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우주의 개발

宇宙－開發

인간은 수천년 전부터 광대한 우주의 신비를 이해하고 우주로 직접 진출하고자 노력하여 왔다. 그러나 지구 중력이라는 큰 인력(引力)에 묶여서 인간은 지구를 벗어날 수가 없었다.

그리하여 오랜 세월에 걸쳐서 지상에서 망원경에 의한 관측만으로 우주의 신비를 캐는 데에 노력했을 뿐이다. 우주 공간으로의 직접 진출은 인간의 꿈으로만 남아 있었다. 그러던 중 1957년 10월, 러시아가 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 쏘아올림으로써 우주 진출의 꿈이 실현되었고, 우주 개발이라는 새 시대의 막이 열리게 되었다.

스푸트니크 이후 미국과 구소련이 막강한 국력의 뒷받침을 받아 우주가 마치 국력 과시장인 양 서로 경쟁적으로 우주 개발에 나서서 막대한 인력과 경비를 투입하여 우주 개발에 힘써 왔다. 그리하여 40여년이 지난 지금에는 우주 개발에 있어 괄목할 만한 진전이 이루어져 인간이 직접 달에 다녀올 수 있었음은 물론 화성과 금성 등에 무인 우주선을 연착륙(軟着陸)시켰고, 지구에서 먼 행성인 목성·토성·천왕성 등에도 우주선을 보내 각종 탐사를 시키고 있기도 하다. 지금 이 순간에도 우리 머리 위에는 그동안 쏘아올린 수천 개의 각종 인공위성이 선회하고 있다. 그들은 전에는 관측이 불가능하던 X선·감마선·자외선 등으로 천체를 관측하여 여러 종류의 새로운 발견을 이룩하고 우리가 우주를 좀더 잘 이해할 수 있게 하고 있다.

그뿐만 아니라 통신의 중계, 자원 조사 또는 기상 관측 등으로 우리 생활에 직접 편의를 주고도 있다. 그런가 하면 인공위성이 군사적인 목적으로도 사용되고 있어 이에 대한 규제를 요구하고 있기도 하다.

우주 개발은 막대한 경비가 소요되기 때문에 일부에서는 우주 개발에 드는 인력과 경비에 비하여 그다지 큰 이득이 없다 하여 그에 대한 비판의 소리가 한동안 있었던 것도 사실이다. 그러나 장기적인 안목으로 볼 때 우주개발이 우리에게 가져다 줄 이득은 실로 엄청난 것이다.

로켓의 제조 과정에서 전자공학·기계공학·로켓 추진력·의학 등의 분야에 새로운 기술을 얻었고, 또한 지구상에서는 불가능하던 무중력 상태나 의학·생물학 실험 등이 가능해졌고 우리 생활에 직접 영향을 주는 태양 활동을 좀더 깊숙이 관찰할 수 있게 되었으며 지구의 자원 조사에서 지구 물리학적 실험, 즉 지구 자기대(磁氣帶)와 고층 대기 연구도 할 수 있는 환경이 되었다.

미국에서만도 인공위성의 개발로 소형전자 회로의 보급과 의학기기에의 응용 등 60년에 1만 2천 가지의 새 제품 또는 새 기술을 실생활에 보태 주었다.

미국의 아시모프(Asimov) 박사는 "우주는 우리들에게 한없는 이익과 은혜를 가져다 줄 뿐 아니라 은하계와 같은 대우주에 발을 내딛는 가능한 출발점이기도 하다. 그 이용을 망설였다는 얘기를 우리 후손이 듣는다면 아마도 경악할 것이다. 우리의 조상들이 만일 동굴 생활에서 불의 사용을 망설였다면 우리는 오늘날 이만한 문명도 이룩하지 못하였을 것이다."라고 말하고 있다. 인공위성이 앞장선 우주 시대는 전쟁 억제에도 얼마간 도움을 주었을 뿐 아니라 인류의 연대감을 키우는 데에도 더없는 계기가 되고 있다.

앞으로도 우주개발 계획은 계속될 것이며, 우주는 우리에게 보다 더 큰 혜택을 가져다 줄 것으로 기대된다.

관측 로켓에 의한 우주 연구

觀測 rocket－宇宙硏究각국의 과학 연구 기관은 각종의 과학 관측 장치를 탑재한 로켓을 지구 대기권 위로 높이 쏘아올려서 우주 공간 또는 고층 대기의 과학 관측을 하고 있다. 이것을 관측 로켓이라고 부르는데 관측 로켓은 수직 방향으로 쏘아올려져서 상승하면서 관측을 하고 낙하 중에도 다 타 버릴 때까지 관측을 계속한다.

인공위성의 궤도는 백수십km 이상이 되어, 그 관측은 지구 표면과 수평한 방향만이 가능하다. 기상 위성처럼 지구면을 내려다보는 꼴로 관측하는 경우도 있지만, 이른바 수직 방향의 종심단면(縱深斷面)의 관측은 관측 로켓에 의존하는 수밖에 없다.

관측 로켓이 아니면 관측할 수 없는 것들은 여러 가지가 있으나 특히 중요한 것은 고층 대기의 연구이다. 현재 주로 쓰이고 있는 고(高)고도 대기의 관측은 기구(氣球)에 라디오 존데를 달아서 날리고, 지상의 레이더로 기구를 추적하면서 그 흐르는 모양을 살펴보고, 고공(高空)의 바람을 측정함과 동시에 라디오 존데로 온도나 기압에 대한 정보를 보내 오는 방법으로 행해지고 있다. 그러나 기구 존데로 측정할 수 있는 것은 고도 30∼40km가 한도이며, 또 기구는 곧바로 레이더로 추적할 수 없는 수평선 저쪽으로 떠가 버리므로 관측 범위도 한정되어 있다. 기상 로켓은 이 존데를 머리 부분에 달고 고도 60∼80km까지 상승, 거기서 낙하산을 펴고 존데를 작동시키면서 서서히 강하하면서 관측데이터를 보낸다.

지상 레이더는 이 데이터를 수신하여 낙하산이 흘러가는 방향에서 바람을 측정한다. 이 밖에 로켓을 쏘아올려 나트륨 증기를 고공에 뿌리고, 그 흐르는 모양을 지상에서 관측하는 방법, 그리고 채프라고 하는 얇은 테이프를 고공에 뿌리고 이것을 레이더로 추적하는 방법도 있다.

전리층(電離層)은 원거리 통신에서 중요한 역할을 한다. 전파의 굴절은 전리층에 존재하는 이온(ion)의 수에 따라 변화하며 이온의 수는 또한 태양 활동에 따라서 변한다. 이온의 수가 극도로 많아지면 보통은 꿰뚫고 나가 버리는 텔레비전 전파까지도 되쏘는 일이 있을 만큼 변화가 심하다.

이렇게 변화가 심한 전리층의 특성을 수평 방향으로 탐색하는 외에 고도별로 이온의 단위 면적당의 수를 관측 로켓으로 자세히 관측하는 방법이 세계적으로 행해지고 있다. 전리층 탐색 위성은 캐나다나 영국 등의 나라에서 만들고, 이를 미국 로켓이 쏘아올리고 있다.

이 밖에 남극에서는 오로라(aurora)를 볼 수 있으나 이것을 보다 자세하게 관측하기 위해서는 로켓을 오로라 속으로 쏘아올려서 조사하기도 한다. 앞으로도 관측로켓은 계속 발사되어 지구대기권과 전리층 등의 연구에 이용될 것이다.

인공위성의 원리

人工衛星－原理

인공위성은 어째서 지구 방향으로 떨어지지 않고 궤도를 도는 것일까？ 얘기를 간단하게 하기 위하여, 지구가 완전한 구체(球體)로 표면에 요철(凹凸)이 없고 또한 저항을 일으키는 공기가 없는 것으로 한다. 〔그림〕-23과 같이 원의 접선에 나란한 현(弦)을 그어 지름을 2등분하면 접선의 길이는 이 두 부분의 길이의 비례중항(比例中項)과 같다는 정리에서 로켓을 지구 표면의 어느 점에서 수평으로(χ의 방향으로) 발사하면 로켓이 나아가는 수평거리 χ는 지구의 중력에 끌려서 낙하하는 거리 S와 지구의 지름(6.378km×2≒12,700km)과의 비례 중항과 같다는 것이 된다. S는 4.9m이므로 로켓이 1초간에 7.87km 수평으로 비행하는 속도, 즉 초속 약 8km로 보면 로켓은 매초 4.9km의 비례로 지구 표면을 향하여 계속 낙하하는 것이 된다.

그러나 지표면은 구면인 데다가 만곡(彎曲)되어 있으므로 로켓이 지구의 중심을 향하여 떨어지는 일은 없다. 바꾸어 말한다면 로켓이 지구의 중력에 끌려서 떨어져 버리지 않고 지구 상공을 계속 돌기 위해서는 초속 약 8km의 속도로 수평으로 발사되지 않으면 안 된다.

실제로는 지구 표면에는 산이나 골짜기가 있어 고르지가 않고 또 로켓의 속도를 저하시키는 저항이 되는 대기가 있기 때문에 정확한 속도의 계산은 보다 복잡하며 공기 저항을 받으면서 초속 약 8km의 속도를 유지하기는 곤란하므로 저항이 적어지는 고고도(高高度)에서 필요한 속도를 주어 앞에서 말한 원리로 인공위성을 만든다. 따라서 인공위성을 로켓으로 필요한 고도에까지 나르고 거기서 수평방향으로 필요한 속도를 주어서 올라간다는 단계를 밟는 것이다.

케플러의 3법칙

Kepler－三法則

인공위성의 궤도는 완전한 원이 아니라 대체로 타원이다. 독일의 케플러(Johannes kepler)는 행성의 궤도에 대하여 다음과 같은 3가지 법칙을 발표했는데 태양 대신에 지구, 행성 대신에 인공위성을 놓고 생각해도 이 법칙이 적용된다.

제1법칙

第一法則

행성의 궤도는 타원이고, 그 초점의 하나는 태양에 있다.

제2법칙

第二法則

태양에서 행성으로 그은 동경(東徑)은 같은 시간 동안에 같은 면적을 덮는다.

제3법칙

第三法則

행성의 주기 T의 제곱은 타원 궤도의 장축(長軸)의 2분의 1(a)의 3제곱에 비례한다.

케플러의 제1법칙으로는 궤도의 2개의 초점과 인공위성과의 거리의 합은 언제나 일정하다는 것이 되고, 제2법칙으로는, 인공위성이 지구에 가까운 궤도상의 점(가장 가까운 점을 근지점(近地點), 가장 먼 점을 원지점(遠地點)이라고 한다)에서는 그 속도는 빠르고 원지점에서 가장 늦어진다는 것을 알게 된다. 또한 제3법칙으로는 지구에 가까운 데서 궤도를 도는 인공위성이 지구를 한번 도는 데 걸리는 시간(주기라고 한다)은 먼 데를 돌 때보다 짧다는 것이 된다.

이상과 같은 원리 법칙으로 인공위성은 궤도를 비행하는 셈인데 만일 전혀 저항이 없다면 영원히 돌게 될 것이다. 그러나 실제로는 지구에서 상당히 먼 데까지 희박하지만 대기가 남아 있으며, 또한 지구 중력에도 농담(濃淡)이 있으므로 궤도의 고도가 낮을수록 위성의 에너지는 차차 줄어들어 이윽고 중력에 끌려서 낙하 소멸되어 버린다.

인공위성의 수명

人工衛星－壽命

일반적으로는 위성이 대기 속으로 재돌입하여 소멸할 때까지를 수명으로 생각하지만 인공위성은 궤도상에서 관측 또는 통신과 같은 일을 하기 위해서 쏘아올린 것이므로 주어진 일을 해낼 기능이 정지된 시점에서 수명이 다한 것으로 보아야 할 것이다. 관측과 같은 기능이 정지되는 요인으로서는 ① 탑재 전원(電源)의 소모, ② 송신기의 고장에 의한 통신 정지, ③ 태양 방사선과 같은 장해, ④ 미소(微小) 운석과의 충돌 등을 들 수가 있으나 첫번째 또는 두번째 경우가 많다.

1957년 10월 4일 러시아의 스푸트니크 1호 위성이 발사된 뒤로 1967년 10월 3일까지의 10년간에 미국에서 473개, 구소련에서 215개, 프랑스·기타 국가에서 12개, 도합 700개의 인공위성이 궤도에 올랐는데, 만 10년째인 시점에서 궤도를 돌고 있는 위성은 310개였다(그 후의 것에 대해서는 다음에 상술한다). 이 밖에 이들 인공위성을 쏘아올린 로켓의 찌꺼기와 1999년 현재까지 쏘아올린 로켓들

역시 궤도를 돌고 있다.

인공위성의 종류

人工衛星－種類

각국이 발사하는 인공위성에는 각기 특정한 사명이 부여되고 궤도는 사명 달성에 보다 편리한 것이 선택된다. 인공위성의 종류를 사명에 따라 대별한다면 ① 과학, ② 실용, ③ 군사, ④ 우주 공학, ⑤ 심우주(深宇宙) 탐사를 위한 출발용 등이지만, 그 중 두 항목 이상을 겸하는 경우, 예를 들면 ①＋②, ③＋④, ①＋⑤도 있다. ①＋②＋④의 예에서는 미국의 ATS 위성 시리즈가 있으며 기상 관측 외에 각종 과학 관측이나 공학 실험도 실시하고 있다. 또한 최근에는 우주 실험실이라 불리는 다목적 인공위성도 지구를 선회하고 있다. 따라서 최근의 인공위성은 분명하게 사명을 구별할 수가 없게 되어가고 있다. 이것은 탑재 장치의 소형·경량화와 여러 관측 데이터의 송신기술 발달 등을 말해 주는 것이다. 지금까지 지구 궤도로 쏘아올려진 인공위성은 4,000여 개에 이른다. 인공위성을 쏘아올린 나라들은 미국·러시아를 비롯하여 영국·프랑스·일본·중국·한국 등 20여개국에 이른다. 이들 인공위성을 사명별로 좀더 자세히 알아보자.

과학 관측 위성

科學觀測衛星

초기의 인공위성의 사명은 지구 주변의 환경 조사였다. 미국이 최초로 발사한 인공위성 익스플로러 1호는 지구 상공에 반 알렌대(帶)의 존재를 확인하는 실마리를 가져다 주는 등 극적인 효과를 보여 주었다. 그 후 각국은 이 방사능대의 성인(成因)을 조사하고 태양 활동과의 관련도 연구하고 있다. 또한 통신과 밀접한 관계를 가진 전리층 방사능대의 성인을 이루는 지구 자장(地球磁場)·우주선·태양·플라스마(plasma) 등이 집중적으로 관측되고 있다. 그 성과는 매년 개최되는 국제 우주공간 연구위원회(COSPAR)의 총회에서 각국 과학자들에 의해서 보고된다. 최근에는 스카이 랩(Sky Lab), 헬리오스(Helios), 우루(Uhruh), OSO·OAO 등의 인공위성이 태양과 천체의 관측과 각종의 물리·화학·생물학적 실험을 하고 있다.

실용 위성

實用衛星

현재 대륙간 통신 중계 업무를 하고 있는 이른바 통신위성, 궤도상에서 지구 표면의 구름의 분포나 기압 배치 같은 것을 관측하여 광역 기상 데이터의 공급을 하고 있는 이른바 기상위성, 표지(標識)가 되는 전파를 궤도상에서 발신하고 이것을 수신하여 현재 위치를 측정하는 목적의 항행(航行)위성, 지구의 부존 자원의 분포를 조사하는 자원위성 등이 직접 실용 목적을 가진 위성이다.

통신위성은 국제 통신위성기구(약칭 INTELSAT)에 의해서 세계적인 통신망이 수립되어 있다. 지금까지 쏘아올려진 위성의 14％ 가량이 통신위성이다. 기상위성은 보통 2대의 텔레비전 카메라를 싣고 1변이 약 3,200㎞인 지구 표면의 사진(길이 3.2㎞짜리까지 검출 가능)을 촬영하고, 구름의 분포를 측정한다. 또한 적외선 검출기로 지구가 방사하고 있는 에너지를 측정한다.

항행위성은 자신이 발신하는 전파의 도플러 효과에 의하여 해상 또는 해중(海中)의 함선(艦船)이 자기의 현재 위치를 계산 측정하는 것으로서 같은 것에 항공위성이 있다.

군사용 위성

軍事用衛星

군사시설의 정찰을 위하여 저고도(低高度)로 목적지 상공을 날며 사진 촬영을 해서 정보를 지구로 송신하는 것이다. 공격을 노리는 것으로 러시아의 FOBS(준궤도 폭격 시스템의 약칭)는 궤도를 돌고 있는 동안에 목적지 부근에서 궤도를 벗어나 폭격을 한다고 한다. 이 밖에 핵병기의 지상 또는 고공에서의 폭발 실험을 감시하는 탐지용의 것도 쏘아올려지고 있다. 미·러가 쏘아올린 위성의 약 60％가 군사위성으로 러시아의 코스모스(cosmos) 위성들이 그 대표적인 것이다.

우주공학 실험 위성

宇宙工學實驗衛星

사람을 태우고 발사하기 전에 같은 종류의 위성을 무인 또는 동물을 대신 태우고 쏘아올려 그 기능을 테스트하는 등의 공학적 실험을 행하는 위성으로 그 수가 많다. 미국의 ATS위성과 같이 장래의 실용 위성에 탑재 예정인 기능을 몇 가지나 혼재(混載)하고 테스트하는 것도 있다.

심우주 탐사 출발용 위성

深宇宙探査出發用衛星

이른바 궤도 스테이션으로서는 거기서 달이나 행성 등을 탐사하는 우주선을 발진시킬 수 있고, 또 각종의 과학 실험을 할 수 있는 것으로 궤도에 조립될 예정으로 있다.

이상의 각종 각양의 인공위성은 지상 기지에서 추적된다. 추적은 전파 같은 것에 의한 표정(標定)으로 행해지지만 각국에서는 자국에서 발사한 위성의 궤도 요소를 각국의 천문대 등에 보고하여 감시 추적을 의뢰하는 일도 이루어지고 있다.

행성간 비행의 원리

行星間飛行－原理

지구를 출발하여 태양계의 행성에 우주선(宇宙線)을 보내기 위하여 지구에 대하여 우주선이 쌍곡선 궤도를 갖게 하여야 하는데 그러기 위해서는 이른바 탈출 속도보다 큰 속도를 부여하지 않으면 안 된다. 즉 이 비행 코스는 지구 부근에서는 매우 깊은 곡선을 가지며 지구에서 멀어짐에 따라 지구와 상대적으로 일정한 속도로 거의 직선적이 아니면 안 된다.

이와 같은 비행을 해야만 하는 이유는 현재의 로켓으로는 우주선을 다른 행성으로 보낼 때 거기에 필요한 에너지의 최소한밖에 줄 수가 없기 때문이며 또 발사의 타이밍도 지구와 상대 행성의 상대 위치를 잘 고려하지 않으면 안 된다. 이 최저 에너지로서의 비행에서는 금성까지 평균 146일, 화성에는 평균 259일이 걸린다.

만일 앞으로 무한에 가까운 시간 작동을 계속할 수 있는 로켓이 개발되었다고 치고, 계속 1G의 가속도를 유지할 수가 있다면, 지구를 출발한 우주선은 단 2일에 화성에 도착한다. 그러나 현재의 로켓은 가속도 유지 시간이 겨우 수분 동안에 불과하므로 그와 같은 로켓의 출현은 아직도 요원하다.

행성간 비행을 보다 구체적으로 알아본다면 지구에서 다른 행성으로의 비행은 다음 5단계로 나누어 생각할 수 있다.

로켓 동력 비행

지상에서 쏘아올린 뒤 일반 인공위성 궤도에 일단 올려놓는다(파킹 궤도라고 한다). 지구 둘레를 15∼20분 돌고 나서 일정한 방향으로 일정한 속도로 가속한다. 〔그림〕-25와 같이 우주선을 지구의 낮쪽에서 가속해 주면 금성 방향에, 또 밤쪽에서는 화성으로 향하게 된다. 지구는 태양의 둘레를 초속 29.77km의 고속으로 궤도를 공전하고 있으므로 우주선의 가속되는 방향은 당연히 이것을 고려해서 하지 않으면 안 된다.

즉 우주선은 파킹 궤도에서 이미 초속 29.77km의 속도를 가지고 있으므로 밤쪽에서 그 속도에 초속 약 2.44km의 속도가 더해지도록 가속해 주면 우주선의 궤도는 지구 궤도에서 빗나가서, 근일점(逸日點)은 지구 궤도상에, 또 원일점(遠日點)은 약 2억 3,700만km의 거리에 있는 타원 궤도가 된다. 화성의 궤도 반경은 평균 2억2,800만km이므로 우주선 궤도의 장축(長軸) 쪽은 화성 궤도에 접하고 그 접한 곳에 마침 화성이 있으면 명중(命中)하게 된다.

또 반대로 낮쪽에서 우주선의 속도가 지구 공전 속도보다 초속 약 2.44km만 낮아지게 우주선을 가속해 주면 원일점은 지구 궤도상에, 근일점은 약 1억8,200만km의 궤도상의 점이 되어 평균 반지름 1억8,000만km의 금성 궤도에 각각 접하게 되며 접한 점에 금성이 있으면 명중하게 된다. 이와 같이 로켓 동력 비행의 종기(終期)에 우주선에 부여하는 속도와 방향의 정밀도의 문제는 행성간 비행에서 지극히 중요하다.

지구 인력의 영향을 받으면서 무동력 비행

우주선은 지구에서 100∼160만km 멀어질 때까지 지구 인력의 영향을 받아 차츰 그 속도가 줄어든다.

태양 인력의 영향을 받으면서 무동력 비행

모든 행성간 우주선은 일종의 인공 행성으로서 태양을 중심으로 하는 궤도를 돈다.

목표 행성의 인력을 받으면서 근접 비행

목표로 하는 행성에 접근하면 그 인력에 의하여 우주선의 속도는 차츰 증가한다.

목표 행성의 대기권에 돌입 비행

인공위성이 지구의 인력에 끌려 대기권에 돌입하는 것과 같은 것으로서 감속 수단을 강구하지 않으면 타 버릴 가능성이 있다.

이상과 같이 행성간 비행의 성공의 열쇠는 지구 공전 궤도로부터 목표 행성에 향할 때의 이른바 발사 속도와 방향이 계산대로 이루어지는 것이다. 발사 속도를 11.2km라 할 때 만일 그 속도에 초속 6km의 오차가 있으면 금성에 접근했을 때의 편차는 약 40만km가 된다.

금성의 직경은 1만 2,220km이므로 편차를 금성 반지름인 6,110km 이내로 줄이지 않는다면 금성에는 착륙할 수가 없다는 계산이 되며 이것을 역산하면 초속 11.2km에서 허용되는 오차는 초속 9cm 이내라고 하는 초정밀도(超精密度)가 요구되는 것이다. 이와 같은 속도 오차의 검출은 지극히 어려운 일이고 거기에 발사 각도의 오차까지 고려한다면 한층 더 기술이 요구된다.

행성간 통신 기술

行星間通信技術

행성간 관측용의 우주선을 많은 노력을 들여 비행시키는 데 성공하더라도 관측 데이터를 정확히 지구로 보낼 수가 없다면 그 우주선은 쓸모가 없게 된다. 또한 지구와 우주선과의 사이의 무선 연락이 단절되면 우주선이 목표인 행성에 도달했는지의 여부도 확인할 수가 없다.

우주선에 실을 수 있는 송신기와 그 전원(電源)의 크기나 출력에는 한도가 있으므로 그 범위 내에서 될 수 있는 대로 대량의 관측 데이터를 정확히 보내는 데에 노력한다. 그래서 이들 데이터를 0과 1의 조합 부호로 고쳐서 보낸다. 이것을 비트(beat)라고 하는데 비트는 질문에 대한 '예' 또는 '아니오'와 같은 것으로 생각하면 좋다. 텔레비전 영상 또한 0과 1의 조합으로 부호화되어 있다.

데이터의 송신 능력은 1초간에 몇 비트라는 식으로 표현되지만 일정한 거리에 떨어져 있는 수신기로 수신되게 하기 위해서는 매초의 비트 수에 따라 어떤 일정한 전력 이상의 출력으로 송신하지 않으면 수신기 자체나 그 밖의 잡음과 데이터가 식별되지 못하게 된다. 매초 100비트로 보내기 위해서는 매초 1비트일 때의 100배의 전력으로 보내야만 하는 것이다. 보통 텔레비전 방송에서는 매초 700만 비트의 율로 화상(畵像)을 보내지만 송신소에서 직선으로 약 160km 떨어진 곳에서 가정용 안테나로 수신될 수 있게 하기 위해서는 50kw 이상의 송신 전력이 필요하다.

이에 대해서 행성간 비행의 우주선과 지상 기지에서는 송달 거리가 그 100만 배인 1억6,000만km 이상이 요구된다. 일반적으로 말해서 데이터 송달에 필요한 전력은 거리의 제곱으로 늘려 주지 않으면 안 된다. 거리가 100만 배라면 전력은 1조 배로 하든가 혹은 데이터를 보내는 시간율(時間率)의 양을 1조분의 1로 하지 않으면 안 된다. 즉 보통 텔레비전 수상기가 1초간에 받는 신호를 보내기 위해서 몇 백년이나 걸려야만 한다는 셈이 된다. 시간 단축에는 전력을 크게 할 수밖에 도리가 없지만 전기한 바와 같이 우주선의 전원 탑재 능력에는 중량상으로 한도가 있다.

1967년 6월 14일에 발사되어 그 해 10월 19일에 금성 표면 가까이를 비행하면서 금성을 탐사한 미국의 매리너 5호 우주선은 합계 1만 7,640장의 태양 전지(電池)를 4장의 패널에 발라서 이것으로 태양 에너지를 받아 발전하고 있지만 그 전력(電力) 공급은 지구 부근에서 370와트(W) 금성 가까이에서 555W로, 패널의 표면적 1㎡당 90W 정도의 미력한 것이다. 이 전력은 우주선 내의 모든 기계를 움직이는 데 배분하지 않으면 안 되므로 결국 데이터 송신기에 쓸 수 있는 것은 최대 10.5W에 불과하다.

이와 같은 적은 전력으로 될 수 있는 대로 많은 데이터를 보내기 위해서는 안테나의 효율을 높이는 수밖에 없다. 말하자면 전파의 폭이 확산하지 못하게 아주 가늘게 죄어서 지구의 방향으로만 전파가 나아갈 수 있도록 해준다. 안테나는 전파가 한 방향으로만 집중 방사하도록 수렵시키기 때문에 포물선상(抛物線狀)의 곡면을 지니게 되지만 그 지름은 사용 전파의 파장의 2분의 1로 해 준다. 미국항공우주국 (NASA)의 행성간 통신에는 2,000MHz(메가헤르츠) 정도의 주파수를 쓰기로 되어 있으므로 안테나의 지름은 약 60cm 정도의 것이 필요하다.

2,000MHz라고 하는 높은 주파수이면 현재 상태에서 반도체를 송신용으로 쓸 수 없어 진공관을 쓰지만 진공관의 효율은 25% 이하이므로 설사 100W의 전력을 걸어도 실제의 출력은 25W 이하가 되어 버린다.

그래서 실효(實效) 출력을 25W로 하고 데이터 송달 능력을 매초 25비트로 한다면 우주선의 안테나의 지향성에 따라 이득을 100배로 할 필요가 있다. 지극히 가는 폭의 전파를 지상에서 잡기 위해서는 결국 초고성능의 지상 수신 장치가 소요된다는 것이다. 그리고 큰 지름의 안테나를 설치하여 이것으로 수신 이득을 꾀하자는 것이 된다. 가령 직경 60m인 큰 안테나가 있다고 한다면 그 이득은 10만 배가 되므로 출력 25W 매초 25비트의 신호는,

우주선 안테나 이득 100배×지상 안테나 이득 10만 배×지상 수신기 이득 1,000배＝약 100억 배의 이득으로 하여 겨우 지상에서 수신이 가능하게 된다. 만일 데이터가 텔레비전 화상(畵像)이라 한다면, 매초 25비트로 보낸다고 쳐서 1장당 3시간 남짓으로 수신할 수 있다는 결론이 된다.

행성의 탐사

行星－探査

최초의 인공위성 발사에 성공한 구소련은 재빨리 행성 탐사에도 관심을 기울여 1961년 2월 14일에 금성 1호를 금성을 향하여 쏘아보냄으로써 행성 탐사의 문을 열었다. 그 후 미국도 이 분야에 관심을 보여 그 다음해에 매리너 1호를 금성으로 보내어 행성 탐사 경쟁에 뛰어들었다. 그러나 이들 미·소의 최초의 행성 탐사선들은 모두 실패로 끝났다.

미·소 양국은 이 최초의 실패에도 낙담하지 않고 계속해서 우주선(宇宙線)을 수성·금성·화성·목성·토성 등에 보냈으며 지금까지 약 30여 개의 우주선이 이들 행성을 탐사하였다.

이 많은 우주선 중에는 로켓의 실패한 전파에 의한 통신 두절 등으로 실패로 끝난 것도 여럿 있으나 성공적으로 임무를 수행하여 새로운 관측 정보와 사진 등을 보내 와서 오랫동안 수수께끼로 남아 있던 행성에 대한 여러 가지 궁금증을 풀어주었다. 대부분의 우주선은 행성의 수천km 밖에까지 접근하여 대기의 구성과 이동 상태, 자력의 세기, 표면의 생김새와 구성, 온도·압력 등을 측정하였다. 구소련의 금성호와 미국의 파이어니어 비너스호 등은 금성에 연착륙하여 대기와 표면을 탐사하였고 1977년에는 바이킹 1과 2호가 화성에 연착륙하여 수개월 동안 생명체의 유무를 포함한 여러 가지 실험을 하고 그 결과를 우리에게 알려 왔다.

행성탐사는 앞으로도 계속될 예정이며 지금 이 순간에도 파이어니어와 보이저 등의 우주선이 목성과 토성 등 태양계 외곽의 행성을 향하여 비행을 계속하고 있다.

금성의 탐사

金星－探査

금성은 태양계의 행성 중에서 지구와 가장 비슷한 행성으로 미국·구소련이 우주개발을 시작하면서부터 우주선(宇宙線)에 의한 금성 탐사를 시도하였다.

1961년 2월 12일 구소련이 금성 1호(Veneral)라는 무인 탐사선을 발사했으나 송신기 고장으로 실패하였다.

1965년에 구소련이 쏘아보낸 금성 2호, 3호는 금성까지 비행은 하였으나 관측은 실패하였다.

1967년 6월이 되어 미국과 구소련이 함께 재차 금성 탐사용 우주선 매리너 5호와 금성 4호를 잇달아 발사하여 모두 금성으로 향하는 비행 코스를 타는 데 성공시켰다. 그 해 10월 13일에는 구소련의 금성 4호가 금성을 둘러싸고 있는 두꺼운 대기 속으로 돌입하여 그 표면에 파라슛으로 착륙하는 데에 성공했다. 또 2일 후에는 미국의 매리너 5호도 동 2호 때보다 훨씬 가까운 거리인 약 4,000km 부근을 통과하면서 관측하였다. 금성 4호는 1,106kg, 매리너 5호는 그의 약 4분의 1인 245kg의 무게로 많은 종류의 관측 장치를 가지고 금성의 상태를 관측했다.

그 후 구소련이 1969년에서 1975년까지 금성 5, 6, 7, 8, 9, 10호를 금성 표면에 연착륙시켜 금성의 대기권을 관측하고 표면의 사진을 보내 왔다.

미국의 매리너 10호는 1973년 말에 금성과 수성에 근접 사진을 촬영하는 데 성공하였다. 1978년에 발사된 파이어니어 비너스 A와 B호는 금성 주위를 돌면서 금성의 온도·구성 물질·밀도·대기 분포 등을 조사하였다.

그 결과 금성을 싸고 있는 두꺼운 대기의 조성(組成)은 대부분 탄산가스(구소련의 데이터에서는 90∼95%, 미국 것으로는 72∼87%)로 되어 있으며 나머지는 거의 질소이며, 수증기는 극소량이라는 것을 알게 되었다.

파이어니어 비너스호의 관측에 의하면 금성 대기중에 아르곤36 함유량이 지구의 백 배 정도로 많아 금성이 지구와 다른 생성 기원을 가졌을 것으로 추측된다. 또 앞에서부터 고온 고압이리라고 추정되어 오던 금성 표면의 온도가 400℃ 이상으로 납이나 아연을 녹일 수 있을 정도이고 기압은 지구의 백 배 정도가 된다는 것도 확인되었다.

금성의 표면은 건조하고 황폐하여 마치 암석이 깔린 사막처럼 울퉁불퉁하나 지구의 배경에 비하여 산이 적다. 또한 얕으면서 거대한 여러 개의 분화구와 거대한 화산도 갖고 있다. 또 길이 1,000km, 폭 100km에 2km 정도의 깊이를 가진 한 개의 골짜기도 발견되었다. 그리고 금성의 상공에는 지구의 그것과 같은 방사선대가 없다는 것, 즉 금성의 자장(磁場)은 굉장히 약하여 거의 없는 것과 같다는 것이 확인되었다.

화성의 탐사

火星－探査

화성의 탐사에도 미국과 구소련이 각각 관심을 기울여 우주선을 발사하였으나 초기에는 모두 실패로 끝났다. 1965년 7월 14일에 미국의 매리너 4호가 화성 표면에서 약 1만 2,250km 상공까지 접근하여 20여 장의 화성 표면 사진을 지구로 보내는 데 성공하였다. 1969년과 1971년에는 미국의 매리너 6, 7, 9호가 각각 화성을 통과하거나 주위를 선회하면서 사진을 보내 왔다.

구소련도 1971년에서 1973년까지 화성 2, 3, 4, 5, 6, 7호 등을 화성에 보내 연착륙시키든가 주위를 선회하는 인공위성이 되게 하여 여러 가지 과학적인 조사를하였다.

그러나 화성 탐험에 있어 가장 획기적인 사실은 1976년에 바이킹 1과 2호가 화성에 연착륙하여 생명체 탐사를 비롯한 각종의 과학 탐사를 한 것이다.

당시 약 10억 달러의 비용을 들여 만든 바이킹 1호와 2호는 1976년 7월 4일과 8월 7일에 각각 화성 표면에 연착륙하였다. 이들은 착륙하자마자 컬러 사진을 전송(電送)해 왔는데, 이 사진들에 보이는 화성 표면은 붉은 색깔의 고운 흙으로 덮여 있으며, 수많은 암석과 흙덩이가 흩어져 있어 마치 지구의 황폐한 사막 지대를 연상케 하였다.

화성의 하늘은 진분홍색을 띠고 있음이 알려졌다. 바이킹의 착륙선은 생명체의 유무 조사를 비롯한 화성 표면의 탐사와 대기권 조사, 무기화학 시험, 지진 조사, 토양 채취 실험과 모래의 자성(磁性) 시험 등을 수행하고 화성 궤도를 선회하는 모선(母船)은 영상화(映像化) 실험, 적외선 열지도(熱地圖)작성, 수증기 검출 등의 조사를 하였다. 바이킹 탐사선은 화성에 생명체 존재의 증거를 발견하지 못하여 사람들을 한때 실망시켰으나 그렇다고 확실히 생명체가 없다는 결론을 내리지도 못하였다.

화성 대기는 95%가 탄산가스이고 3%가 질소, 15%가 아르곤으로 구성되어 있으며 평균 기압이 7.7밀리바로 지구의 144분의 1에 불과하고 풍속은 매초 약 7m 정도이다. 표면 온도는 낮아서 평균이 영하 40도이다.

목성과 먼 행성의 탐사

木星－行星－探査

목성은 태양계에서 가장 큰 행성으로 태양과 마찬가지로 주로 수소와 헬륨으로 이루어져 있다.

미국은 1972년과 1973년에 파이어니어 10과 11호를 목성으로 보내 이 신비스런 행성 탐험의 문을 열었다. 이들 우주선은 1년에서 2년에 걸린 항진 끝에 목성 근처 16만 km까지 접근하여 목성의 사진을 비롯한 자장의 세기와 대적점(大赤點), 온도 등을 관측하여 그 데이터를 지구로 보내 왔다.

파이어니어 관측 데이터에 의하면 목성은 내부 온도가 약 3만 도이고 표면 온도는 섭씨 영하 1백 58도로 낮다. 목성에서는 높은 에너지의 전자와 양자가 방출되고 있다고 한다. 목성의 대적점은 초대형의 태풍임이 밝혀졌고 목성의 자기는 지구의 1백만 배로 강하며 목성 주위에는 강한 방사선대가 있음이 알려졌다. 파이어니어는 목성을 지나 토성과 해왕성에도 접근하여 관측 데이터를 보내 왔다.

미국은 파이어니어에 이어 1977년에 보이저 1호와 2호를 목성과 그 외곽의 행성을 향하여 쏘아 보냈다. 이 우주선들은 텔레비전 카메라, 우주선(宇宙線) 측정기, 자기 측정기, 적외선 분광기, 전파 수신기 등의 관측 장비를 갖추고 있는데 1979년과 1980년에 목성과 토성의 20여만km까지 접근하여 목성의 대적점과 토성의 띠와 위성 등을 관측하고 해왕성을 거쳐 1986년에는 천왕성에 도착하여 관측자료를 보내올 계획으로 있다. 우주선의 이 관측 자료로부터 태양계의 기원을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대된다.