지구 및 우주의 환경 & 공기의 특성
5장에서는 4장에서 알아봤던 지구 및 우주 환경에 대해 계속해서 알아보고 이어서 공기의 특성에 대해서도 알아보겠습니다.
1. 미세중력
위성이 궤도를 선회할 때 위성은 연속적인 자유낙하 상태이며 물체의 선회속력이 충분히 커 지구와 충돌하지 않습니다. 자유낙하 상태일 때 지구 중력과 위성의 낙하속도가 서로 상쇄되어 위성인 미세중력 상태에 놓이게 됩니다. 이러한 미세중력에서 구조물의 구조하중은 지상과는 다릅니다. 또한 중력의 영향으로 발생하는 대류현상 역시 존재하지 않습니다. 이러한 미세중력의 특성으로 정밀 베어링과 같은 완전한 구와 불순물이 없는 결정체 제조가 가능하여 순수의약품의 제조 등이 용이해지기 때문에, 이에 대한 연구가 이루어지고 있습니다.
2. 진공
고도가 높아질수록 우주공간은 압력이 낮아져 공기가 희박해지고 초진공의 세계가 됩니다. 이와 같은 진공 중에는 수소나 탄소 등의 분자는 존재하지 않으며 1㎤의 부피 중에 수십 개의 전자나 양자만이 존재합니다. 진공 중에 노출되었을 때는 가스분출현상이 발생하여 열적인 단열재난 접착제 및 혼합체의 구조물에서 가스가 분출하고 증발 가능한 물질은 대체로 증발하여 우주공간에 확산됩니다.
지상에서 진공상태의 모의실험을 할 때는 열진공 챔버나 진공 챔버를 이용합니다. 이러한 챔버를 사용하면 0.1~0.000000001torr까지의 진공상태를 모의실험하는 것이 가능하기 때문입니다. 우리나라에 경우 한국항공우주원이 직경 3.6m, 길이 3m의 열진공 시험챔버를 보유하고 있습니다.
3. 열 환경
우주에 떠있는 위성의 열 환경은 태양과 지구로부터의 복사량의 크기 및 분포에 따라 결정됩니다. 위성은 유입되는 태양의 복사, 지구로부터 반사되는 태양에너지, 지구와 지구대기로부터 방출되는 장파의 복사에너지 등에 의해 열적 에너지를 받으며, 위성 내부의 열원을 포함하여 장기적으로는 태양에 대해 거의 복사평형을 이룹니다. 5,507℃의 흑체 온도를 갖고 있는 태양과 -270℃에 달하는 심우주로부터의 온도는 온도의 극한치를 보여줍니다. 지구궤도위성의 경우는 보통 -70℃에서 80℃의 온도변화를 겪습니다. 만약 위성에 적당한 내부 열전도로가 제공되지 않으면 위성에서 태양이 비추는 부분과 반대편과의 온도 차이는 이와 같은 극한 상태가 될 것입니다.
4. 미세운석과 우주파편
지구 주위에는 혜성, 유성 등의 잔해와 같은 먼지들이 널리 분포되어 있으며, 이들을 미세운석이라고 합니다. 또한 수명이 다 된 우주비행체, 로켓 부스터의 파편, 고체로켓연료 입자 등이 마치 구름처럼 지구궤도를 떠다니고 있는데 이들을 우주파편이라고 합니다. 이들 미세운석과 우주파편은 그 크기가 대개 1cm이하로 매우 작지만 궤도 비행속력으로 충돌했을 때 매우 큰 운동에너지를 발휘하므로 주의가 요구됩니다.
다음으로 공기의 특성에 대해 알아보겠습니다.
1. 물리량
대기는 행성을 둘러싸고 있는 기체층이며 공기는 지구의 대기를 말합니다. 공기는 유체의 일종으로 유체는 물질의 네 가지 형태인 고체, 액체, 기체, 플라즈마 중 고체 상태를 제외한 상태를 말합니다.
유체의 운동을 유동이라 하며, 유동의 특성을 나타내는 기본적인 물리량에는 압력, 밀도, 온도, 속도가 있습니다. 이들 중 압력, 밀도와 온도는 스칼라양입니다. 압력은 유체를 구성하는 분자의 운동으로 발생하는 단위면적당 수직방향으로 작용하는 힘으로 N/㎡ 단위를 사용합니다. 밀도는 단위부피당 질량을 의미하며 Kg/㎥ 단위를 사용합니다. 또한 온도는 분자가 가지고 있는 평균운동에너지를 정량적으로 나타내는 수치로 그 단위는 Kelvin(K)를 사용합니다. K는 우리가 잘 알고 있는 섭씨와 다음과 같은 관계를 가집니다.
K = ℃ + 273.15
유동의 속도는 3차원의 경우 세 개의 성분을 갖는 백터량으로 단위는 m/s 입니다. 전압은 가상적으로 유속을 0으로 줄였을 때의 압력으로 단위는 Pt로 표시됩니다. 압력을 전압과 대비하여 정압이라고도 합니다. 그리고 전압과 정압의 차를 동압이라고 합니다.
6장에서 계속 이어집니다.