물리현상의 원리 Gravity Application & Satellite 7조 오흥민/이진우/강승민 강동효/이창훈/송유진/한재성

Index Part 1. Gravity Gravity Force & g’s Using Gravity Space Industry Part 2. Satellite How ? Satellite Orbit Rocket Science

Gravity Force & g’s ¾ ton! 중력은 모든 물체에 작용한다는 것과 질량에 비례하고 거리의 역제곱에 비례한다는 것을 설명 g’s는 중력가속도로 모든 물체에서 동일하게 작용 g’s를 응용(F=wA 식)하여 물체를 가속시키는데 필요한 힘을 계산할 수 있다. W는 지구상에서의 무게, A는 중력가속도수(g’s number) 전투기조종사는 최대 9g의 가속도를 받는데 이 때 70kg 정도의 조종사는 0.75ton의 힘을 느낀다. ¾ ton!

Gravity Recovery And Climate Experiment Using Gravity 지표 아래에 있는 물질의 변화에 따라 중력이 달라지고 이를 관측하여 자원의 위치를 찾아내는 데에 사용할 수 있다. GRACE의 사진: GRACE는 중력의 변화를 관측하기 위해 쏘아 올려진 위성이다. Map:유카탄 반도의 칙술룹 분화구의 중력도이다. 높은 곳은 큰 중력, 낮은 곳은 작은 중력 ->미래의 대통령: 중력도를 이용해서 여러 은밀한 터널(땅굴)을 발견할 수 있다. Gravity Recovery And Climate Experiment

X-prize Space Industry -무중력상태에서는 더욱 완벽한 정밀제품을 만들 수 있다.(수정을 이용한 전자부품) ->현재는 우주에 올라가는 비용이 비싸서 발전되지 못하고 있다. -행성마다 중력이 다르다. ->미래에 다른 행성을 탐사 또는 개척할 때 고려해야 한다. -원심력을 이용해서 인공중력을 만들어낼 수 있다.(F=wA, g’s) ->콜로니를 만들 때 사용가능 -미국은 Astronaut wings 와 X-prize 를 통해 우주산업의 육성을 도모. ->단, 미래의 대통령은 단순히 우주로 올라가는 것과 궤도에 올리는 것은 25배의 에너지 차이가 난다는 것을 명심해야 한다.

Satellite 사과는 떨어지는데 왜 달이나 인공 위성은 지구로 떨어지지 않는가? 사과는 떨어지는데 왜 달이나 인공 위성은 지구로 떨어지지 않는가? Satellite 앞에서 우리는 중력을 이용한 응용기술들을 살펴보았습니다. 그중에서도 밤하늘을 보면 반짝이며 지나가는 그것, (세틀라이트 띄우고) 위성에 대해 알아보려고 합니다. 아시다시피 지구 상에 있는 모든 물체는 떨어집니다. 하지만, 위성은 떨어지지 않고 지구를 돌고 있죠. 그 이유가 무엇일까요?

중력을 구심력으로 하여 원운동 하기 때문이다 탈출 속도란 무엇인가? (이 페이지는 대충 설명) 지구 위에서 정지해있는 물체는 떨어지지만 일정한 속력으로 움직이고 있는 물체는 움직이고 있다. 왜 그런 것인가? 바로 물체가 떨어지게 하는 힘 , 중력을 구심력으로 하는 원운동을 하기 때문이다. 이 때 등장하는 탈출 속도라는 개념이 있다. 탈출속도란 중력의 속박으로부터 벗어 날 수 있는 , 원운동을 하게 되는 궤도에서 반지름이 무한대가 되게 하는 속도를 말한다.이 식은 중력에 의한 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하다는 것을 기준으로 끌어낸 식으로 두 에너지가 같을 때의 상황을 말해주기도 한다. 즉 ,탈출속도를 기준으로 더 작은 속력(운동에너지)를 가진 물체는 지구의 중력에 의해 원운동을 해야만 하고 그 속도에 따라 궤도가 달라질 수 있다. 그리고 탈출속도보다 더 큰 속력(에너지)를 가진 물체의 경우 무한대의 위치에서도 운동에너지를 가질 것이므로 중력의 속박을 벗어나 운동하게 된다. 이 때 우리가 신경써야 하는 것은 탈출속도 이상의 속력보다는, 탈출속도 아래에서는 속도 즉 에너지에 따라 원운동 반지름 즉 궤도의 높이를 결정할 수 있다는 것이다. 이 탈출속도와 자전속도가 같을 때는 정지위성, 즉 지구가 정지해있는 것처럼 보이는 계를 움직이는 위성을 만들 수 있고, 각 궤도에 따라 여러 용도의 위성들이 사용 될 수 있다.

위성도 떨어진다! 방금 보신 설명은 역학적 설명이고 옳지만, 에너지보존, 구심력, 중력에 의한 위치에너지 등의 개념이 쓰여서 금방 눈에 들어오지는 않습니다. 하지만 약간의 기교로 더 간단한 설명이 가능합니다. 돌멩이를 집고 하나를 수평으로 던져 보면 던지는 속도가 빠르면 빠를수록 더 멀리서 떨어진다는 것을 확인 할 수 있습니다. 이 때 돌멩이가 충분히 빨라서 지구가 굽는 만큼만 떨어진다면 물체는 결코 땅에 닿지 않을 것입니다! 이것이 위성이 되는 것이죠. 이 설명은 그림과 같이 달에도 적용가능합니다. 다음으로 위성이 도는 궤도에 대해 알아보겠습니다. 달도 떨어진다!

Satellite Orbits LEO(Low Earth Orbit Satellite) -100miles~200miles 상공 GEO(Geostationary Earth Orbit Satellite) -22000miles(약 36000km) 상공 LEO -한 바퀴 도는데 걸리는 시간은 약 90분 -속도 – 5miles/sec.(8.046km/sec) -주로 자원탐사, 군사목적으로 많이 사용 GEO -한 바퀴 도는데 걸리는 시간은 24시간 →지구자전속도와 동일 -속도 – 2miles/sec.(3.22km/sec.) -대부분의 방송, 통신위성

Spy Satellite -테러집단 등을 감시하고, 각 국의 군사력을 파악하는데 이용 -LEO 위성을 주로 사용(분해능을 높이기 위한 방법) ->2.4inches(사람도 구분가능) 특정 구역을 감시하려면 낮은 고도에서, 표면을 빠르게 지나가는 LEO 보다는 높은 고도에서, 한 곳에 머무는 GEO에 첩보위성을 쓰는 것이 좋을 것 같다고 생각할 수 있습니다. 하지만, GEO에서는 높은 고도로 인해서 렌즈에서의 굴절이 심해 조그만한 상을 구별하기 어렵게 됩니다. 따라서, 작은 물체도 비교적 정확히 볼 수 있는 LEO상에 감시위성을 올리는 것이죠.

MEO&GPS GPS - 초기에는 군사적 목적으로 개발됨 MEO는 LEO와 GEO의 사이에 위치합니다. 이 궤도는 위치를 추적할 때 흔히 쓰이는 GPS를 위한 위성들이 위치하게 됩니다. GPS에 의한 위치 측정은 그림과 같이 총 4단계로 구성됩니다.(그림을 보면서 설명한다).

과학기술 위성 1호 = 우리별 4호 (국내 기술 100%이므로 이름을 바꿈) 무궁화 6호 = 올레 1호 (KOREASAT) 우리별 1호 : 대한민국 최초 인공위성. 프랑스령 기아나 우주 센터에서 아리안 4호 로켓으로 발사. 이로서 우리나라는 세계에서 인공위성을 보유한 22번째 나라가 됨. 아리랑 : 한반도 관측위성, 태양궤도(지구를 돌면서 관측함) 무궁화 : 통신, 방송위성, 고정식 우리별 : 과학위성, 저궤도 (다른 위성은 2만-3만km에 비해 과학위성은 200-1000km에 있다) 한별 : 위성DMB를 위한 방송용 위성 (세계최초 DMB위성 SK텔레콤, 일본, MBC합작)

다목적실용위성 (아리랑 : COMPSAT) 아리랑 1호(1999. 12. 21) : 미국 캘리포니아주 반덴버그 공군기지에서 타우루스 발사체로 발사. 아리랑 2호(2006. 7. 28) : 러시아 플레세츠크 우주 기지에서 고체 연료 추진 방식인 로콧(ROCKOT) 발사체에 실려 발사. 국산 기술 비율이 70% 아리랑 3호(2012년 예정) : 일본에서 발사 예정 아리랑 5호(2012년 예정) : 러시아에서 발사 예정

과학기술위성 (우리별 : STSAT) 과학기술위성 1호(우리별 4호, 2003. 9. 27) : 러시아 플레세츠크 우주 기지에서 러시아의 COSMOS 3M 로켓에 의해 발사. 과학기술 위성 2호 부터 나로호를 타고 감 우리별123 KITSAT -> 우리별 4호 부터 과학기술위성 STSAT

통신해양기상위성 (천리안) 천리안(통신해양기상위성)(2010. 6. 26) : 한국항공우주연구원(KARI)에서 제작. 대한민국 최초의 기상 관측, 해양 관측, 통신 서비스 임무를 수행하는 정지궤도 복합위성. 프랑스령 기아나 우주 센터에서 아리안 5호 로켓으로 발사. 이로서 우리나라는 미국·중국·일본·유럽연합(EU)·인도·러시아에 이어 세계 7번째로 기상관측위성 보유국이 됨.

- 1차 발사 실패 원인 • 이륙 후 216초경 한쪽 페어링 미분리(Near 페어링) 발생 • 남아있는 페어링 무게로 인한 비행궤적 이탈 및 탑재위성 분리 시 위성 궤도 진입속도(8km/s) 도달 실패 -2차 발사 실패원인 아직 원인 규명이 명확히 되지는 않고 있음 러시아 : 하단 로켓을 제작 우리나라 : 상단 로켓(상단 로켓이 가스를 분사해가면서 자세를 교정해주는 역할을 함. 국내에서 처음 도입된 기술)상 상단 로켓이 자세제어를 잘못하면 궤도를 이탈할 수도 있음) 여담 : 1차 발사와 올해 2차 발사가 모두 실패했지만 두차례 모두 보험금 지급사유는 발생하지 않는 것으로 확인됐다. 이유는 나로호가 발사 되기 전에 문제가 생긴 경우 보상하는 보험만 가입했던 것. 정작 발사 후 궤도 진입에 실패할 경우에 대비한 보험상품에는 가입하지 않았다. 발사보험은 발사체의 발사대 결합 이후 정상발사 때까지 핵심부품 파손 등의 위험을 담보한다. 또 궤도보험은 인공위성이 발사체에서 분리돼 정해진 궤도를 벗어나거나 궤도 내에서 작동불능상태가 될 때 이를 보상한다. 항공우주연구원은 이번에도 보험요율이 높아 배상책임보험 외에 발사보험이나 궤도보험과 같은 발사후보험에 가입하지 않은 것으로 나타났다.

'나로'는 한국 최초의 우주발사체 'KSLV(Korea Space Launch Vehicle)-1'의 명칭 공모에서 선정된 것으로, 한국 우주개발의 산실인 나로우주센터가 있는 외나로도(外羅老島)의 이름을 따서 한국 국민의 꿈과 희망을 담아 우주로 뻗어나가길 바라는 의미를 담고 있다. [출처] 나로호 [羅老號, NARO ]

Rocket Science 연료무게 = 1931 ton 원리? 작용-반작용! 이제 위성의 궤도도 알았으니 위성을 궤도에 올려야 될텐데요. 궤도상에 위성을 올리는 데에 필요한 5 mile/sec 의 속력을 어떻게 얻을 수 있을까요? 다들 아시다시피 로켓을 이용하게 됩니다. 로켓의 기본원리는 작용-반작용입니다. 로켓에서 연소된 가스가 땅을 밀치면 그 반작용으로 날아가게 되는 것이죠. 현재 가장 많이 쓰이는 화학로켓은 아주 끔찍한 방법입니다.(말풍선) 이 무게는 68ton을 쏘아 올리는데에 필요한 연료량입니다! 배보다 배꼽이 큰셈이죠. 이 때문에 1kg 의 물체를 지구 저궤도에 올리려면 1 - 2.5 만 달러의 비용이 필요하게 됩니다.

차세대 로켓 이런 비효율적인 화학로켓을 대체하기 위해 현재 개발 중이거나 사용하고 있는 다른 방법이 있습니다. 우선, 기존의 로켓 추진 방식이지만 연료를 바꾼 경우가 있습니다. 1.원자력로켓: 매우 큰 에너지를 내지만 제어가 힘들다 2.이온 로켓: 적은 연료로 장시간 사용 가능하지만 출력이 작다 3.플라즈마 로켓: 이온엔진을 개선한 것으로서 이온엔진보다 더 큰 입자를 이용해 출력을 개선했다 4.레이저 추진: 레이저로 추진체를 가열해서 가열가스를 방출하여 추진. 추가적인 연료탱크가 필요하지만 연소부를 레이저가 대체해 총 무게가 많이 준다.

다른 방법? 또는 기존의 로켓 추진방식과는 다른 방법으로 위성을 올릴 수도 있습니다. 1.우주엘리베이터: 화학로켓에 비해 효율적이지만, 재료가 부족하다 2.비행기를 이용(비행기 밑에 미사일 같이 생긴 것이 위성 ‘페가수스’이다): 대형항공기로 고고도까지 상승한 후 위성을 발사하는 방식, 현재 30개의 위성이 이 방식으로 올려졌다 3.Mass driver:레일건의 원리, 무거운 연료통은 필요없지만 가속시설을 지을 이상적인 공간이 거의 없다.

Question? 지금까지 살펴보았듯이 이제 중력을 이용하고 우주를 개척하기에 이르렀습니다. 하지만, 아직 우주산업이 발달하기에는 많은 난관이 있습니다. 미래의 대통령은 지금 당장 개발비용이 많이 든다고 무조건 회피할 것이 아니라 좀 더 후를 생각하고 신중히 고려해야 할 것이라고 생각합니다. 이것으로 발표를 마치겠습니다. 감사합니다.

Thank YOU For LISTNING!