자세 조종에도 개성이 있어요, 우주왕복선!

비행기의 화려한 곡예비행을 본 적이 있나요?  

하늘 위로 솟구쳐 올라가거나 비스듬히 비행하기도 하고, 비행기를 회전하기도 하는 곡예비행은 비행기의 수직꼬리날개에 있는 방향타, 수평꼬리날개에 있는 승강타, 비행기의 주날개에 있는 보조날개(에일러론)를 움직여 비행기의 방향과 자세를 조종하게 됩니다. 비행기 조종사가 조종간이나 페달을 이용하여 승강타나 보조날개, 방향타를 움직임으로써 공기의 흐름을 바꿔줘 조종사가 원하는 방향이나 자세로 비행기가 움직이게 되는 것이죠. 

공기가 없다면 이런 비행기 조종은 할 수가 없어요.

 

그런데 

공기가 없는 우주에서 우주왕복선은 어떻게 자세를 조종할 수 있을까요?

 

우주왕복선 조종 비밀 하나 :

반작용 조종 장치(RCS: Reaction Control System)

  반작용 조종 장치는 왕복선의 머리 쪽 부분과 뒤쪽 좌우에 있답니다. 

각각의 장치는 고 압력 헬륨 가스 저장 탱크, 압력 조절 장치, 연료와 산화제 탱크, 엔진 추진 시스템과 온도 조절 장치로 구성되어 있어요. 

앞쪽에 있는 반작용 조종 장치는 14개의 주 엔진과 2개의 보조 엔진을 가지고 있고, 

뒤쪽의 좌우 반작용 조종 장치는 12개의 주 엔진과 2개의 보조 엔진을 가지고 있어 

총 44개의 로켓 엔진을 가지고 있답니다. 

이 로켓 엔진을 통해 가스를 분사함으로써 우주왕복선의 자세를 조종하는데 로켓의 머리 쪽 부분의 아래에서 로켓이 점화되어 가스를 분사하게 되면 우주왕복선은 위로 움직이게 됩니다. 이 움직임을 멈추게 하기 위해서는 우주왕복선의 머리 부분에 있는 로켓을 점화시켜 가스를 위쪽으로 분사하게 함으로써 아래쪽으로 힘이 작용하도록 해야 합니다. 따라서 우주왕복선을 움직이게 하거나 멈추게 하기 위해서는 로켓 엔진을 점화시켜 가스를 분사해야 해요.

우주왕복선의 움직임은 작용 반작용의 법칙에 의해 설명될 수 있어요. 

뉴턴의 제3법칙인 작용 반작용의 법칙은 한 물체가 다른 물체에 힘을 주면 다른 물체는 크기가 같고 방향인 반대인 힘을 그 물체에 주게 된다는 것으로 우주왕복선은 로켓을 어떤 쪽으로 얼마만큼 분사하느냐에 따라 그 반대방향으로 힘이 작용하여 움직이게 되는 것이죠. 비행기 조종사가 날개의 공기 흐름을 바꿔 자세를 조종하는 것과는 달리 우주왕복선은 로켓 분사를 통해 자세를 조종하게 되는 거랍니다. 우주왕복선 조종사는 우주왕복선의 어떤 로켓을 점화해야 하는지를 몰라도 됩니다. 지구에서 비행기의 조종간이나 페달의 움직임에 따라 비행기 자세가 어떻게 된다는 것을 알고 조종을 하는 것처럼 우주왕복선의 조종사도 조종간의 움직임에 따라 우주왕복선의 자세가 어떻게 되는지만 알면 됩니다. 컴퓨터가 알아서 조종간의 움직임에 따라 알맞은 로켓을 점화시켜 분사시켜 주기 때문이죠.

우주왕복선 조종 비밀 둘 :

궤도 조종 장치(OMS: Orbital Maneuvering System)

  우주왕복선이 궤도를 바꾸려면 왕복선의 속도를 바꿔야 하는데 궤도 조종 장치는 큰 속도 변화를 위해 사용하는 장치로 궤도 진입, 궤도 변경, 랑데부, 궤도 이탈 등을 할 때 사용됩니다. 이 장치는 우주왕복선 뒤 양쪽에 RCS(반작용 조종 장치)와 같이 있어요. 그래서 OMS/RCS 파드라고 하는데 간단한 수리나 유지 보수를 통해 100번의 임무까지 재사용할 수 있도록 디자인되어 있다고 합니다. 

궤도 조종 장치는 고 압력 헬륨 가스 저장 탱크, 헬륨 밸브, 이중 압력 조절 시스템, 연료 탱크, 산화제 탱크, 궤도 조종 장치 엔진 등으로 구성되어 있어요. 궤도 이탈을 위해서는 두 개의 궤도 조종 장치가 다 사용되는데 각각의 궤도 조종 장치 엔진은 6천 파운드(약 2700kg)의 추력을 낼 수 있는 로켓 엔진입니다. 우주왕복선의 속도를 1초에 3 feet(약 91.5cm)에서 6 feet(약 183cm) 변화시키는데 보통 한 개의 궤도 조종 장치 엔진이 사용됩니다. 

 

이 장치를 통해 우주왕복선은 앞을 향해 속도를 낼 수 있게 되는 것이죠.

생활 속의 작용 반작용 법칙

  생활 속에서 볼 수 있는 현상 중에 작용 반작용 법칙으로 설명할 수 있는 것들이 많아요. 우리가 걸을 때 발로 땅을 밀면 땅도 우리를 동시에 밀어 걸음을 걷게 되죠. 또한, 자동차가 달릴 때도 자동차 바퀴가 도로를 밀면 동시에 도로가 자동차 바퀴를 밀어 자동차가 달릴 수 있게 되는 거랍니다. 수영을 할 때도 마찬가지고요.

 

생활 속에서 찾아볼 수 있는 작용 반작용 법칙이 우주왕복선 조종에서도 볼 수 있다니 참 신기하죠? 우리 주변에서 볼 수 있는 과학적 현상들을 항상 찾아보는 습관을 갖는 것은 어떨까요?

 

글: 김지연(서울 백운초등학교 교사)

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