우주왕복선의 구조

우주왕복선은 그 복잡한 구조와 기능으로 인해 우주 탐사의 역사에서 빼놓을수 없는 중요한 부분을 차지합니다. 이 글에서는 우주왕복선의 구조 중 궤도선, 승무원, 승무원 실, 에어락, 비행시스템, 장비공간, 원격 조작기 시스템, 장비공간, 열 보호 시스템에 대해 알아보겠습니다.

우주왕복선

궤도선

궤도선은 항공기와 로켓의 특징을 결합하여 제작된 우주 탐사 장치입니다. 수직으로 발사되며, 그 후에는 글라이더의 원리로 지구로 안전하게 착륙합니다. 이 궤도선의 주요 부품은 승무원이 탑승하는 승무원실, 다양한 화물을 수송하는 화물칸, 그리고 항공기의 날개와 비슷한 비행면으로 구성되어 있습니다. 또한 이 궤도선에는 우주에서의 주요 추진력을 제공하는 SSME 엔진과, 우주 궤도를 수정하거나 변경할 수 있는 OMS 시스템이 후방에 위치하고 있습니다.

이 궤도선의 날개는 독특한 디자인을 자랑합니다. 이중 삼각형 형태로, 내부와 외부 모두 각기 다른 각도로 경사져 있습니다. 또한 엔진과 날개 사이에는 궤도선의 고도를 조절하기 위한 플랩이 위치하고 있습니다. 궤도선의 수직 안정판은 특별한 기능을 갖추고 있습니다. 45도의 기울기로 설계된 이 안정판에는 감속 기능을 제공하는 사다리와 드래그 낙하산 시스템이 포함되어 있습니다.

궤도선의 착륙 시스템은 매우 정교합니다. 노즈 부분에 위치한 랜딩 기어와 메인 랜딩 기어 두 쌍이 있으며, 각 랜딩 기어는 두 개의 타이어로 구성되어 있습니다. 이러한 랜딩 기어들은 안전한 착륙을 보장하기 위해 설계되었으며, 브레이크와 전기 유압식 스티어링 메커니즘과 같은 고급 기술이 탑재되어 있습니다.

승무원

우주왕복선의 승무원은 까다로운 선발 과정을 통과한 후, 특별한 교육과 훈련을 받게 됩니다. 이러한 승무원은 그들의 전문성과 역할에 따라 조종사, 미션 전문가, 그리고 장비 전문가 등으로 구분됩니다.

조종사는 우주왕복선을 조종하고 안전하게 운행하는 책임을 지니며, 이 역할은 사령관과 부조종사로 나뉩니다. 사령관은 전체 미션을 지휘하며, 부조종사는 사령관을 보조하는 역할을 합니다. 초기 시험 비행 단계에서는 이 두 사람만이 우주왕복선에 탑승하지만, 둘 다 고도의 조종 능력을 보유하고 있어 궤도 비행 및 착륙을 수행할 수 있습니다.

미션 전문가는 우주에서의 다양한 과학적 실험, 장비 배치, 우주 외부 활동 등 복잡한 태스크를 주도하게 됩니다. 이들은 특정 미션에 필요한 전문 지식을 가진 인력으로, 궤도상에서의 연구와 실험을 주도합니다.

장비 전문가는 초기 우주왕복선 프로그램에서 중요한 역할을 했습니다. 이들은 장비의 설치, 검사, 조작 등의 과정에 특화된 전문가로, 대체로 해당 장비를 제조하거나 개발한 회사에 소속된 인력이었습니다. 이들은 특정 장비에 대한 깊은 이해와 전문성을 바탕으로, 미션 중 발생할 수 있는 다양한 문제 상황에 대응하게 됩니다.

승무원실

우주왕복선의 승무원실은 세 개의 갑판으로 이루어져 있고, 그 중 비행갑판에는 승무원의 주요 조종 장치와 좌석이 배치되어 있습니다. 중간갑판에는 생활 공간, 조리실, 승무원의 침실 및 에어락이 있고, 그 아래에는 주요 기기와 시스템이 보관되는 장비실이 있습니다.

승무원들은 처음 4번의 임무에서는 개량된 고고도 전압 슈트를 착용하였고, 이후 변화된 다양한 슈트를 사용하였습니다. 특히, 챌린저호 사고 후에는 안전성을 강화한 발사 진입복(LES)을 사용하였고, 이는 1994년에 전압식 고급 승무원 탈출복(ACES)으로 업그레이드 되었습니다.

비행갑판은 궤도선을 조종하는 주요 장치와 계기들로 가득 차 있습니다. 이 중에서 특이한 점은 1998년에 아틀란티스의 디스플레이 시스템이 다기능 전자 디스플레이 시스템(MEDS)로 업그레이드 되었고, 이후 다른 궤도선도 이 시스템으로 갱신되었다는 것입니다. 비행갑판 뒤쪽과 중간 갑판에는 승무원의 생활과 작업을 지원하는 다양한 장비와 공간이 마련되어 있습니다.

에어락

에어락은 다른 환경 조건을 가진 두 공간을 연결하는 중요한 기능을 하는 구조물로, 특히 우주 환경에서는 기체의 성분, 압력 등이 다른 내부와 외부 공간 사이에서 우주비행사가 안전하게 이동할 수 있도록 도와줍니다.

원래 모든 궤도선은 중간갑판 부분에 내부 에어락을 설치하였습니다. 이 내부 에어락은 기본적으로 궤도선 내부와 우주의 환경을 분리하며, 승무원이 우주로 나가거나 돌아올 때 이용됩니다. 그런데 디스커버리, 아틀란티스, 엔데버와 같은 일부 궤도선들은 더 나은 국제 협력을 위해 추가적인 외부 에어락을 장비 칸에 설치하였습니다. 이 외부 에어락은 특히 미르 우주 정거장과 국제우주정거장(ISS)와의 연결을 더 원활하게 만들기 위한 목적으로 설계되었고, 궤도선 도킹 시스템과 결합하여 효율적으로 도킹 및 연결 작업을 수행하는 데 큰 도움을 제공하였습니다.

비행 시스템

궤도선은 복잡한 항공전자 시스템을 탑재하여 대기권을 비행하면서 필요한 정보를 수집하고 정확한 제어를 가능하게 합니다. 이 항공전자 시스템에는 다양한 센서와 장비가 포함되어 있습니다.

먼저, 마이크로파 스캐닝 빔 랜딩 시스템은 궤도선이 착륙할 때 정확한 위치와 고도 정보를 제공하는 장치로, 총 3개가 설치되어 있습니다. 자이로스코프는 궤도선의 방향과 자세를 측정하는데 사용되며, 전술항공항법시스템(TACAN)은 항공기의 위치를 결정하는데 도움을 주는 시스템입니다. 레이더 고도계는 궤도선의 고도를 측정하고, 기압 고도계는 대기압을 기반으로 고도를 측정합니다. 자세 표시기, 마하 표시기 등의 장치는 비행 중 궤도선의 현재 상태를 승무원에게 전달합니다.

궤도선의 핵심 항법 장비 중 하나는 관성 측정 장치(IMU)로, 궤도선의 운동과 방향을 지속적으로 추적하며, 이 정보는 궤도선의 비행 경로를 제어하는 데 필수적입니다. 궤도선 내에는 이 IMU를 정렬하기 위한 스타 트래커 2개가 추가로 탑재되어 있습니다. 1990년대 중반, NASA는 이러한 장치를 업그레이드하면서 관성 항법 시스템(INS)을 도입하여 위치 정보의 정확도를 크게 향상시켰습니다.

통신 측면에서, 궤도선은 4대의 S-밴드 무전기를 통해 음성 및 데이터 통신을 수행합니다. 이 중 2대의 S-밴드 무전기는 정보의 효율적인 송수신을 위해 위상변조 기술을 활용하고, 나머지 2대는 주로 NASA와의 데이터 전송에 사용됩니다. 그러나 S-밴드 무전기의 작동 범위는 제한적이기 때문에, 궤도를 통해 통신하기 위해서는 별도의 위성 시스템과 지상국의 도움이 필요합니다. 추가로, 궤도선에는 화물실에서도 활용 가능한 광대역의 Ku 밴드 무전기가 설치되어 있어, 다양한 통신 환경에서의 안정적인 데이터 전송이 가능합니다.

장비 공간

페이로드 베이는 전체 궤도선 동체 중 상당한 부분을 차지하며, 주로 다양한 장비를 운반하고 탑재하는 데 사용됩니다.

이 공간은 약 18m의 길이와 4.6m의 폭을 가지고 있어, 원통형으로 최대 직경 4.6m까지의 장비를 안전하게 수용할 수 있습니다. 특히, 양쪽에는 보호 기능을 제공하는 두 개의 문이 있으며, 이 문들은 궤도선이 발사되거나 재진입할 때의 열과 기압 변화로부터 장비를 보호하기 위해 설계되었습니다. 장비는 내부에 특별히 설계된 지점에 안전하게 고정될 수 있으며, 궤도에 도달한 후에는 이 문들이 열리며 라디에이터의 역할을 하여 발생한 열을 방출한다.

원격 조작기 시스템

원격 조작기 시스템(RMS), 일반적으로 카나 암으로 알려져 있습니다, 우주왕복선의 화물실 부분에 설치되어 사용되는 로봇 팔 구조물입니다. 이 장치는 우주왕복선 내부의 비행갑판에서 우주비행사들이 직접 창문 및 폐쇄회로 TV 모니터를 통해 해당 장치를 조종하도록 개발되었습니다.

카나 암의 구조는 복잡하며, 전체 암 구조를 따라 여러 관절이 위치하고 있어 다양한 움직임과 작업을 수행할 수 있게 도와줍니다. 구체적으로, 이 로봇 팔에는 총 6개의 관절이 있으며, 이를 통해 다양한 각도와 방향으로 움직임을 제어할 수 있습니다.

열 보호 시스템

궤도선의 열 보호 기능은 열 보호 시스템(TPS)를 통해 제공되며, 재진입 과정 중 발생하는 높은 온도로부터 보호하기 위한 구성 요소입니다. 이전 우주선 설계와는 달리, 재사용이 목적이기 때문에 더욱 효율적이고 지속적으로 사용될 수 있는 열 보호 방식이 도입되었습니다.

재진입 중, TPS는 엄청난 열, 최대 1,600°C도에 달하지만 궤도선의 알루미늄 표면 온도는 비교적 낮은 180°C수준으로 유지됩니니다. 이러한 TPS는 주로 네 가지 다른 타입의 타일로 구성되어 있으며, 이들은 각기 다른 온도 범위와 조건에서의 보호를 목적으로 합니다.

노즈콘과 주익의 앞부분은 높은 온도, 약 1,300°C에 노출될 수 있기 때문에 강화된 탄소 타일(RCC)이 사용되었습니다. RCC 타일은 후에 더 두꺼운 버전으로 업그레이드 되었는데, 이는 우주 미립자나 궤도 상의 파편으로 인한 잠재적인 손상을 예방하기 위함이었습니다. 특히, 컬럼비아 우주왕복선 사고 이후 RCC의 보호 기능이 더욱 강화되었습니다.

궤도선의 하단 부분과 다른 높은 온도에 노출되는 영역들은 고온에 재사용 가능한 단열재로 보호되었습니다. 반면, 상단 부분은 저온 재사용 단열재를 사용하여 최대 650°C까지의 열로부터 보호하였습니다. 장비를 실은 공간의 도어와 일부 상단 날개 영역은, 370°C이하의 온도로 유지되도록 재사용 가능한 펠트 소재의 단열재로 마감되었습니다.

마무리

궤도선은 그 임무나 운영 환경에 따라 다양한 추가 장비나 시스템을 탑재하여 사용할 수 있습니다. 이러한 추가 장비에는 궤도 실험실, 더 높은 궤도로 발사할 수 있게 도와주는 부스터, 그리고 임무 기간을 연장하기 위한 EDO 팔레트 등이 포함됩니다. 특히, SSPTS는 일부 임무에서 사용되었으며, 특정 궤도선 모델에 탑재되어 효과적으로 활용되었습니다.

우주왕복선의 독특하고 정교한 구조는 인간이 우주를 탐사에 있어 중요한 역할을 하였습니다. 이러한 기술의 진보는 우주의 미스터리를 밝혀내는 데 크게 기여했으며, 우주에 대한 지식과 기술을 끊임없이 확장시켰습니다. 궤도선의 열 보호 시스템, 궤도 제어의 정밀함, 그리고 다양한 실험과 연구를 수행할 수 있는 모듈들은 모두 우주왕복선의 성공을 뒷받침하는 중요한 요소였습니다. 이런 기술적 성과는 우주 탐사의 미래에 대한 무한한 가능성을 제시하였습니다.