톤에 달하는 인공물체 우주에서 지구로 떨어졌습니다.

◆ 이달 21일부터 24일 사이 독일 인공위성 뢴트겐이 수명을 다하고 지구로 추락하는데, 그 궤적에 우리나라가 포함됩니다.

뢴트겐 인공위성 형상도


뢴트겐은 무게 1.7톤의 천체관측 위성으로, 지난 1999년 발사돼 고도 580㎞ 궤도를 돌며 임무를 수행하다 수명을 다하고 현재는 고도가 210㎞까지 낮아진 상황입니다.

오는 21~24일 뢴트겐의 고도가 180㎞까지 낮아지면 지구 대기권으로 진입해 추락하게 됩니다.

한국천문연구원은 이번 추락 과정에서 대기와의 마찰로 소멸되지 않는 파편이 30여 개에 달할 것으로 보고 있으며, 이 중에는 직경 80㎝급 반사경도 포함된다고 합니다.

뢴트겐의 대기권 재진입 속도는 시속 2만 8000㎞이며, 대기권 진입 후 파편의 낙하 속도는 450㎞로 추정하고 있습니다.

파편의 비산 범위는 낙하궤적을 따라 약 80㎞의 폭을 형성하게 되며, 독일 항공우주센터는 이번 위성 추락으로 인한 인명피해 발생 확률은 2000분의 1정도로 보고 있습니다.

참고로 지난 9월 24일 추락한 미국 UARS 위성의 인명피해 확률은 약 1/3200이었지만, 최종 태평양에 추락하면서 인명피해가 발생하지 않았습니다.

그러나 정확한 추락 위치는 추락 2시간 전에야 알 수 있을 전망입니다.

이에 따라 교과부는 만일의 사태에 대비해 천문연, 항우연 등 유관기관과 , 주변국의 우주기관 등과 긴밀한 협조 체제를 구축하고 상황 종료 시까지 웹 페이지(event.kasi.re.kr, www.kari.re.kr)와 트위터(@kasi_news) 등을 통해 추락상황을 실시한 공개합니다.



<뢴트겐 위성 개요>

 ○ 독일항공우주센터(DRL)와 미 항공우주국(NASA), 영국 라이세스터 대학(University of Leicester)의 과학자와 엔지니어들이 설계, 제작한 X-선 우주망원경
   - 독일 물리학자 빌헬름 뢴트겐(Wilhelm R?ntgen)의 업적을 기리기 위해 명명되었으며 '로셋'(ROSAT)이라는 약어로 불림
 ○ 1990년 6월 1일 미국 케이프 커네버럴에서 발사돼 1999년 2월 12일 임무 종료되었으며, 당초 18개월간 천체관측을 수행할 계획이었지만 실제로는 8년간 운영됨
   - 운영기간 동안 15만 개에 달하는 X-선 천체 목록화, 은하단과 은하, 분자운, 초신성 잔해, 그리고 중성자별 연구 등에 사용되었으며, 혜성에서 X-선이 방출된다는 사실을 처음 발견
 ○ 독일항공우주센터는 궤도경사각 53도, 고도 580km 궤도 상에서 위성을 운영
   - 임무종료 후 고도가 점차 하락하여 올해 6월에 375km, 9월에는 270km로 낮아졌으며 10월 17일 09시 현재 추정 고도는 약 225km

□ 주요 정보 및 제원
 ○ 제작기관 : 독일항공우주센터
 ○ 발사일 : 1990년 6월 1일
 ○ 발사장소/발사체 : 케이프 커네버럴(Cape Canaveral) 델타 II(Delta II)
 ○ 임무수명 : 8년
 ○ 총중량 : 2,400kg
 ○ 임무궤도 : 580km
 ○ 망원경 유형 : 울처 I(Wolter I)
 ○ 망원경 구경/초점거리 : 0.84m / 2.4m
 ○ 관측파장 : X-선과 극자외선(Extreme Ultraviolet = EUV) 영역
 ○ 탑재체
   - 비례계수기 (PSPC, Position Sensitive Proportional Counter)
   - 광각카메라 (WFC, Wide Field Camera)
   - 고해상카메라 (HRI, High Resolution Imager)

<뢴트겐 위성의 추락 관련 Q & A>

>> 뢴트겐 위성은 통제할 수 있는가?             
뢴트겐은 궤도제어용 추진 시스템을 갖추지 않았다. 대기권 재진입을 통제할 수 있는 수단이 없다는 뜻이다. 뢴트겐은 1999년 임무가 종료됐기 때문에 현재 독일 오베르파펜호펜(Oberpfaffenhofen)에 있는 DLR 관제센터와 교신할 수 없는 상태다.     

>> 뢴트겐 위성은 대기권에서 전소될까?
인공위성이나 우주잔해물이 궤도를 이탈, 지구대기에 진입한 뒤에는 시속 27,500km보다 빠른 속도로 낙하하며, 진입 후 마찰에 의해 10분 이내에 아음속으로 속도가 떨어진다. 이 때 공기저항으로 인해 엄청난 열이 발생하게 된다. 우주왕복선에 설치된 단열재와 같은 특별한 장치가 없을 경우 비행체는 전소되거나 대부분 타서 없어지며, 이렇게 발생하는 열과 공기역학적 효과로 위성이나 우주잔해물은 곧 부서진다.

독일항공우주센터에서 분석한 바에 따르면 뢴트겐은 총 1.7톤에 달하는 30여 개의 파편이 타지 않고 지표에 도달할 것으로 예상된다. X-선 광학 시스템을 구성하는 거울과, 탄소섬유로 된 광기계부(또는 그 일부)는 지상에 떨어질 것으로 예상되는 가장 무거운 파편이다. 파편이 지표에 도달할 경우, 충돌속도는 시속 450km에 달할 것으로 추정된다.

>> 뢴트겐 위성은 어디에 떨어질까?
뢴트겐 위성의 대기권 재진입 시점과 위치를 정밀 예측하는 것은 원천적으로 불가능하다. 과거 다른 인공위성들이 추락한 사례를 보면 대기권 재진입 6개월 전이라 해도 10주 정도의 정밀도로밖에 예측할 수 없다. 물론, 재진입 시간이 임박할수록 시점을 정확하게 예보할 수 있지만, 추락 일주일 전이라 해도 사흘 이내로 그 범위를 좁히기는 어렵다.

해당 위성이 지구를 90분마다 공전한다고 가정하면 사흘 동안 40회 이상 지구 주위를 선회하는 셈이다. 위성이 궤도를 이탈하기 하루 전이라 해도 재진입 시점에 대한 예보정밀도를 ±5시간 또는 6.5 공전주기 이하로 좁히기는 힘들다. 게다가 지구는 자전하기 때문에 재진입 이후 추락하는 파편에 의해 피해를 입을 수 있는 지역은 매 공전주기마다 달라진다.

따라서 임의의 위성에 대해 재진입과 낙하시점을 정밀 예보하는 것은 현재로서는 불가능하다. 하지만 재진입 한 두 시간 전에는 과학자들이 시간과 지역을 예측할 수 있다. 파편이 지표에 도달할 경우, 파편은 그 낙하궤적을 따라 약 80km의 폭에 걸쳐 떨어지게 된다.

그리고 재진입 한 두 시간 전에는 지구상 어떤 지역이 파편의 직접적인 피해로부터 벗어날 수 있을지 파악할 수 있다. 예를 들어, 뢴트겐이 해당 시간 동안 동북아 지역을 통과하지 않는다면 우리는 그 지역이 피해를 입지 않을 거라고 판단할 수 있다.
     
>> 사람이 직접적인 피해를 입을 가능성은?
사람이 추락 위성에 의해 직접적인 피해를 입을 확률은 극히 낮다. 이론적으로 대기권 재진입 이후 인공위성 파편이 타지 않고 떨어지는 양과, 위성 궤도를 따라 추락하는 지역의 총 면적을 계산할 수 있다.

이를 토대로 계산한, 지구상의 한 사람이 뢴트겐 위성의 추락으로 인해 피해를 입을 확률은 1/2000이다. 즉, 위성 추락 사건이 2000번 발생했을 때 누군가 한 번 피해를 입을 수 있다는 뜻이다.

그러나 남북한을 포함해 우리 국민이 그 피해를 입을 가능성은 그보다 훨씬 낮은 100만분의 1 이하다. 이론상으로 뢴트겐이 100만 번 이상 떨어져야 국민 한 사람이 피해를 입을 수 있다는 얘기다.  
     
>> 피해를 입을 경우 보상은?
우주물체로 인한 피해의 법적 책임에 관한 국제협정(The Convention on International Liability for Damage Caused by Space Objects = Space Liability Convention)은 1967년에 제정된 우주조약(the Outer Space Treaty)을 확대, 발효한 협정이다. 우주물체 또는 우주잔해물에 의한 사고 건수는 그 사례가 매우 적기 때문에 실제로 적용된 예는 아직 없는 것으로 보고되었다.
 
하지만 1978년 소비에트연방의 핵추진위성 코스모스 954(COSMOS 954)호가 캐나다 영토에 추락했을 당시 이 협정에 의거, 실제로 법적 청구가 제기될 뻔 했다. 그 이듬해, 미국의 스카이랩(Skylab)이 호주 서부에 떨어졌을 당시 사상자나 심각한 피해가 발생하지 않았다. 그러나 호주의 에스페런스 지방정부(shire of Esperance)는 미합중국 정부를 대상으로, 미국이 호주 영토에 스카이랩의 파편을 투기한 사항에 대해 400달러의 벌금을 청구했지만, 미 항공우주국은 그 벌금을 납부하지 않았다. 그 이후 2008년, 미국 캘리포니아에 거주하는 한 디스크자키(DJ)가 청취자들로부터 기부를 받아 그 빚을 청산했다.
 
인공위성 발사국은 자국에서 발사한 모든 우주물체에 대해 국제적인 책임을 진다. 즉, 국가 A의 영토에서 발사됐거나, 국가 A의 시설에 의해 발사됐거나, 아니면 국가 A가 발사하도록 조치한 경우, 국가 A는 해당 우주물체로 인해 발생하는 피해와 그 결과에 대해서 법적 책임을 지도록 규정했다.     

>> 뢴트겐 위성을 지상으로 가져올 수 없는 이유는?
인공위성을 붙잡아 지구로 귀환시키는 기술은 아직 개발 단계에 있으며 빠르면 3-4년 내에 실현될 것으로 보인다. 그러나 개발자는 실제 임무를 통해 그 기술을 입증해야 한다. 설사, 그 기술이 상용화되더라도 대부분의 위성이나 발사체는 회수 대상에 해당되지 않고 극히 일부 위성에 대해서만 적용될 것으로 보인다.

>> 떨어지는 뢴트겐 위성을 볼 수 있을까?
뢴트겐이 대기권에 재진입하는 광경을 목격하는 것은 아주 드문 일이다. 일반적으로 궤도를 선회하던 물체가 추락하는 장소는 바다나 사람이 살지 않는 지역이 대부분이기 때문이다.

북미항공우주방위사령부는 가동 중인 위성과 폐기 위성, 우주잔해물을 상시감시하고 있다. 한국과 독일, 그리고 다른 해외 과학자들도 NORAD 발표자료를 기초로 뢴트겐 궤도와 대기권 재진입에 의한 낙하궤도를 계산, 분석하고 있다.

뢴트겐은 재진입 시점이 다가올수록 상층대기에 의한 제동 효과가 커져 빠른 속도로 추락하기 시작할 것으로 예상된다. 이 시점에는 세계 각지에 설치된 추적시설이 동시 가동돼 뢴트겐 위성의 재진입 시점과 추락지역을 정밀하게 예측할 수 있으리라 기대하고 있다.

>> 다른 위성도 떨어질까?
우주잔해물이 지구대기에 재진입하는 사건은 거의 한 주에 한 번 꼴로 일어난다. 지난 2-3년 동안 매년 총 60톤에서 80톤의 잔해물이 지구로 추락했다. 그 잔해물 가운데는 작은 부품도 있지만 위성이나 로켓 상단과 같이 규모가 큰 것도 상당수 포함됐다. 하지만 떨어진 잔해물이 발견되거나 회수되는 경우는 극히 드물다. 참고로, 추락하는 인공물체는 자연물체인 운석보다 그 양이 훨씬 적다.
2. 한국에서는?
       
>> 한국이 피해를 입을 가능성은?
한국이 뢴트겐 추락에 의해 피해를 입을 가능성은 물론, 있다. 이 위성은 북위 53도와 남위 53도 지역 이내에서 공전하기 때문에 한국은 잠정적인 피해지역에 속한다.

그러나 대기권 재진입 하루 또는 이틀 전이 되어야 뢴트겐이 재진입 궤도상에 한반도가 위치하는지의 여부에 대한 판단이 가능해진다. 하지만 이 위성이 한반도에 떨어질 가능성은 극히 낮은 것으로 알려졌다.

>> 한국도 추락에 대비하고 있을까?
뢴트겐 위성이 지표에 떨어져 직접적인 피해를 끼칠 가능성은 대단히 낮지만, 국내에서도 만일의 사태에 대비하고 있다. 교육과학기술부는 뢴트겐 추락과 관련해 10월 14일, 출연 연구기관 관계자들과 "독일위성 지구추락 대응방안"을 마련하여 한국천문연구원에 우주감시센터에 상황실을 설치하고 한국항공우주연구원과 공동으로 낙하시점까지 뢴트겐 위성의 궤도를 예측하고 그 내용을 일반에 공개하기로 했다.

항공우주연구원은 뢴트겐의 대기권 진입 이후 비행궤적 예측과 해외 기관을 통한 정보 분석을 담당한다. 교육과학기술부는 관련 부처는 물론, 산하 기관들과 긴밀한 협조 체제를 구축하는 등 만일의 사태에 대비하고 있다.

한국천문연구원은 학생과 일반인들을 위해서 전용 웹 페이지(event.kasi.re.kr)와 트위터(twitter.com)를 통해 시시각각으로 바뀌는 뢴트겐의 추락 상황을 공개하기로 했다.

>> 한국에서는 누가?
한국천문연구원은 지난 2010년 12월부터 교육과학기술부와 기초기술연구회 지원으로 국가현안 해결 형 사업(National Agenda Project = NAP)인 "우주물체 전자광학 감시체계 기술개발" (사업책임자: 박장현 박사)을 진행하고 있다. 이번에 뢴트겐의 낙하궤도를 예측, 분석하는 일은 이 프로젝트 참여 연구원들이 주축이 되어 수행한다. 이 사업에는 한국항공우주연구원도 협동기관으로 참여하고 있고 이번 추락상황 분석도 본 사업의 참여연구원들이 주축이 되어 수행하고 있다.

>> 과거에도 이러한 일이 있었을까?
한국천문연구원은 지난 2001년, 구 과학기술부의 미르폐기 대책반에 참여해 1986년부터 16년 간 임무를 수행하고 퇴역해 남태평양에 수장된 미르우주정거장(Mir Space Station)의 폐기궤도를 예보하고 추적 관측해 언론에 공개했다.


<위성이 추락하면>

>> 인공위성이 떨어지는 이유는?
자동차나 비행기처럼 인공위성도 공기저항을 경험한다. 물론, 인공위성이 궤도상에서 '느끼는' 저항은 우리가 지상에서 겪는 것보다 훨씬 작지만 오랜 시간 누적된다면 얘기가 달라진다.

대기권에 진입한 위성은 공기저항 때문에 추락하는데, 위성 자체 특성과 그 고도에 따라 수주에서 수년까지 걸릴 수도 있다. 그러나 고궤도 위성은 수백에서 수 천 년 동안 궤도에 머문다. 물론, 위성 가운데 일부는 추진 시스템이 있기 때문에 이를 이용해 통제 가능한 상태로 추락시킬 수도 있다.

>> 인공위성이 대기권에 재진입할 때 부서지는 이유는?
대기권에 재진입할 때 우주잔해물은 고속으로 운동하면서 고온으로 가열된다. 특히 재진입 시점에는 총알보다 스무 배나 빠른 속도로 움직인다!

이 때 잔해물은 한계점에 도달에 부서지기 시작한다. 그것은 폐기위성을 이루는 주요 구조체가 용융점보다 높아져 작동을 멈추거나, 극단적인 경우 탱크에 있는 연료나 고압가스가 폭발하는 경우도 있다.
 
어떤 경우든지, 우주잔해물이 부서지기 시작하는 고도는 일반적으로 74에서 83km 사이라고 알려져 있다. 우주잔해물은 공기저항과 고열에 의해 몇 개의 조각으로 해체된 뒤, 이어 더 작은 파편으로 부서진다. 그러나 이러한 상태에서도 불타거나 부서지지 않은 파편은 낙하속도가 떨어지면서 열이 식기 시작해 땅에 떨어진다.

>> 실제로 땅에 떨어진 우주잔해물이 있나?
현재까지 50개가 넘은 우주잔해물이 수거되었는데, 그 예로, 1997년 델타 로켓의 2단이 낙하해서 남은 네 개의 잔해물이 있다. 즉, 250kg짜리 스테인리스스틸 탱크와 30kg짜리 고압구, 45kg짜리 추진실, 그리고 작은 부품조각이 땅에 떨어졌지만 다친 사람은 없었다.

>> 대기권 재진입 후 얼마나 많은 파편이 살아남을까?
일반적으로 전체 위성 무게의 10-40% 정도가 땅에 떨어지지만, 그것은 위성의 재료와 구조, 모양, 크기, 그리고 무게에 따라 달라진다. 예를 들면 스테인리스스틸이나 티타늄으로 만들어진, 텅 빈 연료탱크는 용융점이 높기 때문에 대부분 살아남는다. 반대로, 알루미늄과 같은 용융점이 낮은 부품은 땅에 떨어질 가능성이 낮다. 

>> 우주잔해물이 어디에 떨어질지 알 수 있을까?
폐기위성, 또는 우주잔해물이 어디에 떨어질지 예측하는 것은 대단히 어렵다. 고열과 압력에 살아남아 땅에 부딪히는 파편은 넓은 지역에 걸쳐 뿌려지기 때문에 같은 부품에서 떨어져 나간 조각이라도 수 킬로미터 떨어진 곳에 떨어질 수 있다. 과거 델타 로켓이 추락했을 때 4개의 고압구가 낙하했는데, 그 중 하나는 미국 텍사스에, 또 다른 하나는 남아프리카공화국 케이프타운 근교에서 발견되었다.

일반적으로 우주잔해물의 대기권에 재진입 시각을 예측할 때 ±10%의 오차를 갖는 것으로 알려져 있다. 낙하 중인 잔해물의 운동속도가 초속 7km보다 빠르다는 것, 그리고 마지막 궤도를 도는데 걸리는 시간이 90분 내외라는 사실을 감안할 때 예측시간에 관한 오차는 ±9분, 거리로 환산하면 7,000km에 해당한다.

>> 우주잔해물이 땅에 떨어질 때 속도는?    
일반적으로 폐기위성이나 로켓으로부터 떨어져 나간 파편은 상대적으로 느린 속도로 땅에 떨어진다. 마치 종이가 납덩어리보다 천천히 떨어지는 것처럼 가벼운 파편이 무거운 것보다 더 천천히 땅에 충돌한다.   

충돌속도는, 가벼운 파편인 경우 시속 30km, 무거울 경우 시속 300km까지 나간다. 국지적으로 바람이 불 경우 가벼운 조각은 더 멀리 날아갈 수 있으며, 떨어지는 파편을 더 멀리까지 퍼뜨려 사람이 수거하기 어렵게 만들 수 있다.

>> 우주잔해물의 낙하에 의한 피해는?
우주잔해물이 떨어져 생길 수 있는 인명 피해는 우리가 매일 경험하는 위협에 비해서 극히 낮다. 이를테면 한 사람이 우주잔해물에 맞아 다칠 확률은 1조 분의 1에 해당한다. 

지난 40년 동안 총 5400톤이 넘는 물질이 대기권 재진입 이후에도 살아남아 땅에 떨어졌는데, 현재까지는 이러한 추락사건에 의해 직접적인 피해를 입은 사람은 없는 것으로 보고되었다. 

posted by 글쓴이 과학이야기