지구 너머 우주로 로켓을 날게 하는 힘
지구 너머 우주로 로켓을 날게 하는 힘
  • 김지연 기자
  • 승인 2012.03.10
  • 호수 1361
  • 댓글 0
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“로켓 발사에 가장 중요한 핵심은 추진제”
욱진이는 우연히 어렸을 때 즐겨 보던 만화를 보게 됐다. 만화 속에서는 로켓이 발사되고 있다. 로켓 밑에서는 연기가 피어오르고 로켓은 빠르게 상승한다. 우리가 만화 속에서 흔히 보던 로켓은 어떤 원리로 우주로 날아오르는 것일까. 날아오르기 위해 필요한 것은 무엇일까.

로켓이 날아오르는 힘, 추력
로켓은 어떻게 발사되는 것일까. 로켓은 자체 내 추진제를 연소해 고온ㆍ고압가스를 생성한다. 이 가스는 노즐을 통해서 외부로 분사되고 그 반작용으로 힘을 얻는다. 이 반동에 의한 힘을 ‘추력’이라고 한다. 최현민<항공공학과 박사과정 10학기> 씨는 “풍선에 공기를 주입했다가 풍선을 놓으면 날아가는 현상을 생각하면 쉽다”며 “뉴턴의 작용ㆍ반작용 법칙을 생각하면 된다”고 설명했다. 로켓도 풍선처럼 자체에서 뿜어내는 가스의 반동에 의한 추력으로 날아오른다. 다시 말해 추진제가 갖는 화학 에너지가 연소하면서 열에너지로 변하고 열에너지가 노즐에 의해 운동 에너지로 변하는 것이다.

‘나로호’와 같은 다단 로켓의 경우 각각의 단계가 완전한 발사체로 자체의 추진제와 추진 시스템이 갖춰져 있다. 다단 로켓이 발사된 후 발사에 필요 없는 단계의 로켓은 버려진다. 최 씨는 “한 단계의 연료가 다 소모되고 나면 빈 연료통은 로켓이 비행하는 데 전혀 필요 없게 된다”며 “이 때 빈 연료통의 무게를 덜기 위해 한 단계를 분리해서 버린다”고 설명했다. 이렇게 필요 없는 무게를 줄임으로써 로켓은 계속 높은 속도를 유지할 수 있다.

▲ ESP(유럽우주기구)가 개발해 쏘아 올린 '아리안 5호 로켓'이다.
로켓의 연료, 추진제

로켓의 구성은 크게 추진제(연료)와 연료통, 화물로 나뉜다. 이 세 가지를 모두 합친 무게가 로켓의 ‘최초의 무게’가 된다. 로켓을 발사한 후에는 연료가 모두 연소된 후이기 때문에 로켓의 무게는 가벼워진다. 실제로 인공위성을 발사하는 데 사용되는 로켓은 80~90%가 추진제로 채워져 있고 로켓을 발사하는 데 결정적 역할을 한다. 추진제는 일반적으로 액체 추진제, 고체 추진제, 하이브리드 추진제로 분류한다.

다단 로켓에서 가장 먼저 분리되는 추진제는 주로 액체 추진제다. 액체 추진제는 보통 액화된 산소와 액체 연료로 이뤄져 있다. 연소실에서 액체 추진제가 고온의 가스를 형성하고 이 가스는 노즐을 통해 고속으로 방출된다. 액체 추진제는 고체 추진제에 비해 구조가 복잡하고 제작하는 데 비용이 많이 든다. 그러나 최 씨는 “액체 추진제는 추력을 조절할 수 있다”며 “다단 로켓에서 주로 1단에 액체 추진제를 사용하는 이유”라고 설명했다.

고체 추진제를 이해하기 위해서는 먼저 ‘모터’의 개념을 알아야 한다. 모터 로켓은 고체 추진제를 연료로 하는 로켓을 말하는데, 역사적으로 가장 오래된 로켓의 형태며 구조가 단순하다. 또 모터 로켓은 제작비가 저렴하고 엔진을 점화하는 데 걸리는 시간이 적지만 한번 점화가 되면 화력 조절이 쉽지 않다. 최 씨는 “대기권을 벗어난 후에는 그냥 날기만 하면 되기 때문에 화력 조절이 필요가 없다”며 “고체추진제를 다단 로켓에서 마지막 단계에 배치하는 이유가 바로 이 때문”이라고 설명했다.

하이브리드 추진제는 액체 추진제와 고체 추진제의 장점을 병합한 추진제다. 고체 연료에 액체 산화제를 주입해 이를 연소시켜 추력을 발생시킨다. 하이브리드 추진제는 개발 비용이 저렴하고 추력 조절이 용이해 정밀한 비행에 사용할 수 있다.

로켓은 군사적 목적 외에는 주로 위성을 쏘아 올리는 목적으로 발사한다. 조진수<공대 기계공학부> 교수는 “위성은 국민들에게 빠르게 정보를 알려줄 수 있는 중요한 수단이므로 최대한 빨리 쏘아 올려야 한다”고 강조했다. 이어 “위성을 쏘아 올리는 목적이 아니라면 다소 시간이 걸리더라도 우리가 직접 로켓 관련 기술을 개발하는 것도 중요하다”고 덧붙였다. 

참고: 도서 「로켓공학」, 「우주로켓」
사진 출처: 구글 이미지

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