우주정거장은 인류가 지구 밖에 건설한 최초의 장기 거주형 인프라로, 우주과학 연구, 기술 실험, 장기 체류 훈련 등 다방면에서 활용되고 있습니다. 특히 국제우주정거장(ISS)은 15개국 이상이 협력해 운영 중이며, 그 구조와 시스템은 고도의 기술이 집약된 결과물입니다. 본 글에서는 우주정거장의 핵심 시스템을 ‘모듈 구성’, ‘생명유지장치(ELS)’, ‘궤도유지 기술’의 세 가지 측면에서 심층 분석합니다.
1. 우주정거장의 모듈 구성 체계
우주정거장은 여러 개의 모듈이 결합된 형태로, 각 모듈은 특정 목적을 수행합니다. ISS 기준, 약 15개 이상의 주요 모듈이 존재하며, 미국, 러시아, 유럽, 일본 등 각국이 제공한 독립 모듈들이 연결돼 있습니다.
주요 모듈 구성은 다음과 같습니다:
- 노드 모듈 (Unity, Harmony): 여러 모듈을 결합하는 허브 역할로, 전력 및 통신 연결 기능도 수행합니다.
- 실험 모듈 (Destiny, Kibo, Columbus): 미국, 일본, 유럽에서 제공한 과학 실험실로, 생물학, 물리학, 무중력 실험 등을 수행합니다.
- 거주 모듈 (Zvezda, Tranquility): 우주비행사의 생활 공간, 수면 구역, 화장실, 운동기구 등이 포함됩니다.
- 도킹 모듈: 유인 우주선이나 보급선을 도킹시키는 연결 장치로, 자동화 시스템과 센서 탑재
- 보급 모듈 (Rassvet, BEAM): 물자 저장 및 외부 실험 공간으로 활용되는 확장 모듈입니다.
모듈 간 연결은 강체 결합 구조와 밀폐 씰로 이루어지며, 전기 및 통신선도 연동되어 있습니다. 모듈 교체 및 확장성이 뛰어나 장기 운영에 유리하며, 미래 유인 화성 탐사선 설계에도 이와 유사한 모듈화 방식이 적용될 예정입니다.
2. 생명유지장치(ELS)의 핵심 기능
우주정거장에서 인간이 장기간 생활하기 위해서는 산소 공급, 이산화탄소 제거, 수분 재활용, 온도 조절 등 수많은 요소를 통제해야 합니다. 이를 위해 적용된 것이 생명유지장치(ELS, Environmental Life Support System)입니다.
주요 시스템은 다음과 같습니다:
- 산소 생성 시스템 (OGS): 물을 전기분해하여 산소를 생성하며, 수소는 버리거나 재활용됩니다.
- 이산화탄소 제거 장치 (CDRA, Vozdukh): 화학 흡착제를 사용하여 대기 중 CO₂를 제거합니다.
- 수분 회수 시스템 (WRS): 땀, 호흡, 소변 등을 정제하여 생활용수로 재사용합니다. 최대 90% 회수 효율 달성
- 온도 및 습도 조절 시스템 (THC): 정거장 내부를 약 22°C로 유지하며, 전자장비 발열을 조절합니다.
- 대기 순환 및 정화 시스템: HEPA 필터로 먼지 제거, 팬으로 공기 균등 분배
이러한 시스템은 자동화되어 실시간 센서 감시 하에 작동하며, 문제가 발생할 경우 즉시 경보를 발생시켜 우주비행사가 수동 조작으로 개입할 수 있습니다. 또한, 일부 시스템은 모듈별로 이중화되어 있어 고장 시에도 정거장 전체 기능 유지가 가능합니다.
3. 우주정거장의 궤도유지 기술
ISS는 지구 상공 약 400km의 저궤도를 평균 시속 27,600km로 하루 약 16바퀴 돌고 있습니다. 그러나 지구 대기의 미세한 저항으로 인해 서서히 고도가 낮아지므로 정기적으로 궤도 보정을 해야 합니다. 이를 궤도유지(Orbit Maintenance)라 부릅니다.
궤도유지 방식은 다음과 같습니다:
- 재보상 추진 (Reboost): 도킹된 보급선(러시아 Progress 또는 북미 Cygnus 등)의 엔진을 활용해 정거장을 밀어올립니다.
- 자체 추진 시스템: 일부 모듈은 독립적인 소형 추력기를 탑재하고 있어 미세한 자세 제어 및 보정 가능
- 운동량 휠(Momentum Gyroscope): 회전운동을 이용해 정거장 자세(orientation)를 조정하며, 연료를 사용하지 않는 점이 특징
- 지상국 통제 및 자동화: 궤도 예측 프로그램을 통해 궤도 저하 시점 분석 후 추진 명령 자동 전송
정거장의 궤도는 태양광 발전, 실험 장비 유지, 통신 각도 확보 등에도 영향을 주기 때문에 정밀한 궤도 관리가 필수입니다. 향후 모듈 추가나 새로운 도킹 장치 부착 시 궤도 안정성 시뮬레이션도 반드시 수행됩니다.
결론적으로, 우주정거장은 단일 구조물이 아닌 고도로 정교한 모듈화 시스템이며, 인간이 장기간 생존할 수 있는 완전한 자급 시스템과 정밀한 궤도 제어 기술의 결합체입니다. 이러한 시스템은 미래 달 궤도 정거장(Gateway), 화성 유인 탐사 기지 설계에 있어 핵심 기술 기반으로 활용되고 있습니다.