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한국 최초의 우주인 탄생, 천리안 발사 등으로 항공우주과학이 전국의 이슈로 떠오르고 있다. 사이언스타임즈는 항공우주과학에 대한 이해를 돕고, 관심을 고취시키고자 한국항공우주연구원에서 발행중인 웹진 카리스쿨의 콘텐츠를 주 1회 제공한다.
로켓은 대부분 긴 연필 모양이지만 자세히 살펴보면 조금씩 차이가 있다. 길쭉한 막대 모양으로 생긴 것도 있고, 몇 개의 보조 기둥이 붙어 있는 모양도 있다. 한국 최초 우주인인 이소연 박사가 탑승했던 소유스 로켓의 경우, 가운데 긴 연필 모양의 로켓이 있고, 이 주위에 몇 개의 작은 연필 모양 로켓이 붙어 있다. 그렇다면 이렇게 로켓의 모양이 다른 것은 무슨 이유일까?
소유즈 로켓 모양을 설명하기 앞서 로켓 모양을 결정하는 몇 가지 요소를 살펴보자. 우선 가장 큰 영향을 주는 것은 로켓의 연료인 추진제의 종류다. 로켓은 고체추진제 로켓과 액체추진제 로켓으로 나뉘는데, 액체추진제 로켓이 훨씬 큰 탱크를 가진다. 고체추진제 로켓은 추진제 탱크가 곧 연소실이지만 액체추진제 로켓은 추진제 탱크와 연소실이 분리돼 있어 추진제 탱크의 내부 압력이 낮기 때문이다. 고체와 액체 로켓을 모두 사용하는 미국의 우주왕복선에서 그 크기의 차이를 볼 수 있다.
액체추진제 로켓도 사용하는 연료에 따라 모양이 각각 다르다. 연료 밀도에 따라 연료탱크의 크기가 달라지기 때문이다. 케로신의 밀도는 물보다 약간 낮은 0.82g/cc이지만 액체수소는 0.071g/cc에 불과하다. 같은 무게의 케로신과 액체수소를 보관한다면 액체수소를 연료로 사용하는 로켓에 더 큰 추진제 탱크가 필요하게 된다. 그래서 액체수소를 연료로 사용하는 미국의 우주왕복선이나 유럽의 아리안 5호의 경우, 매우 큰 추진제 탱크를 가진 것을 볼 수 있다.
가장 큰 요소는 추진제의 종류
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로켓의 다단 구성도 모양에 영향을 미친다. 로켓이 지구 중력을 이기고 우주로 날아가기 위해서는 매우 빠른 속도가 필요한데, 다단 구성은 이 속도를 얻기 위해 여러 개의 로켓을 순차적으로 점화하는 방식을 말한다. 오늘날의 로켓은 대부분 2~3개의 단으로 구성돼 있는데, 보통 다단 로켓은 마치 탑을 쌓듯 아랫단 위에 다음 단을 올려놓는 직렬형이다. 케이크처럼 동그란 원통이 크기순으로 쌓여있다고 상상하면 이해하기 쉽다.
똑같은 직렬형 로켓이라도 1단과 2, 3단의 직경이 달라지면 모양은 달라진다. 과거에는 1단 로켓의 규모가 매우 크고 2단과 3단은 작은 경우가 많았다. 그래서 프랑스의 디아망 같은 로켓은 ‘위로 길쭉한 3단 케익’처럼 생겼다. 하지만 대부분 현대 로켓은 1단과 같은 지름을 가지면서 길이가 짧은 2단과 3단 로켓을 결합시키고 있다. 러시아의 제니트, 일본의 H-2, 미국의 델타4 같은 로켓이 1단과 같은 지름의 2단을 사용하고 있어 전체 로켓의 모양은 긴 원통형이다.
다단 구성을 병렬로 할 경우 로켓의 모양은 완전히 달라진다. 병렬형 다단이란 1단 위에 2단 로켓이 있는 것이 아니라 2단 로켓 주위에 1단 로켓이 자리잡은 상태를 말한다. 대표적인 병렬형 다단 로켓이 소유즈 로켓인데, 이 로켓을 살펴보면 4개의 1단 로켓이 중앙의 2단 로켓을 둘러싸고 있는 모양임을 볼 수 있다.
그렇다면 소유즈는 왜 이런 모양을 가졌을까? 1950년대 이 로켓을 개발할 당시에는 미지의 우주공간에서 2단 로켓을 점화시키는 데 기술적인 어려움이 있었다. 중력이 작용하는 지상에서 점화되는 1단과 달리 무중력의 환경에 노출되는 2~3단 로켓의 점화는 로켓 과학자에게 골칫거리였던 것이다.
무중력의 환경에서 액체추진제는 마치 무중력의 우주선 안에 둥근 공 모양으로 떠돌아다니는 물방울처럼 탱크 속에서 뭉쳐진다. 이 상태의 추진제는 연소실로 이동하지 못하므로 로켓 엔진은 작동하지 못하게 된다.
이를 해결하기 위해 소유즈 로켓은 일반 로켓에서는 ‘0단’이라 불리는 보조로켓처럼 보이지만, 실제로는 액체연료를 실은 소유즈 로켓 1단과 2단이 지상에서 같은 시간에 불 붙일 수 있는 방법을 찾았고, 병렬형 다단 로켓을 개발하게 됐다. 따라서 소유즈 로켓은 다단 로켓임에도 불구하고 1단과 2단이 지상에서 같은 시간에 불이 붙는 로켓이 됐다. 미국의 우주왕복선도 병렬형 단 구성이며, 이런 로켓들은 1단이 분리된 이후에도 2단은 계속해서 연소를 하게 된다.
러시아의 로켓과학자들은 다단 로켓의 점화 문제를 풀기 위해 병렬형 다단 외에도 ‘뜨거운 분리 기술(hot separate technology)’을 개발했다. 이는 로켓이 가속되는 동안 상단의 로켓을 점화하는 방식이다. 우리가 알고 있는 다단 로켓은 아랫단의 로켓이 연소를 끝낸 뒤 윗단의 로켓을 점화한다. 이런 분리를 ‘차가운 분리 기술(cool separate technology)’이라고 한다면 아랫단의 연소가 끝나기 전에 윗단을 점화하는 것이 바로 ‘뜨거운 분리 기술’이다.
뜨거운 분리의 경우 윗단의 로켓 화염 때문에 아랫단이 손상되거나, 아랫단에 부딪친 불길이 거꾸로 올라와 윗단이 부서질 수가 있다. 따라서 이 기술을 사용하는 로켓은 단과 단 사이에 화염이 잘 빠져나갈 수 있도록 그물망으로 둘러싸여 있다. 러시아와 중국의 로켓이 대부분 이런 그물망을 가진 모양을 하고 있다.
보조로켓의 사용 여부도 로켓의 모양을 크게 다르게 만든다. 보조로켓은 1단 로켓에 많이 사용되는데, 이것은 1단의 추진력을 보충하는 역할을 해 ‘0단’이라고도 부른다. 액체추진제를 사용하는 로켓 중 고체추진제 로켓을 보조로켓으로 사용하는 경우가 많다. 원통형의 로켓 옆에 작은 원통형 로켓이 몇 개 더 추가로 붙어 있는 모양을 한 것이다. 유럽의 아리안 로켓이나 일본의 H-2 로켓, 미국의 아틀라스 V 500 로켓이 보조 로켓을 사용하고 있다.
다양한 로켓 모양은 성능 높이려는 노력의 결과
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인공위성을 탑재하는 페어링의 크기도 로켓의 모양을 다양하게 만드는 요인 중 하나다. 페어링은 로켓이 대기권을 비행하는 동안 인공위성을 보호하는 덮개다. 로켓 성능이 좋아 여러 개의 위성을 동시에 발사할 경우 페어링은 크고 길게 만들어진다. 미국의 델타4 헤비의 경우 페어링의 직경은 5m이고, 길이는 19m나 된다. 우리의 천리안 위성을 발사한 유럽의 아리안 5호도 직경 5.4m에 길이 7m의 대형 페어링을 가지고 있다.
결국 로켓 모양이 다양한 것은 주어진 한계 속에서도 로켓의 성능을 최대로 높이려는 로켓 과학자들의 노력의 결과라 할 수 있다. 힘세고, 가볍고, 빠른 로켓을 개발하기 위한 과학자들의 노력이 있으니 앞으로도 더 특별한 모양의 로켓을 볼 수 있게 되지 않을까?
소유즈 로켓 모양을 설명하기 앞서 로켓 모양을 결정하는 몇 가지 요소를 살펴보자. 우선 가장 큰 영향을 주는 것은 로켓의 연료인 추진제의 종류다. 로켓은 고체추진제 로켓과 액체추진제 로켓으로 나뉘는데, 액체추진제 로켓이 훨씬 큰 탱크를 가진다. 고체추진제 로켓은 추진제 탱크가 곧 연소실이지만 액체추진제 로켓은 추진제 탱크와 연소실이 분리돼 있어 추진제 탱크의 내부 압력이 낮기 때문이다. 고체와 액체 로켓을 모두 사용하는 미국의 우주왕복선에서 그 크기의 차이를 볼 수 있다.
액체추진제 로켓도 사용하는 연료에 따라 모양이 각각 다르다. 연료 밀도에 따라 연료탱크의 크기가 달라지기 때문이다. 케로신의 밀도는 물보다 약간 낮은 0.82g/cc이지만 액체수소는 0.071g/cc에 불과하다. 같은 무게의 케로신과 액체수소를 보관한다면 액체수소를 연료로 사용하는 로켓에 더 큰 추진제 탱크가 필요하게 된다. 그래서 액체수소를 연료로 사용하는 미국의 우주왕복선이나 유럽의 아리안 5호의 경우, 매우 큰 추진제 탱크를 가진 것을 볼 수 있다.
가장 큰 요소는 추진제의 종류
로켓의 다단 구성도 모양에 영향을 미친다. 로켓이 지구 중력을 이기고 우주로 날아가기 위해서는 매우 빠른 속도가 필요한데, 다단 구성은 이 속도를 얻기 위해 여러 개의 로켓을 순차적으로 점화하는 방식을 말한다. 오늘날의 로켓은 대부분 2~3개의 단으로 구성돼 있는데, 보통 다단 로켓은 마치 탑을 쌓듯 아랫단 위에 다음 단을 올려놓는 직렬형이다. 케이크처럼 동그란 원통이 크기순으로 쌓여있다고 상상하면 이해하기 쉽다. 똑같은 직렬형 로켓이라도 1단과 2, 3단의 직경이 달라지면 모양은 달라진다. 과거에는 1단 로켓의 규모가 매우 크고 2단과 3단은 작은 경우가 많았다. 그래서 프랑스의 디아망 같은 로켓은 ‘위로 길쭉한 3단 케익’처럼 생겼다. 하지만 대부분 현대 로켓은 1단과 같은 지름을 가지면서 길이가 짧은 2단과 3단 로켓을 결합시키고 있다. 러시아의 제니트, 일본의 H-2, 미국의 델타4 같은 로켓이 1단과 같은 지름의 2단을 사용하고 있어 전체 로켓의 모양은 긴 원통형이다.
다단 구성을 병렬로 할 경우 로켓의 모양은 완전히 달라진다. 병렬형 다단이란 1단 위에 2단 로켓이 있는 것이 아니라 2단 로켓 주위에 1단 로켓이 자리잡은 상태를 말한다. 대표적인 병렬형 다단 로켓이 소유즈 로켓인데, 이 로켓을 살펴보면 4개의 1단 로켓이 중앙의 2단 로켓을 둘러싸고 있는 모양임을 볼 수 있다.
그렇다면 소유즈는 왜 이런 모양을 가졌을까? 1950년대 이 로켓을 개발할 당시에는 미지의 우주공간에서 2단 로켓을 점화시키는 데 기술적인 어려움이 있었다. 중력이 작용하는 지상에서 점화되는 1단과 달리 무중력의 환경에 노출되는 2~3단 로켓의 점화는 로켓 과학자에게 골칫거리였던 것이다.
무중력의 환경에서 액체추진제는 마치 무중력의 우주선 안에 둥근 공 모양으로 떠돌아다니는 물방울처럼 탱크 속에서 뭉쳐진다. 이 상태의 추진제는 연소실로 이동하지 못하므로 로켓 엔진은 작동하지 못하게 된다.
이를 해결하기 위해 소유즈 로켓은 일반 로켓에서는 ‘0단’이라 불리는 보조로켓처럼 보이지만, 실제로는 액체연료를 실은 소유즈 로켓 1단과 2단이 지상에서 같은 시간에 불 붙일 수 있는 방법을 찾았고, 병렬형 다단 로켓을 개발하게 됐다. 따라서 소유즈 로켓은 다단 로켓임에도 불구하고 1단과 2단이 지상에서 같은 시간에 불이 붙는 로켓이 됐다. 미국의 우주왕복선도 병렬형 단 구성이며, 이런 로켓들은 1단이 분리된 이후에도 2단은 계속해서 연소를 하게 된다.
러시아의 로켓과학자들은 다단 로켓의 점화 문제를 풀기 위해 병렬형 다단 외에도 ‘뜨거운 분리 기술(hot separate technology)’을 개발했다. 이는 로켓이 가속되는 동안 상단의 로켓을 점화하는 방식이다. 우리가 알고 있는 다단 로켓은 아랫단의 로켓이 연소를 끝낸 뒤 윗단의 로켓을 점화한다. 이런 분리를 ‘차가운 분리 기술(cool separate technology)’이라고 한다면 아랫단의 연소가 끝나기 전에 윗단을 점화하는 것이 바로 ‘뜨거운 분리 기술’이다.
뜨거운 분리의 경우 윗단의 로켓 화염 때문에 아랫단이 손상되거나, 아랫단에 부딪친 불길이 거꾸로 올라와 윗단이 부서질 수가 있다. 따라서 이 기술을 사용하는 로켓은 단과 단 사이에 화염이 잘 빠져나갈 수 있도록 그물망으로 둘러싸여 있다. 러시아와 중국의 로켓이 대부분 이런 그물망을 가진 모양을 하고 있다.
보조로켓의 사용 여부도 로켓의 모양을 크게 다르게 만든다. 보조로켓은 1단 로켓에 많이 사용되는데, 이것은 1단의 추진력을 보충하는 역할을 해 ‘0단’이라고도 부른다. 액체추진제를 사용하는 로켓 중 고체추진제 로켓을 보조로켓으로 사용하는 경우가 많다. 원통형의 로켓 옆에 작은 원통형 로켓이 몇 개 더 추가로 붙어 있는 모양을 한 것이다. 유럽의 아리안 로켓이나 일본의 H-2 로켓, 미국의 아틀라스 V 500 로켓이 보조 로켓을 사용하고 있다.
다양한 로켓 모양은 성능 높이려는 노력의 결과
인공위성을 탑재하는 페어링의 크기도 로켓의 모양을 다양하게 만드는 요인 중 하나다. 페어링은 로켓이 대기권을 비행하는 동안 인공위성을 보호하는 덮개다. 로켓 성능이 좋아 여러 개의 위성을 동시에 발사할 경우 페어링은 크고 길게 만들어진다. 미국의 델타4 헤비의 경우 페어링의 직경은 5m이고, 길이는 19m나 된다. 우리의 천리안 위성을 발사한 유럽의 아리안 5호도 직경 5.4m에 길이 7m의 대형 페어링을 가지고 있다. 결국 로켓 모양이 다양한 것은 주어진 한계 속에서도 로켓의 성능을 최대로 높이려는 로켓 과학자들의 노력의 결과라 할 수 있다. 힘세고, 가볍고, 빠른 로켓을 개발하기 위한 과학자들의 노력이 있으니 앞으로도 더 특별한 모양의 로켓을 볼 수 있게 되지 않을까?
- 글: 정홍철 과학칼럼니스트 (스페이스스쿨 대표)
- 저작권자 2010-08-30 ⓒ ScienceTimes
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