인공 위성 : 용도, 작동 방식, 유형, 중요 - 아르테 - 2025

위성은 지구 또는 다른 천체 주위를 공전하기 위해, 차량 승무원없이 공간을 출시하기 위해 특별히 내장 된 장치입니다.

인공위성 구축에 대한 첫 번째 아이디어는 예를 들어 Jules Verne과 Arthur C. Clark과 같은 공상 과학 소설 작가로부터 나왔습니다. 후자는 왕립 공군의 레이더 장교였으며 2 차 세계 대전이 끝날 무렵 지구 궤도에 3 개의 위성을 사용하여 통신 네트워크를 유지하는 아이디어를 구상했습니다.

그림 1. 지구 궤도를 도는 인공위성. 출처 : Wikimedia Commons.

그 당시에는 위성을 궤도에 배치 할 수있는 수단이 아직 없었습니다. 미군이 1950 년대 초에 최초의 위성 통신을 생산하는 데 몇 년이 더 걸렸습니다.

미국과 소련 간의 우주 경쟁은 인공위성 산업을 촉진했습니다. 첫 번째 궤도에 성공적으로 배치 된 것은 1957 년 소련 스푸트니크 위성이었으며 20-40MHz 범위의 신호를 방출했습니다.

이어 미국은 통신 목적으로 Echo I를 출시했습니다. 그 이후로 양국은 수많은 궤도 발사에 성공했으며 그 후 많은 국가가 새로운 기술에 합류했습니다.

인공위성은 무엇입니까?

-통신에서 라디오, 텔레비전 및 휴대폰 메시지의 재전송을 위해.

-지도 제작 및 천문 관측을 포함한 과학 및 기상 연구에서.

-군사 정보 목적으로.

-내비게이션 및 위치 사용을 위해 가장 잘 알려진 GPS (Global Positioning System) 중 하나입니다.

-육지 표면을 모니터링합니다.

-지구 밖의 삶을 경험하도록 설계된 우주 정거장에서.

어떻게 작동합니까?

그의 Principia에서 Isaac Newton (1643-1727)은 위성을 궤도에 배치하는 데 필요한 것을 설정했지만, 그는 위성 대신 언덕 꼭대기에서 발사되는 대 포탄을 예로 사용했습니다.

특정 수평 속도로 발사 된 총알은 일반적인 포물선 궤적을 따릅니다. 속도를 높이면 수평 범위가 점점 더 커집니다. 그러나 특정 속도로 인해 총알이 지구 궤도를 돌게 될까요?

지구는 매 8km마다 4.9m의 속도로 지표면에 접하는 선에서 구부러집니다. 휴식에서 놓인 모든 물체는 첫 번째 초 동안 4.9m 떨어집니다. 따라서 8km / s의 속도로 피크에서 수평으로 총알을 발사하면 첫 번째 초 동안 4.9m 떨어집니다.

그러나 지구는 포탄 아래로 휘어짐에 따라 그 시간에 4.9m 하강 할 것입니다. 이것은 8km를 덮고 수평으로 계속 이동하며 그 초 동안 지구에 대해 동일한 높이를 유지합니다.

당연히, 마찰이없는 한 추가 추진없이 총알을 인공위성으로 바꾸면서 다음 1 초 후, 그리고 연속 초 동안 동일한 일이 발생합니다.

그러나 공기 저항으로 인한 마찰은 피할 수 없기 때문에 부스터 로켓이 필요합니다.

로켓은 더 얇은 대기가 더 적은 저항을 제공하고 필요한 수평 속도를 제공하는 큰 높이까지 위성을 들어 올립니다.

이러한 속도는 8km / s 이상 11km / s 미만이어야합니다. 후자는 탈출 속도입니다. 이 속도로 투영 된 위성은 지구의 중력 영향을 버리고 우주로 이동합니다.

인공위성 구조

인공위성은 다양한 유형의 신호를 수신, 처리 및 전송하는 기능을 수행하는 다양한 복잡한 메커니즘을 포함합니다. 그들은 또한 가볍고 작동의 자율성을 가져야합니다.

주요 구조는 모든 인공위성에 공통적이며, 목적에 따라 여러 하위 시스템이 있습니다. 그들은 금속 또는 기타 경량 화합물로 만들어진 하우징에 장착되어 지지대 역할을하며 버스라고합니다.

버스에서 다음을 찾을 수 있습니다.

-데이터가 처리되는 컴퓨터를 포함하는 중앙 제어 모듈.

-망원경, 카메라 및 레이더뿐만 아니라 전파를 통한 통신 및 데이터 전송을위한 수신 및 전송 안테나.

-위성이 그늘에있을 때 필요한 에너지와 충전식 배터리를 얻기 위해 날개에 태양 전지판 시스템. 궤도에 따라 위성이 낮은 궤도에있는 경우 배터리를 재충전하려면 약 60 분의 햇빛이 필요합니다. 더 먼 위성은 태양 복사에 훨씬 더 많은 시간을 보냅니다.

위성은이 방사선에 장시간 노출되기 때문에 다른 시스템의 손상을 방지하기 위해 보호 시스템이 필요합니다.

노출 된 부품은 매우 뜨거워지고 그늘에서는 변화를 조절할 수있는 대기가 충분하지 않기 때문에 극도로 낮은 온도에 도달합니다. 이러한 이유로 라디에이터는 열을 제거하고 필요한 경우 열을 보존하기 위해 알루미늄 커버가 필요합니다.

인공위성의 종류

궤도에 따라 인공 위성은 타원형 또는 원형이 될 수 있습니다. 물론 각 위성에는 할당 된 궤도가 있으며, 일반적으로 지구가 회전하는 방향과 같은 방향을 비동기 궤도라고합니다. 어떤 이유로 위성이 반대 방향으로 이동하면 역행 궤도가 있습니다.

중력 하에서 물체는 케플러의 법칙에 따라 타원형 경로로 이동합니다. 인공위성은이를 벗어나지 못하지만 일부 타원형 궤도는 이심률이 너무 작아서 원형으로 간주 할 수 있습니다.

궤도는 또한 지구의 적도에 대해 기울어 질 수 있습니다. 0º의 기울기에서는 적도 궤도이고 90º이면 극 궤도입니다.

위성의 고도도 중요한 매개 변수입니다. 1500 ~ 3000km 높이가 높은 방사율로 인해 피해야 할 지역 인 Van Allen 벨트의 첫 번째 지역이기 때문입니다.

그림 2. 인공위성의 궤도, 고도 및 속도. 모든 궤도에 잔해가 있지만 사용하지 않는 위성은 묘지 궤도로 통과합니다. 출처 : Wikimedia Commons.

위성 궤도

위성의 궤도는 다른 작업에 대해 다소 유리한 높이가 있기 때문에 임무에 따라 선택됩니다. 이 기준에 따라 위성은 다음과 같이 분류됩니다.

- LEO (저궤도)은 , 그들이 500 내지 900km의 높은 약 1 시간 반 및 90 °의 경사 기간과, 순환 경로를 설명한다. 그들은 휴대폰, 팩스, 개인 호출기, 차량 및 보트에 사용됩니다.

- MEO (중간 지구 궤도) , 그들은 5,000~12,000킬로미터, 50º의 경사 약 6 시간 동안 사이의 고도에있다. 그들은 또한 휴대폰에도 사용됩니다.

- GEO (지구 궤도주기 궤도) 또는 정지 궤도는 두 용어 사이에 약간 차이가 있지만. 전자는 다양한 경사를 가질 수 있고 후자는 항상 0º에 있습니다.

어쨌든 그들은 36,000km 정도의 높은 고도에 있습니다. 그들은 하루 동안 원형 궤도를 이동합니다. 덕분에 팩스, 장거리 전화 및 위성 TV를 사용할 수 있습니다.

그림 3. 인공위성의 궤도 다이어그램. 1) 지구. 2) 레오. 3) MEO, 4) 정지 궤도. 출처 : Wikimedia Commons.

정지 위성

처음에 통신 위성은 지구 자전과 다른주기를 가졌지 만 이로 인해 안테나의 위치를 ​​맞추기가 어려웠고 통신이 끊어졌습니다. 해결책은 위성을 지구 자전의주기와 일치하는 높이에 배치하는 것이 었습니다.

이런 식으로 위성은 지구와 함께 궤도를 돌며 그것에 대해 고정 된 것처럼 보입니다. 정지 궤도에 위성을 배치하는 데 필요한 높이는 35786.04km이며 Clarke 벨트로 알려져 있습니다.

궤도의 높이는 뉴턴의 우주 중력 법칙과 케플러의 법칙에서 파생 된 다음 식을 사용하여주기를 설정하여 계산할 수 있습니다.

여기서 P는주기이고, a는 타원 궤도의 반장 축 길이, G는 보편적 인 중력 상수, M은 지구의 질량입니다.

이런 식으로 지구에 대한 위성의 방향이 변경되지 않기 때문에 항상 위성과 접촉 할 수 있습니다.

지구의 가장 중요한 인공위성

인공위성

그림 4. 역사상 최초의 인공위성 인 스푸트니크의 복제품. 출처 : Wikimedia Commons.

이것은 인류 역사상 최초의 인공위성으로 1957 년 10 월 구 소련이 궤도에 올렸습니다.이 인공위성은 스푸트니크 프로그램의 일환으로 3 개의 다른 인공위성에 이어졌습니다.

첫 번째 스푸트니크는 매우 작고 가벼 웠습니다. 주로 알루미늄이 83kg이었습니다. 20 ~ 40MHz의 주파수를 방출 할 수 있었는데 3 주 동안 궤도를 돌다가 지구로 떨어졌습니다.

스푸트니크의 복제품은 오늘날 러시아, 유럽, 심지어 미국의 많은 박물관에서 볼 수 있습니다.

우주 왕복선

잘 알려진 또 다른 유인 임무는 우주 수송 시스템 STS 또는 우주 왕복선으로, 1981 년부터 2011 년까지 운영되었으며 다른 중요한 임무 중에서도 허블 우주 망원경과 국제 우주 정거장의 발사에 참여했습니다. 다른 위성 수리.

우주 왕복선은 비동기 궤도를 가지고 있으며 지구로오고 갈 수 있기 때문에 재사용이 가능했습니다. 5 개의 페리 중 2 개는 승무원과 함께 우연히 파괴되었습니다. Challenger와 Columbia입니다.

GPS 위성

글로벌 포지셔닝 시스템은 전 세계 어디에서나 사람과 물체를 정확하게 찾는 것으로 널리 알려져 있습니다. GPS 네트워크는 최소 24 개의 고고도 위성으로 구성되며 그 중 항상 지구에서 볼 수있는 4 개의 위성이 있습니다.

그들은 20,000km의 고도에서 궤도에 있으며주기는 12 시간입니다. GPS는 삼각 측량과 유사한 수학적 방법을 사용하여 삼각 측량이라고하는 물체의 위치를 ​​평가합니다.

GPS는 사람이나 차량의 위치를 ​​찾는 데 국한되지 않고지도 제작, 측량, 측지학, 구조 작업 및 스포츠 관행, 기타 중요한 응용 프로그램에도 유용합니다.

허블 우주 망원경

지구 대기 나 빛 공해가 먼 빛을 차단하거나 왜곡하지 않고 태양계, 별, 은하, 먼 우주에 대한 비교할 수없는 이미지를 제공하는 인공위성입니다.

그림 5. 허블 우주 망원경의 모습. 출처 : Wikimedia Commons를 통한 NASA.

따라서 1990 년에 출시 된 것은 최근 천문학 분야에서 가장 주목할만한 발전이었습니다. 허블의 거대한 11 톤 실린더는 96 분의 주기로 지구를 공전하는 340 마일 (548km)의 고도에 있습니다.

2020 년과 2025 년 사이에 비활성화 될 예정이며 제임스 웹 우주 망원경으로 대체 될 예정입니다.

국제 우주 정거장

ISS (국제 우주 정거장)로 알려진 이곳은 전 세계 5 개의 우주 기관에서 관리하는 궤도 연구 실험실입니다. 지금까지 현존하는 가장 큰 인공위성입니다.

나머지 위성과 달리 우주 정거장에는 인간이 탑승합니다. 적어도 두 명의 우주 비행사로 구성된 고정 승무원 외에도 관광객들이 역을 방문했습니다.

방송국의 목적은 주로 과학적입니다. 무중력의 영향을 조사하고 천문, 우주, 기후 관측을 수행하는 4 개의 실험실을 보유하고 있으며 생물학, 화학 및 다양한 시스템에 대한 방사선의 영향에 대한 다양한 실험을 수행합니다.

찬드라

이 인공위성은 지구 대기에 흡수되어 표면에서 연구 할 수없는 X 선을 감지하는 관측소입니다. NASA는 1999 년에 우주 왕복선 콜롬비아를 통해 궤도에 진입했습니다.

이리듐 통신 위성

그들은 LEO 형 궤도에서 780km의 고도에서 100 분 동안 66 개의 위성 네트워크를 구성합니다. 모토로라 전화 회사에서 접근하기 어려운 곳에서 전화 통신을 제공하도록 설계했습니다. 그러나 매우 높은 비용의 서비스입니다.

갈릴레오 위성 시스템

유럽 ​​연합에서 개발 한 위치 시스템으로 GPS와 동일하며 민간용으로 사용됩니다. 현재 22 개의 위성이 작동하고 있지만 아직 건설 중입니다. 개방형 버전에서 1m 정밀도로 사람이나 물체를 찾을 수 있으며 GPS 시스템의 위성과 상호 운용이 가능합니다.

Landsat 시리즈

그들은 지구 표면을 관찰하기 위해 특별히 고안된 위성입니다. 그들은 1972 년에 작업을 시작했습니다. 무엇보다도 그들은 지형 매핑, 극지에서의 얼음 이동 및 숲의 범위에 대한 정보를 기록하고 광산 탐사를 담당하고 있습니다.

Glonass 시스템

러시아 연방의 지리적 위치 시스템으로 GPS 및 Galileo 네트워크에 해당합니다.

인공위성 관측

인공위성은 햇빛을 반사하기 때문에 아마추어가 지구에서 볼 수 있으며 태양이지는 경우에도 빛의 점으로 볼 수 있습니다.

이를 찾으려면 전화에 위성 검색 응용 프로그램 중 하나를 설치하거나 위성을 추적하는 인터넷 사이트를 참조하는 것이 좋습니다.

예를 들어 허블 우주 망원경은 육안으로도 볼 수 있거나 좋은 쌍안경을 사용하면 더 잘 볼 수 있습니다.

위성 관측 준비는 유성우 관측과 동일합니다. 최상의 결과는 매우 어둡고 맑은 밤, 구름과 달이 없거나, 달이 수평선에 낮을 때 얻을 수 있습니다. 빛 공해에서 멀어 질수록 따뜻한 옷과 뜨거운 음료도 가져와야합니다.

참고 문헌

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6. 위키 버 시티. 인공위성. 출처 : es.wikiversity.org.