우주추진 "로켓의 원리"

우주로켓 개요 및 "로켓의 원리"는 무엇인가?

로켓은 탑재체를 원하는 장소로 운송하는 기능을 한다. 따라서 로켓은 탑재체의 형태에 따라 인공위성이나 우주비행체와 같은 우주 임무를 수행하는 탑재체를 운송하는 우주발사체와 인명이나 시설을 파괴할 수 있는 원자핵이나 화학무기 등을 탑재한 미사일로 구분된다.

 

모든 기계처럼 로켓추진시스템은 에너지 변환 원리에 의하여 작동한다. 그림 9.1에 일반적인 로켓의 형상을 간략하게 표현하였다. 로켓은 크게 탑재부와 로켓 모터 또는 엔진으로 구성되며, 로켓 모터 또는 엔진은 운용 방법이나 목적에 따라 다양한 형태의 추진제, 점화장치, 연소관, 노즐 등 여러 부품으로 구성된다. 여러 구성품의 기능을 통해 로켓 엔진에서는 화학에너지, 원자력에너지 또는 전기에너지와 같은 저장된 에너지의 형태가 운동에너지라 불리는 다른 형태의 에너지로 변환되며, 이러한 변환과정을 통해 로켓을 추진하는 추력이라 불리는 힘이 생성된다.

 

로켓은 일반적으로 저장된 에너지의 종류와 형태에 따라 구분한다. 저장된 에너지의 종류에 따라 화학 로켓, 전기 로켓, 원자력 로켓 등으로 구분하며, 화학 로켓은 다시 추진제의 형태에 따라 고체로켓, 액체로켓으로 구분하게 된다. 세계적으로 로켓에 대한 첫 기록문서는 중국의 고체로켓으로 화살촉에 점화장치를 붙인 형태로 알려져 있다. 이후 1232년경에 목탄, 질산칼륨 및 유황 등을 조합한 '흑색화약이 발명되어 1900여 년경까지 사용됐다.

 

현대의 총포류 화약이 개발된 것은 19세기 후반이었고, 이후 과학의 발전과 더불어 매우 다양한 고성능의 고체연료가 개발되어 로켓에 적용되고 있다. 액체 로켓은 1920년대 로버트 고다드 등 로켓 선구자들에 의해 처음 시도되었다. 1930~1940년대 2차 세계전쟁 동안 무기로서의 활용을 위해 관련 기술이 비약적으로 발전하였으며, 이를 바탕으로 1957년 세계 최초로 인공위성을 올릴 수 있게 되었다.

 

우리나라 로켓은 최무선이 개발한 주화(走火)에서 국방과학연구소에서 백곰 미사일에 사용하기 위해 개발한 고체로켓이며, 우주발사체를 위한 액체로켓의 본격적인 개발은 한국항공우주연구소가 2013년 발사한 나로호(KSLV-1) 우주발사체가 최초이며, 현재는 1.5톤급 중형위성을 탑재할 수 있는 한국형우주발사체(KSLV-2, 누리호)의 75톤급 엔진을 순수 국내 기술로 개발하여 본격적인 우주발사체 시대를 열고 있다.

 

그리고 2022.06.21 대한민국 우주 시대를 개막하게 되는 계기인 "대한민국 독자개발 우주발사체 누리호 발사 성공"입니다. 과학기술정보통신부와 한국항공우주연구원은 국내 우주수송능력을 확보하기 위해 독자 개발한 한국형발사체 누리호 2차 발사가 국민의 관심과 성원 속에 성공했다고 발표했다. 한국항공우주연구원은 발사체 비행 정보를 담고 있는 누리호 원격수신정보를 초기 분석한 결과, 누리호가 목표궤도(700km)에 투입되어 성능검증위성을 성공적으로 분리‧안착시켰음을 확인하였다. 이번 누리호 발사 성공은 우리나라가 독자적인 우주운송 능력을 확보하고, 자주적인 국가 우주 개발 역량을 온전히 갖추게 되었다는 점에서 큰 의의를 가진다. 과기정통부 이종호 장관은 "정부는 앞으로 누리호 개발의 경험과 기술을 토대로 성능이 향상된 우주발사체 개발을 추진하여, 우리나라의 위성 발사 능력을 더욱 향상시켜 나갈 계획"이라고 강조했습니다.

로켓의 추력

로켓의 추력 원리 역시 동일하며 간략한 예를 날아가는 풍선을 통해 이해할 수 있다. 공기가 가득 찬 풍선을 잡고 있다가 놓으면 공기가 빠져나오면서 풍선은 반대 방향으로 날아간다. 풍선을 빠져나오는 공기는 풍선이 반대방향으로 움직이게 하는 힘을 발생시키며 이 힘을 추력이라고 한다. 이러한 원리는 뉴턴의 작용과 반작용 법칙으로 작용하는 모든 힘에는 같은 크기의 힘이 반대 방향으로 작용하는 것을 말하는데, 이것이 로켓이 추진되는 기본 원리이다. 즉, 로켓에서는 고체나 액체 등의 연료를 연소시켜 고온 고압의 가스를 만들고 이를 외부로 분출시키는데 이 힘의 반작용으로 추력이 발생하는 것이다.

 

일반적인 항공기의 엔진과의 차이는 엔진에 제공하는 산화제의 공급 방식에 있다. 외부 공기로부터 산화제를 공급받아 연료를 연소시켜 가스를 발생시키는 항공기의 엔진과 달리, 로켓은 연료와 함께 산화제를 탑재하고 있다. 따라서 항공기와 비교하여 로켓은 산화제를 탑재한 양만큼 비효율적이나 공기가 없는 우주에서도 작동이 가능한 장점을 갖는다. 풍선에서 얻어지는 추력의 발생원리를 로켓 엔진에 적용하여 나타내면 그림 9.3과 같게 된다. 추진제의 연소로 인해 발생되는 가스로부터 연소실에 압력이 발생되며 모든 연소실 내부에서의 압력은 거의 동일하다. 발생된 가스는 노즐을 통해 가속되고 압력은 하강하게 된다. 이와 같이 내부와 외부 압력 차이에 의해서 발생되는 힘이 추력이 되며, 가스 제트의 진행방향과 반대로 발생하게 된다.

 

로켓이 높은 추력을 얻기 위해서는 배출되는 질유량과 배기가스의 속도가 높아야 한다. 이를 위해서는 연소실에서의 압력을 증가시켜 배출되는 가스의 유량을 높이고, 노즐에서의 팽창비, 즉 노즐 목 면적, 4와 출구 면적, 4의 비를 크게 하여 배출 속도를 증가시켜야 한다. 일반적으로 우주에 진입하기 위한 로켓은 매우 큰 추력을 필요로 하기 때문에 대략 2~3000K, 50~200bar 수준의 고온 고압 가스를 연소실에서 발생시킬 수 있도록 고성능의 추진제를 적용하고 팽창비 10 이상의 매우 큰 노즐을 적용한다.