우주선은 어떻게 방향을 바꾸나?

우주선이 방향을 바꾸는 방법

 

추진체 없는 자세 제어의 기술, 반동 휠과 모멘텀 휠

우주선이 우주 공간을 날아간다고 할 때 많은 사람들이 영화 속 장면을 떠올립니다. 엔진이 불꽃을 뿜으며 방향을 바꾸고, 조종사가 조이스틱을 움직이는 순간 우주선이 원하는 방향으로 회전하는 장면 말입니다. 그러나 실제 우주에서는 그렇게 간단하지 않습니다. 진공 상태의 우주에서는 공기 저항도 없고, 추진체를 마음대로 사용할 수 있는 환경도 아닙니다.

그렇다면 추진체 없이도 우주선은 어떻게 자세를 바꾸고 방향을 전환할 수 있을까요? 그 해답은 바로 반동 휠과 모멘텀 휠이라는 기계적 장치에 있습니다.

 

우주선의 "자세 제어"란 무엇인가?

우주선의 자세 제어란, 우주선의 방향 혹은 회전 상태를 제어하는 것을 의미합니다. 예를 들어 위성이 지구를 촬영하려면 정확히 지구를 향해 있어야 하며, 탐사선이 특정 별이나 천체를 관측하려면 고정된 방향으로 장비를 조준해야 합니다.

지구에서는 비행기나 드론이 날개나 추진체를 이용해 방향을 바꿀 수 있지만, 우주는 무중력 상태이기 때문에 마찰력이나 공기 저항 같은 요소가 존재하지 않습니다. 따라서 회전을 멈추거나 방향을 전환하려면 물리적으로 다른 방식이 필요합니다.

 

추진체 방식의 한계

기체 연료를 사용하는 작은 추진기는 실제로 많은 우주선에 탑재되어 있습니다. 이를 통해 회전을 유도하거나 제동을 걸 수 있죠. 하지만 이 방식에는 중요한 제약이 있습니다.

첫째, 연료가 한정되어 있습니다. 추진체는 연료를 소모하며 작동하기 때문에 일정 시간이 지나면 고갈되고, 그 순간부터는 자세 제어가 불가능해집니다.

둘째, 정밀한 제어가 어렵습니다. 큰 자세 변경은 가능하지만, 작은 각도 조정이나 미세한 회전 제어에는 부적합할 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 바로 반동 휠과 모멘텀 휠입니다.

 

반동 휠 시스템의 원리

반동 휠(reaction wheel)은 기본적으로 회전하는 플라이휠입니다. 이 휠을 고속으로 회전시킬 때, 뉴턴의 제3법칙에 따라 우주선은 반대 방향으로 회전하게 됩니다. 이는 우주선 내부에서 발생하는 회전 운동이 외부에 작용하는 추진체 없이도 자세를 바꿀 수 있게 해주는 원리입니다.

반동 휠은 보통 3축 방향(x, y, z)에 대해 각각 하나씩, 총 3개 또는 4개가 설치됩니다. 네 번째는 여분 또는 대체용으로 사용되며, 하나의 축에서 고장이 발생했을 때 이를 보완할 수 있습니다.

회전 속도를 빠르게 하면 그만큼 더 큰 각운동량이 발생하고, 우주선은 더 크게 회전합니다. 반대로 회전 속도를 줄이면 반대 방향으로 회전하게 되죠.

이 시스템의 장점은 다음과 같습니다.

• 추진체 없이도 무한 반복 사용이 가능하다
• 매우 정밀한 자세 조정이 가능하다
• 소형 위성부터 대형 탐사선까지 폭넓게 적용 가능하다

 

모멘텀 휠과 반동 휠의 차이

모멘텀 휠(momentum wheel)은 반동 휠과 구조는 거의 같지만, 목적이 다릅니다. 모멘텀 휠은 일정한 방향으로 지속적으로 회전하면서 일정한 각운동량을 유지하고, 필요할 때만 속도를 조절하여 자세를 바꿉니다.

즉, 모멘텀 휠은 지속적인 회전을 통해 우주선의 방향을 안정적으로 유지하는 데 중점을 둡니다. 이 방식은 특히 지구 관측 위성과 같은 임무에서 자주 사용됩니다. 고정된 자세를 유지한 채 장시간 촬영이나 통신을 해야 하기 때문입니다.

반면, 반동 휠은 자세를 자주 바꾸고 다양한 방향으로 회전해야 하는 임무에서 주로 사용됩니다.

 

한계점과 보완 기술

반동 휠과 모멘텀 휠 모두 기계적 장치이기 때문에 시간이 지나면 마모되거나 고장이 날 수 있습니다. 특히 휠이 지나치게 빠르게 회전하게 되면 포화 상태에 도달하게 되며, 이때는 더 이상 자세를 바꿀 수 없습니다.

이러한 경우를 대비하여 대부분의 우주선은 여전히 소형 추진기를 보조적으로 탑재하고 있습니다. 휠의 속도를 리셋하거나 포화를 방지하기 위한 보조 수단으로 활용됩니다.

 

실제 사용 사례

대표적인 반동 휠 시스템의 성공 사례는 허블 우주망원경입니다. 허블은 휠을 이용해 정밀한 자세 제어를 수행하며, 30년 넘게 우주에서 안정적인 관측을 수행해왔습니다.

또한 화성 탐사선, 소행성 탐사선, 심지어 국제우주정거장(ISS)의 일부 시스템에서도 휠을 이용한 자세 제어가 활용됩니다.

최근에는 큐브샛이나 나노위성 등 초소형 인공위성에도 반동 휠 기술이 소형화되어 적용되고 있습니다. 이로써 무게와 비용을 줄이면서도 정밀한 자세 제어가 가능해졌습니다.

 

맺으며

우주에서는 아무것도 없는 공간 속에서 미세한 힘 하나로도 거대한 변화를 만들 수 있습니다. 반동 휠과 모멘텀 휠은 그러한 우주의 법칙을 정교하게 활용한 대표적인 기술입니다.

이 장치들은 추진체를 사용하지 않으면서도 방향을 바꾸고 자세를 유지할 수 있도록 해주며, 우주 탐사의 효율성과 지속 가능성을 높이는 데 크게 기여하고 있습니다.

눈에 보이지 않는 이 작은 휠의 회전이야말로, 우주선이 수십억 킬로미터를 항해하며 정확한 위치에 도달하게 만드는 숨은 주인공인 셈입니다.