국제우주정거장(ISS)의 구조와 시스템

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국제우주정거장(International Space Station, ISS)은
지구 저궤도(Low Earth Orbit)에 구축된 인류 최대 규모의 우주기지로,
1998년부터 미국, 러시아, 유럽, 일본, 캐나다 등 15개국 이상이 협력하여 건설한
모듈형 다국적 우주기반 시스템이다.

ISS는 단순한 우주 실험실이 아니라,
지속적인 유인 체류와 과학 연구, 기술 시험, 국제 협력의 상징이자,
차세대 유인 우주 탐사의 핵심 발판으로 기능하고 있다.
그 구조와 시스템은 항공우주공학의 거의 모든 분야—구조역학, 열 제어, 에너지 시스템, 생명 유지, 항법, 통신 등—가 종합된 복합 체계이다.

이번 글에서는 항공우주공학적 관점에서 국제우주정거장의 구조적 구성, 주요 시스템, 기능별 모듈 역할, 에너지 및 열제어 방식, 생명 유지 기술 등을
심층적으로 분석하고, 향후 우주정거장 기술의 발전 방향까지 조망해본다.

1. ISS 개요 및 궤도 특성

✅ 기본 정보

  • 운용 시작: 1998년 (첫 모듈 ‘자랴’ 발사)
  • 완공 시점: 주요 구조 완성은 2011년
  • 궤도 고도: 약 400km
  • 궤도 경사각: 51.6도 (지구 대부분 지역 관측 가능)
  • 궤도 주기: 약 90분 (하루 16회 지구 공전)
  • 속도: 약 7.66km/s

2. 모듈형 구조의 특징

ISS는 하나의 단일 구조물이 아닌, 기능별로 설계된 다수의 모듈이 결합된 복합 플랫폼이다.
모듈들은 러시아의 소유즈 및 프로그레스, 미국의 스페이스셔틀, SpaceX의 드래곤, 노스롭 그루먼의 시그너스 등을 통해 운반되어
결합부(Node)를 통해 유기적으로 연결된다.

✅ 주요 모듈 종류와 기능

모듈 구분대표 모듈기능
생활 모듈 (Habitation)Zvezda, Harmony승무원 거주, 식사, 수면, 위생 공간
실험 모듈 (Laboratory)Destiny(미), Columbus(EU), Kibo(일)미세중력 실험, 생명과학, 물리학, 재료과학
전력·지원 모듈Integrated Truss Structure태양광 패널 지지, 라디에이터 부착, 구조 안정화
결합부(Nodes)Unity, Tranquility모듈 간 연결, 공기 순환, 도킹 지원
도킹 및 적재 모듈PMA, PMM, Rassvet보급물 자원 저장, 외부 화물 이송, 도킹 포트 기능

✅ ISS 전체 크기

  • 길이: 약 73m
  • 너비: 약 109m (태양전지 포함)
  • 질량: 약 420톤
  • 내부 압력 유지 공간: 약 915m³
  • 지속 거주 인원: 평균 6명

➡ 이는 보잉 747의 무게와 비슷하며, 축구장 1개 크기와 유사하다.

3. 주요 시스템 구성

✅ A. 전력 시스템 (Electrical Power System)

  • 발전 방식: 태양광 패널 (8개 어레이, 총 2500㎡ 이상)
  • 저장 방식: 리튬이온 배터리
  • 배분 시스템: DC 전력 버스(120V), 모듈별 공급 라인

특징:

  • 태양 에너지 흡수 → 배터리에 저장 → 암영기 동안 전력 공급
  • 태양전지판은 자동 추적기능(Solar Array Rotary Joint) 통해 태양 방향 유지

✅ B. 생명 유지 시스템 (ECLSS)

Environmental Control and Life Support System은 승무원의 생존을 보장하기 위한 핵심 시스템이다.

  • 산소 공급: 수전해 장치(OGS), 고체 연료 기반 산소 발생기(SFOG)
  • 이산화탄소 제거: LiOH 필터, Regenerative Carbon Dioxide Removal System
  • 수분 순환: 소변, 땀, 대기 습기 등 회수하여 정수 후 재사용 (90% 이상)
  • 온도/습도 제어: 내부 평균 온도 22℃ 유지
  • 공기 순환: 팬 및 다중 필터 시스템

✅ C. 열 제어 시스템 (Thermal Control System)

  • 내부 제어: 대류 및 복사에 의한 폐열 제거, 수냉 루프 시스템
  • 외부 제어: 냉각 루프(암모니아 기반) + 라디에이터 패널 조합
  • Radiator Panels: 우주로 열 방사, 패널 각도 조절 가능

ISS는 궤도상에서 -157℃~121℃의 온도 변화를 겪기 때문에,
열제어 시스템의 정밀성이 생명 유지와 시스템 안정성에 절대적으로 중요하다.

✅ D. 통신 시스템

  • 위성 릴레이: Tracking and Data Relay Satellite System (TDRSS) 사용
  • 지상국 연결: 실시간 음성, 영상, 텔레메트리 전송
  • 내부 통신: 모듈 간 인터콤 및 데이터 링크
  • 기지국 제어: 휴스턴 NASA JSC, 모스크바 RKA 제어센터 등

✅ E. 항법 및 자세제어

  • 관성항법(IMU), 자이로스코프, GPS 연동
  • Control Moment Gyroscopes (CMG) 4개 장착 → 무추진 자세 제어
  • 필요시: 러시아 서비스 모듈의 RCS(Rocket Control System) 사용
  • 궤도 보정 주기적으로 수행 (고도 유지)

4. ISS 외부 구조: 통합 트러스 시스템

  • **통합 트러스(ITS)**는 태양광 패널과 열 방사 장치, 안테나, 배선 등을 지지하는 외부 구조
  • 총 11개의 세그먼트(S0S6, P1P6)로 구성됨
  • 각 세그먼트에는 **회전 모터(SARJ)**와 냉각 루프, 전력 배선망 포함

➡ 트러스는 구조적 강성과 모듈화 설계의 대표적인 사례이며, 외부 정비 및 확장성 측면에서 필수적인 시스템이다.

5. 유지보수 및 운용 방식

✅ EVA(우주 유영)

  • 외부 수리, 설치, 점검, 케이블 연결 등
  • 평균 6~7시간 소요, NASA 우주복(EMU) 또는 러시아 Orlan 우주복 사용

✅ 로봇 운용

  • Canadarm2: 17m 길이의 다관절 로봇 팔
  • Dextre: 소형 정밀 로봇, 전기 시스템 정비 가능
  • BOOM: 이동식 로봇 베이스 시스템

➡ 우주정거장 외부 정비의 70% 이상은 로봇으로 수행 가능

✅ 재보급 및 쓰레기 처리

  • 보급선: 드래곤(Crew & Cargo), 시그너스, HTV(일본), 프로그레스(러시아)
  • 고체 폐기물은 쓰레기 보관 후, 대기권 재진입 시 연소 처리
  • 수시로 산소, 식량, 실험장비 교체 및 보급

6. 향후 발전 방향과 한국의 역할

✅ 차세대 정거장 계획

  • Gateway(게이트웨이): 달 궤도 정거장, NASA + ESA + JAXA 협력
  • Axiom Space Station: 민간 우주정거장, ISS 이후를 준비
  • 중국 텐궁: 독자 우주정거장 운영 중 (2022년 완성)

✅ 한국의 참여 및 가능성

  • KASA(한국우주항공청) 설립 예정 (2025년) → 유인 탐사 R&D 기반 강화
  • 한국형 우주정거장 모듈 개념안 개발 시작
  • ISS 관련 국제협력 프로그램(ARISS 등)에 국내 대학, 연구기관 참여 중
  • 향후 우주정거장 실험 모듈, 로봇팔, 소형 보급체계 개발 가능성 높음

결론: ISS는 인류의 공학적 유산이자 미래 유인 탐사의 토대다

국제우주정거장은 단순히 기술의 산물이 아닌,
우주 환경에서의 생존, 협력, 지속 가능성을 종합적으로 시험하는 실험장이다.
그 구조와 시스템은 항공우주공학의 극한 조건 대응 능력을 보여주며,
이제는 민간 우주산업, 달 탐사, 행성 이주 시대를 준비하는 발판으로 기능하고 있다.

항공우주공학을 전공하는 학생 또는 연구자에게 ISS는
하나의 우주 시스템이 어떻게 설계, 통합, 운용되는지를 가장 정밀하게 배울 수 있는 살아 있는 교과서이다.
앞으로의 우주 정거장은 ISS의 유산을 기반으로 더 작고, 민간 중심이며, 목적 지향적으로 진화할 것이다.

그리고 그 시스템을 설계하고 유지하는 주체는 바로 오늘의 항공우주공학도들이다.

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