사이언스타임즈는 항공우주연구원과 공동으로 일반인들에게 우주항공기술에 대한 상식과 정보를 제공하기 위해 '우주항공기술 이것이 궁금하다'라는 기획시리즈를 연재합니다. 지난 4회에 걸쳐 연재한 우주기술편에 이어 항공기술편을 소개합니다. [편집자 註]

로켓은 용도와 사용 목적에 따라 구조가 다르다. 로켓의 구조는 더욱 강력하고 효율적인 로켓이 되기 위해 발전해왔다. 우리나라에서도 2002년 11월 28일 드디어 액체로켓 발사에 성공했다. KSR(Korean Sounding Rocket)III는 비록 실험용으로 제작된 간단한 형태의 로켓이지만, 로켓발사체이니만큼 로켓에 필요한 장치들을 잘 갖추고 있다.

이제부터 KSR-III를 기본으로 로켓의 구조에 대해 알아보자. KSR-III는 지름 1m, 길이 14m의 크기의 2단 액체로켓이다. 1단은 주엔진을 지지하고 날개를 장착하기 위한 엔진부, 주엔진에 산화제와 연료를 공급하는 탱크부, 연료 및 산화제를 가압하기 위한 가압탱크부로 이루어져 있다.

2단은 과학임무를 수행하기 위한 탑재물을 내장하고 외부환경으로부터 탑재물을 보호하는 노즈페어링부, 지상과의 교신 및 데이터 처리를 담당하는 전자탑재부, 2단 로켓의 자세를 제어하는 자세제어부, 1단과의 분리를 위해 필요한 단분리부 등으로 나누어진다.

로켓의 노즈페어링부부터 아래로 내려가며 어떠한 구조로 되어 있는지 알아보고 각 장치들의 역할에 대해 알아보자. 노즈페어링부는 원뿔형 기수와 탑재부를 가리키는 말이다. 원뿔형 기수는 노즈콘(Nose cone)이라고도 불린다. 기수는 그 아래쪽에 위치하고 있는 탑재물을 보호하는 역할을 한다. 로켓이 빠른 속도로 나아가게 되면 공기와의 마찰이 심해지게 되고 제일 앞쪽에 위치하고 있는 탑재물들이 손상을 입을 우려가 있다. 그것을 막기 위해 탑재물의 앞에서 공기를 갈라 탑재물을 보호하는 것이다.

그런데 왜 거의 모든 로켓들은 뾰족한 원뿔 모양의 기수를 가지고 있는 것일까? 이는 공기의 저항을 줄이기 위한 모양이다. 우주로 로켓을 쏘아올리기 위해선 빠른 속도를 필요로 한다. 기수의 모양이 평평하다고 생각해보자. 로켓이 빠른 속도로 나아가게 되면 공기는 평평한 기수 부분에 부딪히게 될 것이고 로켓은 그만큼 힘을 잃게 된다. 공기를 가르는 역할을 하는 원뿔형의 기수와 비교해 보았을 때, 똑같은 높이까지 올리는 데 더 큰 힘이 필요하게 된다.

탑재부는 인공위성 등의 탑재물이 실리는 곳이다. 로켓이 원하는 궤도까지 올라가게 되면 기수 부분이 갈라지면서 기수 안의 탑재물이 궤도에 진입하게 된다. 대부분의 로켓은 기수 모양이 원뿔형이기 때문에 그 모양에 맞게 인공위성 등의 탑재물 또한 원통형으로 되어있다. 인공위성의 경우 태양 전지판이 기수 안에 접혀져 있으며 궤도에 오르면 펼쳐지게 고안되어 있다.

전자 탑재부는 지상과의 교신을 하여 대기상태, 위치정보 등을 알려주고, 관성항법장치 등으로 데이터를 처리하는 역할을 하는 곳이다.

관성항법장치(INS : Inertial Navigation System)는 로켓의 자세, 현재 위치, 속도를 알 수 있는 장치이다. 수십년 전 항법사가 자취를 감춘 이유도 이러한 관성항법장치가 등장했기 때문이다. 기계적 특성상 조그만 오차가 누적되는 단점이 있지만, 수천km의 비행거리에서 오차는 수km 정도로 정밀한 장치이다.

원래는 미사일의 유도장치로 개발된 장치인데 유도물을 추적함에 있어서 자신의 위치를 정확히 알 수 있게 해주는 장치이다. 관성항법장치는 인공위성, 관제소와 같은 외부 원조의 도움을 받지 않아도 스스로 자기의 위치를 알 수 있다. 이러한 점 때문에 군사용으로 사용되었지만 민간기에도 적용하고 있다.

또한 항공기 등에는 위성항법장치(GPS : Global Positioning System)를 탑재하여 관성항법장치보다 좀 더 정확한 위치정보를 얻어내기도 한다. 하지만 이 관성항법장치가 없어지지 않고 있는 이유는 위성항법장치가 로켓과 항공기 동체의 상세정보까지 주고 있진 못하기 때문이다.

자세 제어부는 1단과 분리된 후 2단 로켓의 자세 제어를 담당하는 부분이다. 가스제트 자세제어 시스템은 로켓이 1단과 분리된 후 로켓의 자세를 제어하는 장치이다. 로켓은 속도가 엄청 빠르기 때문에 자세가 약간이라도 틀어지게 되면 결과적으로는 위성을 궤도에 올려놓는 데 실패하게 된다. 이만큼 자세를 제어하는 것은 중요하다. 바람이나 공기흐름의 이상으로 인해 로켓의 자세가 틀어지게 되면 반대쪽으로 가스를 내뿜어 바로잡는 역할을 한다.

단분리부는 말 그대로 1단과 2단을 분리해주는 부분이다. 단 분리를 하기 위해선 어떠한 힘이 가해져야 하는데 그 역할을 하는 장치가 탑재부 킥로켓이다. 1단의 액체 연료가 다 소모되고 나면 텅 빈 1단 로켓이 떨어져야 적은 연료로 더 높이 올라갈 수 있다. 그러기 위해선 1단과 2단의 분리를 위한 장치가 필요하고 그것이 탑재부 킥로켓의 역할이다.

가압 탱크부는 연료나 산화제가 똑같은 힘으로 뿜어져 나와 연소하도록 도와주는 역할을 한다. 가압탱크에는 헬륨가스가 들어 있다. 헬륨은 비활성기체로서 반응성이 낮고 안정해서 연료 또는 산화제와 반응을 하지 않는다. 연료와 산화제를 오래 사용하다 보면 연료와 산화제가 연소되기 위해 많이 빠져나가게 된다.

결과적으로 연료 탱크와 산화제 탱크의 내부압력이 낮아져 처음과 똑같은 힘으로 연료와 산화제를 밀어줄 수가 없다. 그래서 연료와 산화제가 나간 뒷부분을 헬륨가스가 채워주는 것이다. 그러나 가압하기 위해 탱크를 하나 더 실어야 하는 가압 액체로켓은 무겁다는 단점이 있기 때문에 터빈을 통해 똑같은 힘으로 연료를 분사하는 터빈 액체로켓이 더 많이 사용된다.

탱크부는 연료와 산화제가 들어 있는 탱크로 이루어져 있다. KSR-III에서 연료는 등유를 사용했고, 산화제로는 액체산소가 사용되었다. 이들 두 물질은 복잡한 배관을 타고 내려와서 연소실에서 만나 연소를 하게 된다. 또한 탱크의 물질들이 많이 빠져 나가게 되면 탱크가 비어서 처음과 같은 압력으로 연료와 산화제를 밀어줄 수가 없다. 그렇기 때문에 가압탱크가 쓰이는 것이다. 탱크를 하나 더 실어서 가압해야만 하는 가압 액체로켓은 무겁다는 단점이 있기 때문에 터빈을 통해 똑같은 힘으로 연료를 분사하는 터빈 액체로켓이 더 많이 사용된다.

엔진부는 로켓이 올라가기 위해 꼭 필요한 것이다. 주엔진과 날개(fin), 노즐 등으로 이루어져 있다. 주엔진은 로켓의 연료와 산화제가 만나서 연소하는 곳이다. 연료와 산화제의 양에 따라 로켓의 추력이 달라진다. 연소실 내에서 연료가 연소하면 가스가 발생하는데 그것만으로 로켓을 미는 힘이 생기는 것이 아니다.

로켓을 밀기 위해서는 노즐이 필요하다. 노즐은 연소가스를 밖으로 내보냄으로써 작용 반작용의 힘을 얻는 장치이다. 노즐의 크기에 따라 같은 양의 연소가스라도 로켓의 추력이 달라질 수 있다. 노즐은 강한 재료로 만들어야 한다. 노즐이 깨지거나 너무 빨리 마모되어 버리면 로켓은 힘을 잃고 떨어지기 때문이다.

@img10@ 날개(fin)도 로켓의 비행에 커다란 영향을 준다. 날개라고 무조건 양력을 발생시키는 것은 아니다. 로켓의 날개는 로켓에 안정성을 주기 위한 것이다. 자세 제어장치라 하더라도 로켓 자체가 제대로 방향을 잡고 가지 못한다면 소용없는 것이다. 이것을 도와주는 게 날개이다. 비행기의 동체가 약간 틀어지게 되면 바람이 날개를 쳐서 다시 원상태로 복귀시키는 역할을 한다.

타이탄, H2, 아리안, 새턴 등의 로켓은 이와는 다른 구조를 가지고 있으나, 그 기본구조는 여기에서 살펴본 KSR-III와 비슷하다.