로켓의 원리와 연료

로켓은 물 속이나 하늘, 공기가 없는 우주까지 어디라도 갈 수 있는 최첨단 운반기구예요. 이러한 로켓은 어떤 과학 원리를 이용했을까요?

17세기에 과학자 뉴턴은 '모든 운동에는 똑같은 크기의 반작용이 존재한다'라는 작용과 반작용의 법칙(뉴턴의 제3운동법칙)을 이야기했어요. 로켓이 나아갈 때 아래로 뿜어져 나오는 고온의 화염과 가스의 반작용으로 로켓이 위로 솟구친다는 것이죠.

그리고 어떤 물체가 아주 빠른 속도로 발사되어 높은 고도에 오르면 지상으로 떨어지는 일 없이 지구 주위를 선회할 것이라고 주장했어요. 이 속도를 제1우주속도라고 부르게 되었고요. 이 속도는 1초에 7.9㎞(대략 시속 2만8000㎞)를 갈 수 있습니다. 오늘날 우주정거장은 이 속도로 지구주위를 돌고 있지요.

로켓이 발사 후 몇 초 지나지 않아서 초속 7.9㎞ 이상의 속도에 도달하려면 아래쪽으로 나오는 화염과 고온의 가스의 압력은 어느 정도여야 할지 짐작이 되나요? 바로 연료가 필요하겠죠. 연료의 종류에 따라 고체추진제 로켓, 액체추진제 로켓, 하이브리드 로켓 등으로 나뉩니다.

고체추진제 로켓은 연료가 고체예요. 우리가 잘 알고 있는 화약이 바로 연료예요. 그런데 물체가 타려면 산소가 필요하지요. 고체연료와 산소가 많이 들어있는 재료(산화제)를 섞어서 고체추진제를 만들어요.

액체추진제 로켓은 액체 상태의 연료(알코올, 액체수소 등)와 산화제(액체산소)를 사용해요. 서로 다른 통에 담아 밸브와 펌프로 양을 조절하며 사용할 수 있어요. 고체연료보다 에너지가 크기 때문에 무거운 화물을 궤도에 올릴 때 사용해요.

하이브리드 로켓은 고체연료에 액체 산화제를 분사시켜 태우는 방법이에요. 여기서 산화제는 연료가 잘 타도록 도와주는 역할을 하는데 로켓이 짧은 시간 동안 아주 빠른 속도를 내려면 연료가 잘 타서 고온, 고압의 가스가 많이 분출되어야겠지요. 지상 30㎞ 정도만 가면 공기가 희박해져서 로켓이 자체적으로 산소를 공급해줘야 한답니다.

로켓에서 밖으로 나오는 고온, 고압의 가스는 로켓을 공기 중으로 치솟게 하는데 이 힘을 추력이라고 합니다. 무거운 로켓 자신의 무게를 이겨내고 위로 올라가야 하니까 로켓 무게가 가벼우면 좋겠지요. 그래서 로켓을 아래부터 1단, 2단, 3단 이렇게 층을 이루어 만들어요. 그래서 점화 후에 1단의 연료를 다 쓰면 로켓 본체에서 떨어져 나가고 곧바로 2단 로켓이 점화되는 방법으로 로켓을 조금이라도 가볍게 한답니다.

이렇게 2단 로켓과 3단 로켓이 같은 과정을 거치면서 결국에는 인공위성이나 우주선을 지구궤도에 올려 놓거나 행성탐사를 위한 속도를 얻게 하지요. 사실 거대하고 값비싼 로켓은 비행 몇 분 만에 지구 상공에서 장렬하게 타면서 사라집니다. 로켓은 자기를 희생시키며 온 힘을 다해 우주 공간 궤도 위에 미약한 위성이나 우주선을 내려놓습니다. 물론 연약해 보이는 이 위성은 진공, 무중력 상태에서 방사선과 태양열을 견디며 맡은 역할을 하지요.

우리나라는 로켓 개발을 위해 많은 노력을 하고 있고 우리 기술로 로켓을 제작하고 있습니다. 우리 기술로 뛰어난 성능의 로켓을 만들어 우리 우주선을 싣고 달나라를 다녀올 수 있는 그날을 위해 우리도 관심을 가지고 공부해야겠어요.

방일순 서울인왕초등학교 교사 <한국항공우주연구원 자료 제공>

[e-mail] 홍석근 기자