국제우주정거장(ISS)은 왜 지구로 떨어지지 않을까?

 

국제우주정거장(ISS)은 왜 지구로 떨어지지 않을까? – 궤도 유지의 과학

국제우주정거장(ISS)은 지구 상공 약 400km의 낮은 궤도에서 하루에 약 16바퀴, 즉 약 90분에 한 번 지구를 돌고 있습니다. 그런데 궁금하지 않으신가요? 그렇게 빠른 속도로 지구를 도는 거대한 구조물이 왜 지구로 떨어지지 않고, 오히려 계속해서 같은 궤도를 유지할 수 있는 걸까요?

1. 자유낙하와 궤도 운동의 개념

우주정거장은 사실 지구의 중력에 의해 계속해서 떨어지고 있는 중입니다. 그러나 단순히 아래로만 떨어지는 것이 아니라 매우 빠른 수평 속도를 가지고 있기 때문에, 지구의 곡률에 맞춰 계속 지구 둘레를 도는 상태가 됩니다. 이러한 상태를 **궤도 운동(orbital motion)**이라고 부릅니다.

이 개념은 뉴턴이 상상한 '포탄 실험'에서도 설명됩니다. 높은 산에서 수평으로 포탄을 발사했을 때, 속도가 충분히 빠르면 포탄은 지구를 따라 계속 낙하하면서 지구를 돌게 되는 것입니다.

2. 중력과 원심력의 균형

ISS가 지구로 떨어지지 않는 이유는 중력과 원심력 사이의 균형에 있습니다.

• 지구의 중력은 ISS를 끌어당기려 하고
• ISS의 빠른 공전 속도는 원심력을 만들어
  결국 일정한 고도에서 일정한 속도로 궤도를 유지하게 됩니다.

이 속도는 시속 약 28,000km로, 그 이하가 되면 ISS는 점점 지구에 가까워지고, 그 이상이 되면 궤도 이탈 위험이 생깁니다.

3. 공기의 영향과 궤도 유지

400km 상공은 매우 희박하지만 여전히 미세한 대기 저항이 존재합니다. 이로 인해 ISS는 아주 천천히 고도를 잃게 됩니다. 이를 방지하기 위해 ISS는 정기적으로 재점화(reboost) 작업을 수행합니다. 추진기를 이용해 속도를 살짝 높여 궤도를 복구하는 것이죠.

4. 실질적 무중력 상태란?

ISS에 있는 우주비행사들은 마치 무중력 상태에 있는 것처럼 행동하지만, 사실 그들은 중력이 존재하는 환경에서 지속적으로 자유낙하 중입니다. 그들과 ISS 모두 같은 중력과 같은 속도로 떨어지기 때문에 상대적으로 무중력처럼 느껴지는 것입니다.

결론

ISS는 중력에서 완전히 벗어난 것이 아니라, 지구의 중력을 역이용해 계속 낙하하면서 수평으로 돌고 있는 상태입니다. 궤도 속도와 중력의 균형, 미세한 대기 저항 보정 등 정교한 과학적 계산과 조절 덕분에 ISS는 지구로 떨어지지 않고, 인류의 중요한 우주 연구 거점으로 기능하고 있습니다.