위성 인터넷 서비스 스타링크를 운영하는 스페이스X를 시작으로 본격적인 우주산업의 보편화가 시작된 것 같습니다. 이번 포스팅에서는 인도의 한 스타트업이 개발하는 초저궤도 위성에 대한 IEEE Spectrum 글을 통해 관련 내용을 소개해 보도록 하겠습니다.
개요
초저궤도 위성은 발사 비용을 줄이고, 감지 및 통신 능력을 향상시킬 수 있습니다. 인도 스타트업인 벨라트릭스 에어로스페이스(Bellatrix Aerospace)는 고도 200km 이하에서 궤도를 도는 우주선을 계획하고 있으며, 2026년까지 첫 위성을 발사할 목표를 가지고 있다고 밝혔습니다.
일반적으로 고도 1,200km 이하를 저궤도(LEO)로 분류하지만, 벵갈루루에 위치한 벨라트릭스의 CEO 로한 가나파티(Rohan Ganapathy)는 지구 표면에 더 가까이 비행할 수 있는 위성이 여러 가지 이점을 제공할 수 있다고 설명했습니다. 예를 들어, 초저궤도 위성은 기후 모델링, 농업, 지도 작성과 같은 지구 관측 응용 분야에서 상대적으로 더 높은 해상도의 이미지를 제공할 수 있습니다. 또한, 저궤도는 지상 기지국과의 통신 지연 시간을 줄여, 6G 통신망을 지원하는 데 유리할 수 있다고 그는 덧붙였습니다.
이러한 고도에서는 위성이 대기 항력을 크게 받게 됩니다. 따라서 궤도가 “자가 청소” 기능을 하게 되어, 수명이 다하면 빠르게 지구로 떨어져 우주 쓰레기 문제를 줄일 수 있습니다. 그러나 초저궤도 위성을 유지하는 것은 기존 위성보다 훨씬 어렵습니다. 항력을 극복하려면 대량의 추진제를 실어 우주선의 엔진을 작동시켜야 하며, 이는 위성의 크기와 무게를 증가시키고 운영 기간을 제한하는 요인이 될 수 있습니다.
우주에서 공기흡입 추진 시스템
벨라트릭스는 상층 대기의 공기 입자를 수집하여 이를 추진제로 사용하는 혁신적인 공기흡입 전기 추진 시스템을 개발함으로써 이 문제를 해결했다고 밝혔습니다. 이 회사는 최근 벵갈루루에서 열린 스페이스 엑스포 2024에서 지상 테스트에 성공한 이 기술을 공개했습니다. 로한 가나파티 CEO는 “연료가 무한 공급되는 비행기와 같은 개념으로, 원하는 만큼 지속 운행할 수 있습니다”라며 “이 기술은 특히 6G, 사물인터넷(IoT), 초분광 이미징 분야에서 많은 새로운 기회를 열어줄 것”이라고 설명했습니다.
2015년에 설립된 벨라트릭스는 위성 추진 시스템 개발을 전문으로 하며, 올해 초 두 개의 엔진에 대해 우주 적합성 시험을 완료했습니다. 아르카 200(Arka 200)은 추진제를 이온화된 플라즈마로 변환하고 이를 가속하여 추력을 발생시키는 홀 효과(Hall-effect) 추력기를 사용합니다. 또한, 루드라(Rudra) 엔진은 기존 위성 추진 시스템에서 사용되는 유독성 하이드라진을 벨라트릭스의 독자적인 친환경 추진제로 대체한 것이 특징입니다.
그러나 가나파티 CEO는 벨라트릭스의 장기 목표가 항상 초저궤도 위성을 개발하는 것이었으며, 회사 창립 이후 이 프로젝트에 매진해 왔다고 밝혔습니다. 그는 “우리는 엔진을 만들기 이전부터 위성을 만들고 싶었습니다”라며 “하지만 이미 많은 업체들이 고도 위성을 개발하고 있는 혼잡한 시장에 진입하고 싶지는 않았습니다”라고 설명했습니다.
현재 벨라트릭스가 개발 중인 우주선은 길이 약 2미터로, 50~70kg의 탑재물을 실을 수 있습니다. 이 우주선은 태양 전지판 배열에서 1킬로와트 이상의 전력을 생산하며, 180km에서 200km 사이의 고도에서 작동하도록 설계되었습니다. 그러나 가나파티는 이러한 저궤도에서 비행하려면 두 가지 상호 연관된 문제를 해결해야 한다고 말했습니다. 첫째는 공기를 추진제로 사용하는 방법이고, 둘째는 그 고도의 희박한 대기에서 충분한 공기를 수집하는 방법입니다.
홀 추력기는 보통 제논(xenon) 같은 기체를 추진제로 사용하는데, 이는 이온화가 쉽고 화학적으로 안정적이며 고밀도와 고압으로 저장할 수 있기 때문입니다. 반면에, 공기 중의 질소와 산소를 추진제로 사용하려면 제논보다 훨씬 더 많은 에너지가 필요합니다. 가나파티는 이 문제를 해결하기 위해 벨라트릭스가 라디오파를 사용해 가스를 이온화한 후, 홀 효과 추력기로 가속하는 하이브리드 엔진을 개발했다고 설명했습니다.
공기 추진을 위한 혁신
상층 대기에서 충분한 양의 질소와 산소를 수집하고 이를 압축하여 저장하는 과정에서 몇 가지 혁신이 필요했다고 가나파티 CEO는 설명했습니다. 질소와 산소를 더 많이 수집하려면 위성의 공기 흡입구 크기를 늘려야 합니다. 하지만 흡입구가 커지면 위성의 항력이 증가하고, 더 큰 항력은 위성의 전체 연료 요구량을 증가시킵니다. 따라서 벨라트릭스는 이러한 상충하는 요소들을 균형 있게 해결하기 위해 위성과 흡입구의 크기와 모양을 신중하게 최적화해야 했습니다.
가나파티는 회사가 이 최적화 문제를 해결한 방법이 기업 비밀이라고 밝히면서도, 그 해결책의 일부는 수동 압축과 능동 압축을 결합한 기술이라고 언급했습니다.
회사는 지상에서 엔진 테스트를 수행해 공기를 효율적으로 이온화하고 궤도에서 위성이 충분한 추력을 얻을 수 있음을 입증했습니다. 하지만 압축 시스템을 테스트하는 것은 더 복잡하다고 가나파티는 말했습니다. 이는 상층 대기의 밀도에 대한 데이터가 부족하기 때문입니다.
내년에 벨라트릭스는 축소된 버전의 위성을 사용한 시연 임무를 계획하고 있습니다. 이번 임무에서는 엔진과 압축 시스템의 프로토타입을 테스트할 뿐만 아니라, 고도 200km에서 대기 조건에 대한 데이터를 수집하기 위한 다양한 탐사 장비를 탑재할 예정입니다. 또한, 벨라트릭스는 궤도 속도로 흡입구로 유입되는 입자를 시뮬레이션할 수 있는 전용 테스트 시설을 건설하고 있으며, 가나파티는 이 시설이 시뮬레이션을 검증하는 데 매우 중요할 것이라고 설명했습니다.
엔진은 이미 검증되었지만, 우주선 자체에 대한 추가 작업이 여전히 남아 있습니다. 주요 과제 중 하나는 대기 항력으로 인한 진동 증가를 처리할 수 있는 관성 항법 시스템을 개발하는 것입니다. 이는 특히 이미지 촬영 응용 분야에서 중요한 문제입니다. 가나파티는 “위성이 최대한 안정적이어야 하기 때문에 이를 달성하려면 유도, 항법, 제어 시스템에 많은 도전 과제가 따릅니다”라고 설명했습니다.
벨라트릭스는 2026년에 전체 규모의 시연을 목표로 하고 있다고 CEO는 말했습니다. 하지만 이 신흥 분야를 겨냥한 유일한 회사는 아닙니다. 플로리다의 레드와이어 스페이스(Redwire Space), 캘리포니아의 스카이온(Skeyeon), 영국의 뉴 오빗(New Orbit) 또한 매우 낮은 궤도에서 운영되는 위성을 적극적으로 개발하고 있습니다.
마무리
이번 포스팅에서는 벨라트릭스 에어로스페이스가 초저궤도 위성 개발을 위해 추진하고 있는 혁신적인 기술들과 그에 따른 도전 과제들에 대해 살펴보았습니다. 공기흡입 추진 시스템과 압축 기술의 개발, 그리고 대기 조건을 모니터링하기 위한 테스트 계획 등은 우주 산업의 새로운 가능성을 열어줄 중요한 발걸음입니다. 벨라트릭스가 목표로 하는 2026년의 전체 시연은 저궤도 위성 분야에서 커다란 변화를 가져올 것이며, 다른 경쟁 업체들과 함께 우주 탐사와 통신 기술의 진보를 선도할 것으로 기대됩니다.