태양폭풍에 도요샛 고도 300m 낮아져…국산 큐브위성으로 항력 첫 분석 : 클리앙

태양폭풍에 도요샛 고도 300m 낮아져…국산 큐브위성으로 항력 첫 분석 | 뉴시스

2024년 5월 32시간 동안 분석…저궤도 대기저항 변화 정량화

도요샛 3기 궤도 비교…NASA 위성 관측값과도 상당히 일치

초저궤도 위성 설계·운용 활용 기대…후속 '도요샛2' 추진

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

20260827_SNIPE_인포그래픽_1.png

(슈퍼 태양폭풍 당시 도요샛 운용 가상도)

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

그림_2._그림_1의_상세_설명.jpg

(슈퍼 태양폭풍으로 증가한 대기 저항과 도요샛의 궤도 변화를 설명해 준다. )

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.

그림_5.jpg

(2024년 5월 초강력 태양폭풍(회색 음영 구간) 전후로 도요샛-가람(A, 파랑), 도요샛-나래(B, 주황), 도요샛-라온(D, 초록) 세 위성의 궤도 고도(위 2개 그래프), 대기 저항에 의한 궤도 에너지 손실률, 위성 궤도 자료(TLE)에서 얻은 대기 저항 계수, 대기모델(MSIS)이 예측한 대기밀도 변화(아래)를 함께 나타낸 그래프다. 태양폭풍이 절정에 이른 시점에 세 위성 모두 고도가 급격히 낮아지고 대기저항 계수와 대기밀도가 동시에 치솟았다가, 폭풍이 잦아들며 점차 평상시 수준으로 회복되는 모습을 확인할 수 있다. 이는 태양폭풍으로 인한 대기 팽창과 위성 궤도 감쇠가 서로 밀접하게 연동되어 있음을 보여준다.)

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.

그림_3._자세에_따른_대기_저항의_차이(도요샛-나래_vs_도요샛-라온).jpg

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

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.

그림_4.jpg

(슈퍼 태양폭풍 기간인 2024년 5월 11일 오전 6시 53분, 도요샛-나래가 우주공간에서 어떤 방향을 향하고 있었는지를 시뮬레이션 소프트웨어(STK)로 재현한 모습이다. )

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.

* 참고사항

○ 논문

- 제목 : Orbital decay of the three SNIPE CubeSats during the Super Geomagnetic Storm in May 2024

- 게재지 : Space Weather지* 2026년 8월 12일자 (https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2026SW005089)

*우주환경 관련 연구성과를 집중적으로 다루는 학술지로 미국 지구물리학회(American Geophysical Union: AGU) 에서 출판하는 영향력 있는 학술지

○ 연구진(국내 저자 8명 + NASA 저자 1명)

• 제1 저자: 송호섭 박사후연구원 (천문연)

• 공동저자: 금기환(천문연), 박재흥(천문연), 양태용(천문연), 손종대(천문연), 송영범(천문연), Yihua Zheng(NASA), 이대희(천문연), 이재진(천문연)

참고 2

참고 설명

□ 도요샛 위성

군집 편대비행을 통한 우주날씨 관측 임무 수행을 위해 한국천문연구원과 한국항공우주연구원이 공동으로 개발해 2023년 5월 25일 나로우주센터에서 누리호로 발사한 큐브위성군이다. 총 4기 (‘가람’, ‘나래’, ‘다솔’, ‘라온’으로 명명됨) 큐브위성 중 성공적으로 사출된 3기가 현재까지 지상국과 정상 교신 중이며, 그 중 2기(나래와 라온)는 과학 임무를 지속적으로 수행 중*이다.

* 다솔은 발사체로부터 사출에 실패했고, 가람은 전력 부족 문제로 본격 과학 임무 수행이 어려운 상황이나, 지난 3년간 꾸준히 지상국과 양방향 교신을 지속하며 위성 탑재 전자 부품들의 상태 변화 자료를 제공하고 있다.

도요샛의 설계 수명은 1년이지만, 나래와 라온 위성은 현재 3년 넘게 우주환경 감시의 주요 임무를 수행하고 있다.

□ 슈퍼 태양폭풍

2024년 5월 10일부터 12일까지(세계시 기준) 발생한 태양폭풍은 2003년 11월 이후 가장 강력한 우주폭풍으로 알려져 있으며, 연구자들 사이에서 슈퍼 태양폭풍(Super Solar Storm)으로 불린다. 이 기간에 우리나라 강원도를 비롯한 전 세계 여러 중-저위도 지역에서 오로라가 관측되어 세계적인 화제가 됐다. 일반적으로 슈퍼태양폭풍 기간에는 중-대형 위성들마저 다양한 동작 오류로 운용에 지장을 겪게 되지만, 도요샛은 이때 단 한 차례의 기능 이상이나 재부팅 없이 약 60시간 동안 우주 환경을 관측하는 데에 성공했다. 도요샛 연구진은 이미 2025년 7월, 해당 폭풍 동안 큐브위성 도요샛이 관측한 전자 온도 자료의 분석 결과를 미국 우주환경 전문 학술지 Space Weather 지에 논문으로 게재한 바 있다.

새로운소식

태양폭풍에 도요샛 고도 300m 낮아져…국산 큐브위성으로 항력 첫 분석