위성을 움직이게 하는 연료는 무엇이며 어떤 원리로 움직이나요?

 

우주에 있는 위성은 어떤 연료를 사용하며 어떤 원리로 움직이나요?

위성은 다양한 추진 시스템을 활용하여 우주 공간에서 궤도를 조종하고 유지합니다. 다양한 위성 중 COMS(Communication, Ocean, Meteorological Satellite)라고도 알려진 한국의 정지궤도 위성인 천리안 위성은 어떤 연료를 사용하는지 알아봅시다.

위성은 공학의 복잡한 경이로움이며, 위성의 기능을 가능하게 하는 중요한 요소 중 하나는 추진 시스템입니다. 위성의 추진 시스템은 궤도 기동을 시작 및 유지하고 정확한 위치 지정을 보장하며 전반적인 임무 성공을 촉진하는 역할을 합니다. 한국항공우주연구원(KARI)이 개발한 천리안 위성은 운용상 필요에 따라 이중 추진체 추진 시스템을 사용합니다.

천리안에서 사용되는 특정 유형의 추진 시스템은 이중 추진 시스템으로 알려져 있으며, 추력을 생성하기 위해 두 가지 개별 화학 물질의 점화 및 연소를 제어하는 ​​방식입니다. 천리안의 경우, 선택된 추진제는 히드라진(N2H4)과 사산화질소(N2O4)입니다. 이들 화학물질은 서로 접촉 시 자연 발화하는 독특한 특성으로 인해 하이퍼골성 추진제로 분류됩니다. 이러한 특성은 진공 및 극한 조건의 우주 공간에서 구현하기 복잡할 수 있는 외부 점화원이 필요하지 않기 때문에 우주 응용 분야에 특히 유리합니다.

추진 과정은 위성 내 로켓 엔진의 연소실에 히드라진 연료와 사산화질소 산화제를 도입하는 것으로 시작됩니다. 접촉 시 하이퍼골산 반응이 시작되어 히드라진이 뜨거운 가스로 빠르게 분해되고 에너지가 방출됩니다. 이 에너지는 고속 가스 형태의 열 에너지와 운동 에너지의 형태를 취합니다.

뉴턴의 제3운동법칙은 이 단계에서 작용합니다. 이 기본 법칙은 모든 행동에는 동등하고 반대되는 반응이 있다고 명시합니다. 천리안 위성의 추진 과정에서 작용은 히드라진-4산화질소 반응에서 생성된 고속 가스를 배출하는 것입니다. 반응은 이러한 가스를 로켓 엔진의 노즐 밖으로 고속으로 밀어냅니다.

한 방향으로의 가스 방출은 추력이라고 알려진 반대 방향으로 해당 힘을 생성합니다. 이 추력은 힘을 질량 및 가속도와 연관시키는 뉴턴의 운동 제2법칙(F = m * a)에 설명된 원리를 따릅니다. 배출된 가스는 일정한 질량을 가지며, 로켓 엔진의 노즐에서 가속되면서 위성에 반대 방향으로 작용하는 힘을 생성합니다.

이 힘은 위성에 가속도를 가해 위성의 속도 벡터를 변화시킵니다. 추진 시스템 작동 기간과 강도를 제어함으로써 엔지니어는 생성되는 추력의 양과 그에 따른 위성의 가속도를 조절할 수 있습니다. 이러한 수준의 제어를 통해 위성의 속도, 방향 및 궤도 매개변수를 정밀하게 조정할 수 있으므로 다양한 궤도 기동을 실행하고 의도한 임무 목표를 달성할 수 있습니다.

 

천리안 위성은 연료로 히드라진, 산화제로 사산화질소와 같은 하이퍼골성 추진제를 사용하는 이중 추진제 추진 시스템을 사용합니다. 이러한 추진제의 제어된 점화 및 연소를 통해 위성은 뉴턴의 제3 운동 법칙에 따라 추력을 생성합니다. 이 추진력을 통해 위성은 속도를 수정하고 궤도 기동을 수행할 수 있으며, 궁극적으로 지정된 궤도 위치에 도달하고 통신, 해양 및 기상 기능을 실행할 수 있습니다.