국제 우주 정거장, ISS

세상의 온갖 정보들이 미국과 서방 중심으로 기록되다 보니, ISS (International Space Station) 에 대한 정보들도 왜곡된 것들이 너무 많아 조금 다른 시각으로 여기에 정리해 보겠다. 서방 시각에서의 내용은 다른 블로그나 YouTube 로 얼마든지 확인 가능하다.

일단 우주 정거장 (SS: Space Station) 은 인간이 우주에서 장기간 머물면서 지구에서 하기 어려운 여러 실험을 하기 위한 시설 중 하나이다 (특히, 저중력 환경에서의 인간 몸의 변화와 먹을 수 있는 식물의 생장 실험 등). 엄밀히 말하면 우주라기보다는 지구 중력장 궤도 중 비교적 지구표면과 가까운 저궤도를 규칙적으로 도는 대기권 밖의 거주가 가능한 실험 공간이다. 옛날에는 조금만 하늘 높이 올라갔다 생각되면 우주공간이라고 생각했던 것 같다.

참고로 ISS 는 지표면으로부터 대략 420km 높이에서 하루에 지구를 16바퀴 정도 돈다고 한다. 인공위성 궤도 중에서는 그다지 높지 않은 저궤도(LEO)를 돌고 있다. 아마도 ISS 유지보수에 가장 적은 비용이 필요한 궤도로 판단하여 선택한 것 같다. 군사용 위성과 기상 위성 등도 500km 높이의 궤도가 가장 많다고 한다.

ISS 가 돌고 있는 LEO 궤도는 다른 위성 궤도와 비교하면 거의 지표면에 붙어서 돌고 있는 수준

 

러시아가 개척한 우주 정거장 기술

사실 가장 먼저 우주 정거장을 만든 것은 러시아 (당시 소련) 였다. 이미 1971년 4월과 1986년 2월, 2차례에 걸쳐 각각 Salyut 우주 정거장과 Mir 우주 정거장을 지구 중력장 궤도에 올리는데 성공하여, 2001년 3월까지 실제 운영하였다. 나중에 ISS 에 적용된 생명유지 장치와 산소발생장치, 물정화장치, 생물실험용 인큐베이터 그리고 보급용 우주선과의 자동 도킹 시스템 등이 모두 Mir 우주 정거장에서 파생된 기술이라고 한다.

출처: Russian space web, Salyut-1 space station 1973

 

출처: Wikipedia, Russian Mir-1 1996

+ 사실은 미국도 러시아의 세계 최초 우주 정거장, Salyut-1 에 자극 받아, 급하게 기존 발사체의 3단부를 개조한 우주 정거장 Skylab-1 을 1973년 5월, 쏘아 올리고 연이어 임시 거주인 3명을 보내기도 했다. 하지만, 체계적으로 계획된 과학적 목적이 아닌, 정치적 보여주기식 이벤트에 가까웠기 때문에 미국 국내 정치 상황이 갑자기 불안해 지자 (1973년은 미국 역사상 가장 큰 정치 스캔들, 워터게이트 사건의 정점), 관련 예산 지원이 대폭 삭감되었고, Skylab 유지보수에도 기술적 문제가 계속 발생하고 있는 상황에 핵심 기술자들의 이탈까지 발생하자, 결국 1979년 7월을 마지막으로 운영이 중단되어 추락했다.

1984년, 미국에서는 공산국가가 아무도 참가하지 않은 반쪽짜리 국제 스포츠 행사, LA 올림픽이 개최되었고, 당시는 미국의 전성기였던 레이건 대통령 집권 시절인데, 그때는 세계가 2개의 큰 정치 세력인 공산국가와 민주국가로 나뉘어 강하게 대립하고 경쟁하던 냉전시절이다. 이 무렵 미국도 우주 정거장을 만들겠다고 선언하게 된다.

최초 계획으로는 미국도 러시아처럼 단독으로 우주 정거장을 만들 생각이었던 것 같다. 하지만 NASA 가 우주 정거장 구축을 위해 요청한 예산은 러시아에 지지 않는 커다란 시설이었을 것이고, 이 정도 우주 정거장은 아무리 미국이라고 해도 부담이 컸다. 거기다 완성하는데 10년 이상의 시간이 필요한 것으로 추정되면서, 고민 끝에 이미 우주 정거장을 성공적으로 구축하고 오랜 운영 노하우를 가진 러시아를 끌어들이고, 유럽의 동맹국과 돈 많은 일본을 물주로 끌어들이게 된다. 당시 일본은, 3위 독일(당시 서독) GDP 의 2배가 넘는, 세계 2위 경제 대국이었다.

1991년 크리스마스날, 소련 연방이 붕괴되면서 러시아의 모든 우주개발 계획이 중단되었고, 취소된 계획에는 러시아의 새로운 우주 정거장 Mir-2 개발도 포함되어 있었다. 같은 해 미국도 석유자원 확보를 위한 걸프전쟁을 시작하면서, 자체 우주 정거장 구축 진행이 지지부진했고, 조지부시 대통령 정권 말기였던 1992년 6월, 미국이 먼저 러시아의 Mir-2 프로젝트에 참여하고 싶다고 제안하게 된다. 내용은 러시아 우주 정거장에 미국인도 갈 수 있고, 미국 발사체를 이용하여 러시아인도 우주 정거장으로 갈 수 있게 하자는 것이었다. 한마디로 러시아에 빌붙어 우주 정거장 관련 노하우 좀 훔쳐보자는 것이었다.

그러던 중, 1993년 3월, 러시아 우주국 (RSA) 총책임자 Yuri Koptev 가 미국 NASA 총책임자 Daniel Goldin 에게 러시아 우주 정거장 공동사용 협정을 확장하여, 아예 여러 나라와 함께 새로운 우주 정거장을 공동개발하자고 제안하게 된다. 1993년은 러시아의 쿠데타 정권이었던 보리스 옐친 세력과 반대세력의 대립이 최고조였던 시기이고, 그 해 연말에는 무력충돌까지 발생한 혼란한 때였다.

하지만, 미국 의회는 당시에 관련 기술과 경험이 부족했던 NASA가 주도적으로 ISS 구축을 하기 어렵다고 판단하여 러시아의 제안을 거절했고, 러시아가 필요했던 것은 돈이었기 때문에, 국가 기관인 NASA 대신 미국의 민간기업인 Boeing 사를 끌어들여 1994년 6월, 러시아 우주국과 미국 민간기업 간의 ISS (당시 명칭은 Alpha Space Station) 공동개발 협정을 맺게 된다. 이때까지만 해도 ISS 에 관해 미국 정부가 한 것은 거의 없었다. 1994년 6월, 미국에서는 FIFA 월드컵 경기가 개최된 시기이고, 10월 한국에서는 성수대교가 붕괴되어 49명의 사상자가 났던 해였다.

ISS 의 모체가 된 러시아의 Zarya

1998년 11월, 러시아 Proton-K 로켓으로 ISS 첫 번째 모듈 Zarya ('노을'의 러시아어) 가 궤도에 올려졌다. 러시아가 당초 Mir-2 용으로 설계했던 것을 ISS 용으로 다시 제작한 모듈로, 러시아의 KhSC 에서 제작하고, 제작비용은 미국의 Boeing 사가 지불했다고 한다. Zarya 에는 궤도 변경이 가능한 추진기가 탑재되어 있었고, 태양광 발전기도 있었다. 도킹이 가능한 연결부도 앞뒤로 1개씩 있고 상부에도 1개, 총 3개나 구비되어, ISS 의 첫 번째 모체로써의 활용도를 극대화했다고 한다.

+ ISS 첫번째 모듈 Zarya 관련 기록 동영상 : https://youtu.be/7dkBcbfWV44

 

1998년 12월, 미국 우주 왕복선을 이용하여 Unity 가 한 달 먼저 우주 저궤도에 올려진 러시아의 Zarya 에 도킹되었고, 첫 번째 임시 거주 인력인 미국인 Robert Kabana 와 러시아인 Sergei Krikalev 가 첫 번째 ISS 거주자가 되었다.

 

2000년 7월, 러시아의 두 번째 모듈 Zvezda ('별/Star'의 러시아어) 가 ISS 의 모체가 된 Zarya 에 연결되어 전기공급을 위한 발전기와 거주자를 위한 각종 생존/편의 장치가 대폭 개선되었다.

 

+ Zvezda 관련 기록 동영상 : https://youtu.be/r-cIX7GACC4

 

2000년 11월, 러시아의 Soyuz TM-31 우주 발사체를 타고, ISS 최초의 장기 상주인력, 미국인 Bill Shepherd, 러시아인 Sergei Krikalev 와 Yuri Gidzenko 가 ISS 거주를 시작하였다. 이때부터 Alpha Space Station 이 아닌, ISS (International Space Station) 가 공식명칭으로 사용되었다.

+ 미국인 Bill Shepherd 의 여러 강연회 동영상에 따르면, 1999 - 2001년 무렵 러시아의 로켓과 위성 개발 베테랑 엔지니어들이 미국과 유럽으로 많이 이주하였다고 한다. 이 시기, 러시아는 쿠데타 정권이었던 보리스 옐친에서 푸틴으로 권력이 넘어가는 정치적 혼란기여서, 경제적 어려움과 함께 기술유출에 대한 통제도 느슨한 시기였다고 한다. Shepherd 강연회 내용 중, 북한이 러시아로부터 중대형 로켓 추진체 기술을 확보한 것도 이즈음으로 추정된다는 언급이 있다.

2003년 2월, 미국의 우주왕복선 콜롬비아호가 지구로 귀환하는 도중, 미국 텍사스주 상공에서 공중분해되어 승무원 7명이 전원 사망하는 사고가 발생하였고, 이때부터 미국의 우주개발 암흑기가 시작된다. 이 사고 이후로 이미 예정되어 있던 몇 번의 우주선 발사 계획을 제외하고 모든 유인 우주선 발사 예산이 대폭 축소되게 되었고, 결국 미국은 2009년 이후 10년 이상을 러시아 발사체에 의존하는 나라가 되어 버린다. 이런 미국의 우주개발 암흑기를 기회로 삼아 성장한 기업이 일론 머스크의 SpaceX 이다.

+ 영국 BBC 의 미국 우주 왕복선 콜롬비아호의 비극 동영상 : https://youtu.be/6R4ctaCBapM

당시 NASA 우주 왕복선 총 책임자가 사고 확인후 첫번째 명령이 관제센터 차단 (당시 모든 자료는 그대로 보관되어 추후 몇년간 청문회에 인용)

 

비로소 시작된 유럽과 일본의 ISS 참여 그리고 민간기업의 등장

2008년 2월 - 2009년 9월, 미국과 러시아를 제외한 유럽과 일본의 ISS 모듈이 추가되기 시작하였다. 2008년 2월에는 미국 우주 발사체 STS-122를 통해 유럽산 ISS용 모듈 (Columbus) 이송이 시작되었고, 2008년 5월, 미국 우주 발사체 STS-124 를 통해 일본산 ISS용 모듈 (Kibo) 이송이 시작되었다. 일본 JAXA (일본 항공우주연구원) 은 매년 2~3월경에, ISS 의 KIBO 모듈에서 이루어진 연구결과를 발표하고 이를 ISS 참여국과 공유하는 국제 행사를 개최하고 있다. 2023년 2월 9일 개최된 행사에서는 KIBO 모듈의 상용화에 대한 언급이 있었다.

+ 일본의 ISS 모듈 Kibo 소개 동영상 (2008년 3 - 5월) : https://youtu.be/vMmcLmu3V1k

 

2009년 11월 - 2021년 7월, 러시아 Soyuz 우주 발사체를 이용하여 ISS 모듈 이송과 거주인들 이송이 이루어졌다. 10년 이상 러시아 발사체를 이용하던 미국은 2020년부터는 민간 우주 배송업체 SpaceX 사를 이용하기 시작한다. 참고로 일론 머스크가 창업한 SpaceX 는 미국 우주 발사체 암흑기의 시작으로 자주 언급되는 NASA 의 콜롬비아 우주선 폭발사고 약 1년 전인, 2002년 5월 설립되었다. 자세한 설명은 여기서 확인 가능하다. => https://bhong.tistory.com/44

+ 러시아 Soyuz TMA-15M 발사 동영상 (2014년 11월) : https://youtu.be/sp6_JIdAlJs

 

 

2020년 5월, 미국의 민간 우주 발사체 기업 SpaceX 의 유인 우주선 Crew Dragon 을 통해 ISS 상주인력 이송 서비스가 시작되었다. 민간 기업이 ISS 관련 상업적 우주비행을 한 것은 이때부터이다.

+ SpaceX Crew Dragon 기록 동영상 : https://youtu.be/F-wBgsf8jWY

 

 

골동품이 되어 가는 ISS

ISS 는 비교적 낮은 궤도인 지상 420 km 높이를 선회하는 유인 시설로, 크기는 웬만한 축구장 크기에 무게도 440톤이 넘어 점점 무거워지고 있다. ISS 상주인력의 동영상을 보면, 사람 몸이 떠다니고 물건이 날아다니는 무중력 상태를 볼 수 있는데, ISS 가 돌고 있는 저궤도 높이에서는 실제 무중력은 아니라고 한다. 하지만 무중력처럼 느껴지는 것은 ISS 가 지구를 회전 (속도: 시속 2만 7600 km, 93분마다 지구를 한 바퀴 돌고 있음) 하는 원심력 때문이다. 만일 원심력이 없다면, 지표면의 80~90% 정도 중력이 있다고 한다. 현재 ISS 의 상주인력수는 6 - 7명이다.

현재 (2022년 하반기) ISS 사용연한을 2030년까지로 연장하는 협상이 ISS 참여국 간에 진행 중인 가운데, 2022년 7월, 러시아는 2025년부터 ISS 프로그램에서 탈퇴하고, 자신들 독자 우주 정거장 구축에 집중한다고 선언한 상태이다. 아마도 2030년 이후로는 ISS 존재가치가 유지되기 어려울 수도 있다.

사실 ISS 는 건설 초기부터, 인류가 달과 화성 등에 장기 거주하기 위해 필요한 지식습득이 목적이었다. 예를 들면, 저중력 상태에서의 지구 농작물의 재배 가능성, 인간의 골밀도와 근육량의 변화, 우주 대기에서의 산소와 물 생산기술 실험 등이 대표적이다. 즉, 처음부터 과도기적인 우주 실험공간이었던 것이다. 이제는 달 기지 구축과 화성으로의 초기 이주자를 모집하고 있는 상황이 되었다. 아마도 ISS 의 활용가치는 시간이 지날수록 떨어질 것이고, 각 나라별 우주 정거장이 우후 죽순 더 생긴다면, 아마도 군사적 목적으로 사용될 것이다. 예를 들면, 적국의 인공위성 파괴나 무력화, 우주로부터의 직접 무기 투하, 기후 교란 등이 될 수 있다.

 

 

중국의 약진

중국의 경우, 2010년경, ISS 우주 정거장 개발 참여국으로 신청을 했으나 미국의 거부로, 중국 독자 우주 정거장 구축으로 계획을 변경한다. 그리고 그 후로 1년여 지난 2011년 9월, 자체 우주 정거장 첫 번째 모듈 톈궁(Tiangong)을 쏘아 올린다. 하지만 이 모듈만으로는 인간이 장기체류하기는 어려웠고, 그 뒤 여러 차례에 걸쳐 추가 모듈이 올려지고, 그 후로 10년 뒤인 2021년 4월, 비로소 장기체류가 가능한 거주 목적의 톈허(Tianhe)가 설치되면서 중국인의 우주 정거장 상주가 시작되었다.

현재 중국 우주 정거장을 활용한 국제협력이 활발히 논의 중인데, 여기에는 ISS 에 참여하지 못한, 돈 많은 중동 산유 국가들이 다수 포함되었다고 한다. 2022년 연말기준 톈궁의 크기는 ISS 의 3분의 1 정도이고, 상주 가능 인력수는 3~5명이지만, 향후 얼마나 더 모듈이 추가되어 크기가 커질지 알 수 없다.

향후 ISS 의 역할이 점점 축소되면, 중국 우주 정거장의 역할이 현재보다 더욱 커질지도 모르겠다. 연구 목적이든 군사 목적이든.

+ South morning post 의 Tiangong space station 동영상 : https://youtu.be/nvVNQoPmeYI

 

민간 우주 정거장 건설업체 등장

미국 NASA 는 2021년 12월, 총 3곳의 미국 민간기업을 대상으로 각각 1.3 - 1.6 억불의 자금지원을 시작하여, 현재 각 기업이 개발한 우주 정거장용 모듈기술을 NASA 주도로 성능검증하고 있다고 한다. 조만간 우주 테마파크가 생길지도 모르겠다. 현재 민간 우주 정거장 개발에 참여하고 있는 기업은 NASA 가 선정한 Orbital Reef (Blue Origin 자회사), Nanoracks LLC, Northrop Grumman 이고, NASA 가 투자하지는 않았지만 자체적으로 우주 정거장 구축을 위한 기술개발을 하고 있는 다른 민간기업도 있다.

 

(왼쪽) 풍선인형 (오른쪽) Sierra Space 의 민간 우주 정거장 개념도

 

이들 기업은 우주 정거장 구축에 필요한 비용을 최소화하기 위해 새로운 기술을 개발 중인데, 쉽게 말하면 단단한 풍선이다. 즉, 궤도에 올리는데 소요되는 비용을 줄이기 위해 부피와 무게를 최소화할 수 있고, 궤도에 올라간 후에는 공간을 극대화하여, 우주에서 장기간 사용할 수 있는 모듈을 개발 중이다. 현재 가장 앞서가고 있는 곳은 미국 Bigelow Aerospace 사의 BEAM (Bigelow Expandable Activity Module) 으로, 이미 ISS 에서 내구성 검증을 진행 중이다. 이 기술이 충분히 검증되면, 민간 우주 정거장 뿐만 아니라, 달과 화성 기지 구축에도 적용될 예정이라고 한다.

+ 풍선형 우주 거주시설 관련 동영상 (영문) : https://youtu.be/FEmoqRp8_dw

 

한국은 언제까지 구경만 할까

한국은 우주 정거장 관련해서는 아웃사이더지만, 필자 생각에는 냉전시대의 유물과도 같은 커다란 유인 인공위성인  ISS 같은 우주 정거장에 미련을 버리고, 지구의 진짜 위성인 달에 유인 기지를 독자적으로 하루라도 빨리 구축하는 것이 더 현실적인 방향으로 보인다. 길게는 50년 이상 ISS 에 투자했던, 참여국들끼리 달에서의 경제활동을 독점할 가능성이 높다. 현재 우주 운송수단을 가진 나라는 미국, 러시아, 중국, 인도, 일본, 프랑스 정도이고, 한국과 뉴질랜드가 지구 저궤도에 위성을 올릴 수 있는 첫걸음을 한 수준이다.

현재까지 사람이 상주할 수 있는 달 기지 구축 관련 기술을 선점한 국가는 아직 없으며, 과거 신대륙 개척 시대를 지나 식민지를 통해 부를 축적한 나라들이 지금까지도 강대국의 지위를 지키고 있는 것에 영감을 받는다면, 지구인이 상주 가능한 달기지 구축을 선점하는 국가가 향후 몇백 년 동안 달에 대한 지배적 위치를 갖게 될 것은 분명하다. 이미 중국은 달표면에 탐사로봇(Yutu-1/2)을 2차례 보냈으며, 일본도 민간 중심으로 달기지 구축을 위한 기술투자를 차곡차곡하고 있다. 예를 들면, Toyota 자동차는 현재 월면차 프로토타입을 개발 중이며, 단순히 달표면에서의 이동목적이 아닌 다목적 사용이 가능하도록 로봇팔도 탑재하는 방식으로 개발 중이라고 한다.

한국도 현대자동차의 전기차 생산기술과 자회사인 Boston Dynamics 로봇 기술을 융합하여, 우주선으로 이송 가능한 월면차 개발을 해봄직하다.

+ Toyota motor's Lunar Cruiser 공식 동영상 (2019년)  : https://youtu.be/VSO1Cat2wWo

 

+ 중국 달탐사 로봇 관련 동영상 : https://youtu.be/DH5RK8IDFfU

 

 

 

NASA's ARTEMIS PLAN

 

NASA's ARTEMIS Base camp on the Moon