우주를 향한 인류: 고체로켓
현대 사회에서 비행기는 우리에게 없어서는 안 될 존재가 되었다.
유럽으로 배낭여행을 가는데 수영해서 갈 수는 없지 않은가?
하지만 이 비행기는 불과 반 세기 전만해도 많은 사람들에게 꿈이나 다름 없었다.
비용은 오늘날 가격의 4~5배.
이 엄청난 가격을 지불하고 탑승을 한다고 해도 저세상에 갈 확률은 5배 [1].
물론 비행시간도 어마어마 했다.
1947년도에 시드니에서 런던을 가는 비행기는 자그마치 4일이 걸렸다.
하지만 인류의 천재성 덕분에 같은 경로는 현재 22~23시간 밖에 안 걸린다 [2].
그렇다면 어떤 기술적인 진보가 있었기에 이가 가능해진 것일까?
바로 비행기의 양날개에 장착된 터빈엔진(turbine engine) 이다.
비행기는 이 터빈엔진을 사용하여 목적지에 도달한다.
밑에 사진을 보면 바로 이해가 쏙 될 것이다.
터빈 엔진도대체 이게 우주와 무슨 상관이냐고 물을 수 있겠지만
우리는 비행기를 통해 한 가지 사실을 깨달을 수 있다.
엔진의 중요성.
우주로 가는 열쇠도 바로 로켓의 엔진이 쥐고 있다.
엔진을 고를 때 고려사항
그렇다면 로켓 엔진에는 어떤 종류가 있을까?
로켓은 그에 쓰이는 추진체(연료+산화제)에 따라 2가지로 분류된다.
*산화제가 없으면 연료는 타기만 할 뿐 폭발을 하지 않는다
고체로켓과 액체로켓.
고체로켓은 말 그대로 고체 상태의 추진체를,
액체로켓은 액체 상태의 추진체를 가리킨다.
이들은 각각 장점과 단점을 지니고 있고
로켓이 만들어지는 궁극적인 목적에 따라 하나의 엔진이 선택된다.
그렇다면 로켓 엔진의 추진체는 어떤 기준으로 선택이 될까?
1. 비추력 (specific impulse)
비추력은 로켓 엔진의 효율성을 판단하는 가장 기본적인 잣대이다.
비추력을 이해하기 위해서는 일단 추력(thrust)을 알아야 한다.
추력은 영어로 직역하면 ‘밀다’의 뜻으로 로켓이 지면에서 도약할 때 발휘하는 힘을 상징한다.
그리고 비추력의 ‘비’는 비율을 가리킬 때 쓰이는 단어이다.
그 비율은 바로 추진체의 무게.
고로 비추력이란 추진체의 무게가 단위당 생성할 수 있는 추력, 즉 힘이다.
비추력이 높을수록 로켓이 날아갈 수 있는 거리가 증가하기에
추진체는 로켓 엔진의 성능과 깊은 연결고리가 있다.
2. 안전성
알다시피 로켓의 추진체는 폭발물과 다름없다.
이 말인 즉슨 잘못 다뤘다가는 인명피해가 발생한다는 것이다.
그래서 추진체는 보관하기 편하고 수송하기 쉬울수록 좋다.
반대로 화학작용을 잘 일으키고 유독성이 강한 추진체는 피하는게 상책이다.
우주산업에서 대부분의 사고가 추진체와 연관되어 있는 것은 결코 우연이 아니기에
안전성은 추진체를 선택하는 데 있어서 매우 중요한 요소이다.
3. 무게
앞서 제시한 비추력에서 무게가 등장했다.
자동차에 탄 사람이 적을수록 차가 빨리 가듯이
로켓도 무게가 적을수록 우주로 가는 시간과 비용이 절약된다.
특히 추진체는 로켓 무게의 80~85%를 차지하기 때문에 [3]
더욱더 중요한 고려대상이 된다.
4. 밀도
밀도는 한정된 로켓의 내부 공간 안에 얼마만큼의 추진체가 들어갈 수 있는지를 나타낸다.
밀도가 높은 추진체는 그만큼 공간을 절약할 수 있게 도와주며
연료탱크가 요구되는 액체로켓의 경우 탱크의 크기가 작아도 무방하기에
무게를 줄이는 데에도 유리하다.
5. 추력
추력은 추진체가 발휘할 수 있는 힘을 나타낸다.
고로 더욱더 큰 폭발력을 자랑하는 추진체가 쓰일수록 로켓의 성능은 증가한다.
로켓의 추진체는 그 원소에 따라 만들어내는 폭발의 힘이 달라지기에
추력을 높이려면 특정한 원소로 이루어진 추진체가 선택된다.
이 밖에도 운영상의 문제, 가격 등과 같은 사항들이 존재한다.
이 고려사항들을 기반으로 고체로켓과 액체로켓으로 분류되는 현 우주산업.
하지만 그 기본적인 구성은 비슷하다.
로켓의 기본적인 구성
로켓의 ‘아주’ 기본적인 구성은 다음과 같다.
몸체(Body)
로켓의 모든 부분을 보호하고 지탱한다.
페이로드(Payload)
로켓의 맨 윗부분에 위치하며 우주로 가는 인공위성이나 탐사선, 또는 국제우주정거장에 보내질 식량이다.
*ICBM의 경우 핵탄두가 될 수 있다.
추진체 (Propellant)
로켓에 추력을 제공하는 연료와 산화제를 가리킨다.
연소실(Combustion Chamber)
로켓의 추진체가 연소하면서 폭발을 하는 공간이다.
고체로켓에는 별도의 연소실이 존재하지 않는다.
노즐(Nozzle)
연소과정에서 생기는 폭발력을 대기권과 우주에 내보내는 분출구다.
노즐로켓이 우주로 가는 방법
로켓은 뉴턴의 제 3법칙을 기반으로한 작용과 반작용의 법칙으로 우주로 간다.
여기에서 고체로켓과 액체로켓의 작동이 달라진다.
조금더 복잡한 액체 로켓은 다음 편에서 소개하도록 하고
오늘은 고체 로켓을 알아보도록 하자.
고체 로켓의 추진체는 가루(powder) 형태로 산화제와 연료가 뭉쳐져 있다 .
추진체는 원기둥 모양으로 로켓 내부에 보관된다.
이 원기둥의 중간은 상단에서 하단까지 구멍이 뚫려있다.
이때 원기둥 상단에 위치한 점화장치가 점화되면
추진체는 연소되기 시작하고 연소작용으로 생기는 폭발은
구멍을 타고 내려가 노즐에서 밖으로 분출된다.
분출되는 힘, 즉 추력은 지면에 작용을 하고 그 반작용으로 로켓은 우주로 간다.
고체 로켓 분류
고체 로켓은 추진체 알맹이의 보관 모양에 따라 분류되고 그 성능도 변한다.
아래 그림을 참조하자.
추진체 알맹이의 보관 모양http://www.braeunig.us/space/propuls.htm세로축은 추력(thrust), 가로축은 시간을 나타낸다.
1번을 예로 설명하겠다.
중간에 빈 원기둥 모양의 구멍을 갖고 있는 추진체는
점화 후 추력이 점차적으로 증가한다.
그 이유는?
추진체가 점화가 되면 점화 면적이 원형 모양을 유지하면서 밖으로 뻗어나간다.
이때 추진체가 타면서 원이 점차적으로 넓어지기 때문에
점화 면적이 커지고 추력이 증가한다.
반대로 6번을 보자.
톱니 모양의 구멍을 갖고 있는 추진체는 애초에 점화 면적이 넓다.
따라서 초반에 높은 추력을 자랑하고 시간이 조금 지나면
점화할 추진체가 없어서 추력이 급격하게 작아진다.
고체 로켓 쓰임
생각보다 간단하지 않은가?
고체 로켓은 실제로 이러한 운영상의 간단함에서 오는 이점이 많다.
우선적으로 추진체가 고체상태이기 때문에 장기간 동안 보관이 가능하다.
물론 수송하기에도 편리하고 사고가 날 가능성이 적다.
그리고 연소실과 연료탱크가 따로 필요없기 때문에
자연스럽게 로켓의 무게도 줄어든다.
이와 더불어 고체 추진체는 밀도가 높기 때문에 추력이 강하다.
따라서 높은 신뢰성, 안전성, 추진력을 자랑하는 고체 로켓은 군목적으로 완벽하다.
고체 로켓의 단점
하지만 얻는게 있으면 잃는게 있는 법.
고체 로켓의 치명적인 단점은 한번 연소하기 시작하면 멈출 수가 없다는 점이다.
자동차에 비유하자면 브레이크 기능이 없다는 것이다.
고로 여러가지 목적에 응용할 수 있는 유연성이 떨어진다.
수 많은 불안요소가 존재하는 우주산업을 고려하면 이는 큰 오점이다.
실제로 로켓은 발사 직전에 다양한 이유로 이륙이 중단된다.
날씨가 안 좋을 수도 있고, 로켓의 한 부분이 오작동 할 수도 있다.
고체 로켓의 미래
이 이유 때문에 현대 우주산업의 중심에는 액체 로켓이 자리잡게 되었다.
하지만 그렇다고 해서 고체 로켓이 우주에 안 쓰이는 것은 아니다.
미국 NASA의 우주왕복선(Space Shuttle)은 양 옆에 고체 연료 로켓 부스터를 장착했었다.
NASA의 우주왕복선
그리고 향후 NASA를 달과 화성으로 보내줄 우주발사시스템(Space Launch System)도
고체 연료 로켓 부스터를 사용할 예정이다.
NASA의 우주발사시스템
우주를 향한 인류의 도전.
그 속에 고체 로켓도 분명 제 역할을 하리라고 본다.
[1]
https://www.fastcodesign.com/3022215/what-it-was-really-like-to-fly-during-the-golden-age-of-travel
[2]
http://www.heraldsun.com.au/travel/news/what-flying-was-like-in-the-1950s-and-1960s-compared-to-now/news-story/690b0f6f9b16b27ab384e146ca854882
[3]
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/rocket/rktcompare.html
