2007년 1월 11일, 고도 850 km 가까이에서 여덟 해 된 기상위성 하나가 부서졌습니다. 그해 말까지 미국 우주감시망이 목록에 올린 조각은 2,317개였고, 그 가운데 대기로 떨어진 것은 22개뿐이었습니다. 위성을 맞히는 데는 순간이면 충분했지만, 남은 조각은 거의 그대로 하늘에 남았습니다.
위성 하나를 부수는 시험이 왜 몇 년, 길게는 몇 세기짜리 문제가 될까요? 이 글은 지상이나 공중에서 쏘아 올린 요격체로 위성을 부순 공개 사례 가운데 다섯 번이 각각 무엇을 남겼는지 살피고, 같은 파괴라도 높이에 따라 결과가 크게 달라지는 까닭과 시험을 멈추자는 약속까지 따라갑니다.
위성 하나가 구름이 되는 순간
위성 요격(anti-satellite, ASAT) 시험 가운데 이 글이 주로 다루는 것은 직접 상승식(direct-ascent) 방식입니다. 지상에서 쏘아 올린 요격체가 궤도의 위성을 곧바로 맞히는 시험입니다.
맞은 위성은 한 덩어리로 남지 않습니다. 조각들은 원래 궤도보다 높거나 낮은 여러 궤도로 흩어집니다. 2007년 시험의 잔해는 고도 200 km에서 4,000 km 넘게까지 퍼졌습니다. 2021년에 부서진 코스모스 1408은 부서지기 전 500 km 아래를 돌았는데, 조각 가운데는 원지점 고도가 1,440 km에 이르는 것도 있었습니다.
이 조각들이 왜 문제일까요? 저궤도(low Earth orbit, LEO)에서 궤도 잔해(orbital debris)는 초속 7~8 km로 움직입니다. 그래서 작은 조각과 부딪쳐도 상당한 에너지가 실립니다. 게다가 잔해는 작을수록 수가 빠르게 늘어, 대부분은 너무 작아서 늘 추적하지 못합니다.
모래 한 줌을 고속도로에 뿌리는 장면을 떠올려 볼 수 있습니다. 실제로는 차선도 신호도 없는 넓은 우주에서 조각들이 저마다 다른 궤도로 돌기 때문에, 위험은 한 곳이 아니라 넓은 높이 범위에 퍼집니다.
1978년 NASA 존슨 우주센터의 도널드 케슬러(Donald J. Kessler)와 버턴 쿠르-팔레(Burton G. Cour-Palais)는 논문에서, 충돌로 생긴 파편 하나하나가 다시 충돌 확률을 높여 지구 둘레에 잔해 띠가 자랄 수 있다고 보았습니다.
네 나라가 위성을 부순 다섯 번
이 글이 다루는 첫 사례는 냉전 때입니다. 1970년대 말 미국은 소련이 정찰·통신 위성을 부술 "킬러 위성"을 만들 것으로 내다봤습니다. 미 공군 국립박물관 설명에 따르면 1985년 9월, 공중에서 쏜 ASM-135A 미사일이 미리 계획한 시험에서 미국의 태양 관측 위성 솔윈드(Solwind) P78-1을 파괴했습니다. 이 위성은 작동은 하고 있었지만 여러 장비가 고장 난 상태였습니다.
이 사업은 오래가지 않았습니다. 냉전 군비 경쟁이 우주로 번지는 데 대한 정치권과 대중의 걱정이 예산·개발 문제와 함께 사업에 영향을 주었고, 미 공군은 1988년에 사업을 끝냈습니다.
두 번째는 앞에서 본 2007년 1월 11일 중국의 시험입니다. 표적은 낡은 자국 기상위성 펑윈(Fengyun)-1C였습니다. NASA 궤도 잔해 소식지(ODQN)는 이 잔해 구름을 지난 50년 동안 저궤도를 가장 심하게 오염시킨 단일 사건으로 적었습니다. 시험 두 달 뒤 공식 목록에 오른 잔해는 1,200개가 넘었습니다.
2008년의 요격은 성격이 조금 다릅니다. 무기 시험이 아니라, 떨어질 위성의 위험을 줄이려고 미국이 자국 위성 USA-193을 맞힌 일이었습니다. 이 위성은 궤도에 오른 직후 고장 나, 추진제 탱크의 하이드라진이 쓰이지 않은 채 얼어 있었습니다. 분석으로는 탱크가 자연 재진입에도 살아남아, 떨어진 뒤 새어 나온 하이드라진이 사람을 해칠 수도 있다는 분석이었습니다.
미국 정부는 2월 14일, 위성이 대기로 들어오기 직전 아주 낮은 고도에서 탱크를 부수려 한다고 밝혔습니다. 위성은 2월 21일(UTC) 250 km 바로 아래에서 맞아 심하게 부서졌습니다.
2019년 3월 27일에는 인도가 지상 발사 직접 상승식 위성 요격 무기 시험으로 자국 위성 마이크로샛-R(Microsat-R)을 파괴했습니다. 그해 1월 24일에 발사된 위성이었습니다. 2021년 11월 15일에는 러시아가 직접 상승식 위성 요격 시험으로 1982년에 발사된 옛 소련의 신호 정보 위성 코스모스(Cosmos) 1408을 파괴했습니다. 미 우주군은 1,500개 넘는 추적 가능한 큰 조각을 곧바로 확인했고, 2022년 3월 7일까지 1,604개가 미국 위성 목록에 올랐습니다.
부서진 것은 한 나라의 위성이어도, 잔해는 같은 높이를 지나는 수많은 위성의 길에 남습니다. 미국 NOAA 우주상업국은 2021년 시험이 더 작은 잔해 수십만 개를 만들 것으로 보인다고 적었습니다. 미 우주사령부의 제임스 디킨슨(James Dickinson) 장군은 이 잔해가 여러 해 동안 위성과 우주 임무를 위협하고 충돌 회피 기동을 더 많이 하게 만들 것이라고 말했습니다.
높이가 잔해의 수명을 정한다
다섯 번의 결과가 크게 다른 까닭은 높이에 있습니다. NASA 궤도 잔해 프로그램 사무소(ODPO)는 높을수록 잔해가 궤도에 오래 머문다고 설명합니다. 600 km 아래의 잔해는 보통 몇 해 안에 떨어지지만, 800 km에서는 몇 세기가 걸리는 일이 많고, 1,000 km 위에서는 보통 1,000년 이상 돕니다.
이 기준에 다섯 위성을 놓아 보면 차이가 보입니다. 250 km 바로 아래에서 부서진 USA-193의 잔해는 대부분 한 시간 안에 지구로 떨어졌고, 나머지도 수명이 짧은 궤도에 남았습니다. 그해 3월 말에는 처음 잔해의 작은 비율만 궤도에 있었습니다.
마이크로샛-R은 대략 265~294 km 고도에 있었습니다. 처음에는 400개 넘는 조각이 추적됐지만, 낮은 고도에서 궤도가 빨리 내려앉아 목록 작업이 까다로웠습니다. 공개 목록에 오른 101개 가운데 2019년 7월 15일까지 궤도에 남은 것은 49개였습니다.
코스모스 1408은 시험 전 약 465~490 km 고도까지 내려와 있었습니다. NASA는 그 조각의 90% 넘게가 5년 안에 재진입할 것으로 내다봤습니다. 그 사이의 영향은 높이에 따라 달랐습니다. 부서진 곳이 500 km 아래였기 때문에 400 km처럼 낮은 곳의 임무가 700 km의 임무보다 영향을 더 받습니다.
펑윈-1C는 850 km 가까이에서 부서졌습니다. 이 높이는 감쇠에 몇 세기가 걸리는 일이 많은 구간입니다. 2007년 4월호 소식지가 잔해 대부분이 수십 년에서 수백 년 머무는 궤도에 들어갔다고 적은 것도 같은 이야기입니다.
14년 뒤에도 피해야 했던 조각
2021년 국제우주정거장(ISS)은 큰 잔해와의 충돌 가능성을 피하려고 두 번 기동했습니다. 11월 10일과 12월 3일이었고, 그해 정거장의 잔해 회피 기동은 이 둘뿐이었습니다. 그 가운데 11월 10일 기동은 2007년 펑윈-1C 시험에서 나온 조각과의 고위험 근접 접근(conjunction) 때문이었습니다.
시험이 있고 14년 넘게 지났는데도 그 조각이 사람이 탄 정거장의 길을 막은 것입니다. 2008년 NASA 자료는 헤이스택 레이다 분석이 이 한 번의 파괴로 저궤도의 1 cm 넘는 잔해 수가 대략 두 배가 됐다는 평가를 뒷받침한다고 적었습니다.
목록 전체로 보아도 흔적은 뚜렷합니다. 지금까지 목록의 대부분을 차지해 온 것은 파편 잔해이고, 그 수가 크게 뛴 때는 세 번이었습니다. 2007년 펑윈-1C 시험, 2009년 이리듐 33과 코스모스 2251의 우발 충돌, 2021년 11월 코스모스 1408 시험입니다. 세 번 가운데 두 번이 위성 요격 시험이었습니다.
시험을 멈추자는 약속
국제 사회의 지침은 2007년에 이미 있었습니다. 유엔 우주 잔해 경감 지침의 네 번째는 의도적 파괴와 그 밖의 해로운 활동을 피하라는 것입니다. 오래 남는 잔해를 만드는 궤도 위 우주선과 발사체 단의 의도적 파괴를 피해야 한다는 내용입니다.
2022년 4월 18일, 미국은 한 걸음 더 나갔습니다. 해리스 부통령은 캘리포니아 반덴버그 우주군 기지에서 미국이 파괴적인 직접 상승식 위성 요격 미사일 시험을 하지 않겠다고 약속했습니다. 백악관 설명 자료는 이를 우주에서 책임 있는 행동의 새 국제 규범으로 세우려 한다고 밝히고, 미국이 이런 선언을 한 첫 나라라고 적었습니다. 부통령은 다른 나라에도 비슷한 약속을 요청했습니다.
약속의 까닭으로 든 것은 잔해였습니다. 이런 시험이 만든 오래 남는 잔해가 모든 나라의 안보·경제·과학에 중요한 위성과 우주 물체를 위협하고, 우주비행사의 위험도 키운다는 것입니다. 이 약속은 시험을 멈추겠다는 것이고, 이미 궤도에 있는 잔해를 치우는 일은 아닙니다.
레이저와 맞닿는 점: 빛으로 잔해를 재기
잔해를 피하려면 먼저 어디 있는지 알아야 합니다. 여기서 레이저(laser)가 쓰입니다. 위성 레이저 거리 측정(satellite laser ranging, SLR)은 짧은 펄스 레이저와 광 수신기, 시간 측정 전자 장치로 지상국에서 위성의 역반사기까지 빛이 갔다 오는 시간을 잽니다. 그 시간이 곧 거리입니다.
국제 레이저 거리 측정 서비스(International Laser Ranging Service, ILRS)는 2014년 10월 26일 우주 잔해 연구 그룹을 만들었습니다. 지금은 여러 SLR 관측소가 우주 잔해를 추적하고 있습니다. 부수는 데 쓰인 것은 미사일이었지만, 남은 조각을 지켜보는 일에는 빛이 한몫합니다.
다음에 읽을 글
- 우주상황인식(SSA): 위성 주변에는 무엇이 지나갈까: 잔해를 목록으로 만들고 충돌을 피하는 일의 전체 그림입니다.
- 레이저로 재기: 거리 측정과 라이다의 기초: 빛이 갔다 오는 시간으로 거리를 재는 원리입니다.
- 군사 정찰위성: 우주에서 얻는 정보: 잔해가 위협하는 위성들이 하는 일입니다.