우주복 설계를 발전시키고 있는 Solosuits

제품 개발자에게 우주복 설계가 요청되는 일은 거의 없습니다. 우주복을 설계하려면 한 벌로서 온전한 기능을 하는 옷에 기계 시스템, 인간 변수 및 생명 유지 제약 조건을 통합해야 합니다. 모든 부품은 고장이 즉각적이면서도 치명적인 결과를 초래하는 환경에서 안정적으로 작동해야 합니다.

휴스턴에 위치한 우주복 개발사인 Solosuits는 차세대 우주복에 뛰어난 엔지니어링 설계를 적용하고자 노력하고 있습니다. 이 스타트업 회사의 목표는 엄격한 성능, 안전, 사용성 요건을 충족시키기 위해 각 부품을 지속적으로 개선하는 동시에 한 벌로서 온전히 작동하는 우주복을 만드는 것입니다. 이러한 목표 내에서 우주복 장갑은 가장 고도의 우주복 설계 과제입니다.

우주복 장갑은 서로 상충하는 엔지니어링 요구 사항들이 집약된 결과물입니다. 장갑은 밀봉된 가압 시스템의 일부로 작동하면서도 인간 손의 정교한 움직임을 보장해야 하기 때문에, 설계하기 가장 까다로운 부품 중 하나로 꼽힙니다. Solosuits의 수석 설계자인 Nik Moiseev에 따르면, 우주복 장갑은 수많은 관절 및 기동 메커니즘 이외에도 우주복 전체에 공통적으로 적용되는 방대한 성능 요구 사항을 충족해야 합니다. 그는 "장갑은 우주복에서 가장 어려운 파트입니다."라고 설명합니다.

기능적 측면에서 장갑은 우주비행사의 손과 외부 환경 사이에서 가압된 경계면 역할을 하며, 이는 밀봉된 시스템 내부에서 압력을 유지하는 동시에 자유로운 움직임을 가능하게 합니다. 이에 따라 근본적인 제약 조건이 생깁니다. NASA의 연구에 따르면, 내부 압력은 관절의 굴곡에 저항하는 힘을 발생시키는데, 이는 EVA 장갑 설계에서 잘 알려진 문제입니다. 이렇게 하면 움직이는데 필요한 힘이 증가하여 손의 피로도가 증가합니다. 따라서 장갑은 압력을 유지하고, 누출을 방지하며, 구조적 무결성을 유지하는 동시에 관절 토크를 줄이고 반복적이며 정밀한 손 동작이 가능하도록 설계되어야 합니다.

인간의 손은 인체에서 가장 기계적으로 복잡하고 정교한 구조 중 하나이기 때문에 이러한 설계 과제는 더욱 까다로워집니다. 우주복 엔지니어이자 기술자인 Artem Kozhemyakin은 다음과 같이 말합니다. "장갑에는 작은 파트들이 가장 많이 사용돼요." 장갑은 베어링, 연결 해제 장치, 구조적 요소 등 주변 하드웨어 시스템과 통합되어야 하며, 이는 모두 기동성과 사용성에 영향을 미칩니다.

다양한 체형은 또 다른 어려움입니다. 설계는 우주비행사마다 서로 다른 체형을 수용할 수 있어야 하며, 착용감, 도달 범위, 열 및 편안함이라는 요구 사항 측면에서 장시간 사용 시에도 일관된 성능을 유지해야 합니다. 이러한 제약 조건들이 곧 설계 과제를 정의합니다. 즉, 그 어떤 타협도 없이 압력을 유지하고 움직임을 보장하는 동시에, 인간의 신체에 완벽히 적응하는 시스템을 구축하는 것입니다.

디지털 반복을 사용한 성능 평가

이러한 과제를 해결하기 위해 3D 모델링 소프트웨어에 의존하는 Solosuits는 SOLIDWORKS® Design을 사용하여 구조화된 디지털 워크플로를 통해 우주복 부품을 개발합니다. 뛰어난 3D 모델링 도구를 사용할 수 있게 되면서, 이 소규모 스타트업 팀은 반복적인 물리적 제작에 드는 비용과 지연 없이 모델을 빠르게 구축하고 반복할 수 있게 되었습니다. Kozhemyakin은 이렇게 말합니다. "SOLIDWORKS for Startups 프로그램 덕분에 [고성능 기계 CAD] 비용 장벽 없이 모델링과 프로토타입 제작을 신속하게 진행할 수 있습니다." 이는 제조적합성을 고려한 설계가 프로세스 자체에 내재되어 있음을 의미하며, 낭비되는 시간과 자재를 줄여 더 지속 가능한 제품 개발을 실현합니다.

여러 설계 구성을 생성하고 평가하는 기능은 SOLIDWORKS의 핵심 기능 및 역량 중 하나입니다. Moiseev에 따르면, CAD 소프트웨어의 가장 중요한 측면 중 하나는 "빠르게 조합을 만들고 옵션을 찾는" 기능입니다. 이는 미세한 지오메트리 변화가 기동성, 밀봉 무결성, 전반적인 사용성 및 성능에 영향을 미칠 수 있는 장갑 설계에서 특히 중요합니다.

Solosuits는 SOLIDWORKS Simulation을 활용하여 제품 개발 수명 주기 내에서 하드웨어가 생산되기 전에 성능을 평가합니다. 팀은 설계를 가상으로 평가함으로써 제조 전에 잠재적인 문제를 조기에 파악하고 부품을 개선하며, 이는 폐기물 감소와 더 지속 가능한 제품 개발로 이어집니다.

혁신적인 엔지니어링 설계를 달성하는 데 있어 중요한 것은 인체 측정 데이터를 기반으로 하는 디지털 인간 모델을 사용하는 것입니다. (SOLIDWORKS는 Zygote와 파트너 관계를 맺고 있습니다.) 이 모델을 통해 팀은 서로 다른 체형이 우주복과 어떻게 상호 작용하는지 평가할 수 있습니다. 가압 상태에서는 인간의 움직임이 제한되지만, 가상 가압 시스템을 활용하면 Solosuits 엔지니어들은 실제 사람이나 물리적 프로토타입에 의존하지 않고도 착용감, 도달 범위, 관절 움직임을 평가할 수 있습니다.

이러한 구성 기반 설계, 시뮬레이션, 그리고 (향후 실제 모델로 이어지는) 디지털 모델상에서의 인간 중심 평가를 결합함으로써, Solosuits는 복잡한 요구 사항을 기능적이면서도 제조에 적합한 설계로 구현해내고 있습니다.

물리적 프로토타입을 줄이면 시간과 비용이 절약됩니다

Solosuits는 제품 개발 수명 주기의 상당 부분을 디지털 환경으로 옮김으로써 물리적 프로토타입에만 의존하지 않게 되었습니다. Kozhemyakin은 팀이 "실제로 만들어서 직접 테스트하는" 것이 아니라 여러 설계를 가상으로 동시에 검증할 수 있어 제품 개발 시간이 단축된다고 설명합니다.

여러 구성을 동시에 평가할 수 있으면 반복 작업이 빠르게 처리됩니다. 장갑의 성능은 수많은 작은 부품과 관절들의 상호작용에 달려 있기 때문에, 반복해서 다시 제작하는 과정 없이도 이를 통해 기동성 및 밀봉 특성을 보다 효율적이고 정밀하게 개선할 수 있습니다.

또한 인체 측정 기반의 인간 모델을 사용하면 설계 프로세스 초기에 인체 공학적 검증을 개선할 수 있습니다. 팀은 단 하나의 명목상 치수에 의존하는 대신 다양한 체형 전반에서 설계가 어떻게 기능하는지 평가할 수 있으며, 이는 물리적 프로토타입을 제작하기 전에 착용감, 도달 범위, 기동성 측면의 제약 조건을 식별하는 데 도움을 줍니다.

이러한 접근 방식을 사용하면 시간 흐름 속에서도 더욱 일관적으로 설계할 수 있습니다. Moiseev가 강조하듯, 새로운 세대의 설계가 나올 때마다 장갑은 "더 신뢰할 수 있고, 더 튼튼하며, 더 편안해지고" 있으며, 이는 제품 개발 수명 주기에 시뮬레이션, 구성 테스트, 인간 중심 평가를 기반으로 한 반복적 개선이 반영되어 있기 때문입니다.

극한의 환경 속 인간 중심 설계 발전

Solosuits에게 우주복 설계란 본질적으로 상상할 수 있는 가장 가혹한 환경 중 하나에서 인간이 최고의 퍼포먼스를 발휘할 수 있도록 지원하는 일입니다. 여기서 과제는 생명 유지 조건을 유지하는 것뿐만 아니라, 움직임, 편안함, 사용성을 제한하지 않으면서 이를 달성하는 것입니다.

팀은 SOLIDWORKS Design을 활용하여 디지털 방식으로 설계를 모델링, 시뮬레이션 및 평가함으로써 더욱 정밀하고 효율적인 방식으로 과제에 접근하고 엔지니어링 설계 우수성이라는 목표를 달성할 수 있습니다. 그 결과로 탄생하는 것은 지속적인 개선을 지원하고, 물리적 테스트에 대한 의존도를 줄이고, 설계를 반복할 때마다 자신감을 더욱 높여주는 개발 프로세스입니다.

상업 우주 활동이 확대됨에 따라 안전 및 기동성의 균형을 맞추고 제조적합성을 고려한 시스템을 설계할 수 있는 능력이 점점 더 중요해질 것입니다.