달을 향한 인류의 꿈, 시작은 불시착이었다

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달을 향한 인류의 꿈, 시작은 불시착이었다
[우주로켓개발사①] 최초의 로켓부터 액체연료로켓까지

2023.01.09 09:00

지난 2022년을 시작으로 인류의 경쟁적인 로켓 개발에 불이 붙었다. 한국의 누리호와 다누리 발사는 물론 제임스 웹 우주망원경(JWST), 아르테미스 미션, DART 프로젝트, 등 국제 프로젝트에도 시동이 걸렸고 2023년에도 활발한 우주탐사가 이어질 전망이다.

사이언스타임즈에서는 무기에서 시작한 로켓이 어떻게 인류의 희망이 되었는지를 짚어보는 기획 시리즈를 마련했다.

중세의 로켓

로켓이 현재까지 쓰이는 가장 오래된 동력기관이다. 자력으로 뜨는 인공물체 중 가장 오래된 것으로, 우주를 날아갈 수 있는 유일한 동력장치이며, 최첨단 기술의 복합체다.

중국에서 화약이 발명된 후 종교적 목적, 불꽃놀이, 숭배의식으로 쓰이다 무기로 응용하기 시작했는데, 문헌상 가장 오래된 로켓은 1232년 중국에서 사용된 비화창(불을 뿜으며 날아가는 창)이다. 금사에 따르면 1232년 칭기즈칸의 셋째 아들 오고타이 왕자가 금나라의 수도인 변경 성에 쳐들어갔을 때 금나라 수비군이 신무기인 비화창을 사용했다.

창의 앞부분에 화약을 넣은 통을 설치, 통속의 화약을 태우면 화약이 맹렬히 타면서 연소가스를 뒤로 분출하며 그 반작용으로 앞으로 날아가는 원리로, 목표물에 도착해 터지면서 주위를 태우는 당시 상당히 위력적인 무기였다. 중국뿐 아니라 우리나라를 비롯해 영국, 인도에서도 무기로서 로켓이 개발됐다.

고대 아시아에서 쓰인 최초의 로켓, 비화창과 신기전 ⓒNASA, Wikimedia

우리나라에서는 구조오례서례 기록된 신기전 모형 전시, 고려시대 최무선에 의해 1377년 세워진 화통도감에서 왜구를 물리치기 위한 화전, 주화 등의 화약무기들이 개발, 화살의 앞쪽에 화약을 붙인 방화용 무기 수준을 벗어나지 못했다.

그러나 화약을 다루는 기술이 조선시대에 들어오며 로켓이라 불릴만한 ‘신기전’이란 무기를 개발, 1400년대로(1448년) 유럽의 1600년대보다 훨씬 앞섰다. 산화 신기전은 세계 최초의 2단 로켓인 것이다. 화약을 넣은 약통과 긴 막대기를 연결해서 사용하는 무기로, 약통에 의해 먼 곳까지 날아가 목표물의 주변에 불을 지르고 약통 안에 있던 쇳조각들을 퍼뜨려 적들에게 피해를 주는 무기였고, 조선은 1451년 문종화차를 발명했다. 더 앞서서 화염 화살 발명은 1세기 경이었다.

종이 로켓의 추진체통은 18세기까지 전 세계에서 사용한 방법이다. 한국의 대신기전은 종이로 추진체를 담았던 통(propellant case)를 종이로 (말아서) 만든 로켓 중에서는 세계에서 가장 큰 규모의 로켓이다. 당시에는 질 좋은 종이를 만들 수 있는 나라에서만 성능 좋은 종이로켓을 개발할 수 있다. 추진체통이 추진체가 연소할 때 만드는 높은 압력에도 견뎌야 하기 때문이다. 대신기전과 비슷한 규모의 로켓이 외국에서는 1800년대 이후에나 등장하는데 (대신기전=산화신기전) 대신기전 총 길이 약 5.6m였다.

1230년대 몽골의 세계정벌로 중국의 화전이 여러 나라로 퍼져 나갔다. 몽골군이 송나라를 정복하며 화약기술 습득, 중국 기술자를 몽골군의 용병으로 참가시켜 유럽 정복에 활용했다.

몽고군이 사용한 로켓을 아라비아를 거쳐 이탈리아로, 유럽 전역으로 전파되었다. 인도는 1750년대 아리Ari라는 로켓을 개발했고, 영국은 인도의 것을 개량하여 콩그레브Congreve(나폴레옹 전쟁시 사용)를 포함 여러 종류의 로켓을 개발했는데, 이 콩그레브가 여러 나라로 퍼지면서 본격적으로 로켓 연구가 시작됐다.

고체연료 액체연료

고체연료는 연료와 산화제를 섞어 응고시킨 연료를 연소시키는 시스템으로, 적은 수의 구조 부품으로도 커다란 추진력을 얻을 수 있다. 그러나 불이 붙으면 연소를 멈출 수 없어 정확한 제어 컨트롤이 어렵다.

또한 연료가 연소할 때 발생하는 고온과 고압을 견뎌내도록 로켓 전체를 견고하게 제작해야 하기 때문에 무게가 많이 나간다. 추진체를 충전한 채로 장기보존이 가능하나, 재사용 발사체 개발이 어렵고, 목표궤도 투입정밀도가 상대적으로 낮다. 추진력이 비교적 낮다. 누출위험이 없다. 연소실이 곧 추진체 탱크이므로 간단한 구조이다. (2013년 쏘아 올린 나로호는 1단은 액체 2단은 고체로 이루어져 있다.)

고체로켓과 액체로켓의 구조도 ⓒ사이언스타임즈 김미경

액체 연료는 연료와 산화제를 개별 탱크에 분리해서 넣은 다음 연료실에서 둘을 혼합해 연소시키는 시스템이다. 연소상태 제어가 비교적 용이하고 정확한 추진력 조정이 가능하다. 구조가 다소 복잡하지만(많은 부품) 점화와 소화를 반복할 수 있다. 현재 각국에서 발사되는 대형 로켓은 거의 대부분 액체연료다.

로켓의 대량생산이 용이해 같은 기종을 여러 대 제작하며 신뢰성과 제품의 균일성을 높일 수 있고, 그 과정에서 제조비를 낮출 수 있다. SpaceX의 Falcon 1호 등 모두 액체로켓이다. 액체 로켓은 고체추진기관에 비해 추진력이 강해 중장거리 궤도 발사에 유리, 추력 제어가 가능해 1회 발사 시 여러 궤도에 다수의 위성을 투입할 수 있다.

액체산소는 영하 183도 이하 유지에 어려움이 있고, 폭발성도 강하다. 높은압력의 연료와 산화제를 안정적으로 연소실에 공급하는 펌, 추진체 탱크도 압력을 견뎌야 하고, 변질되기 쉽고 부식성이 커 발사 직전에 산화제와 연료를 주입해야 한다. 각종 밸브를 제어해야 하며 발사준비도 오래 걸린다.

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