우주여행을 위한 로켓의 원리와 연료

우주여행을 하기 위해서 가장 필요한 기술은 무엇일까요? 그것은 바로 우리를 우주 공간에 데려다 줄 로켓이에요. 우리나라에는 전남 고흥에 100kg 급 소형 위성을 쏘아 올릴 수 있는 로켓 발사 시설 ‘나로 우주센터’를 갖추고 있어요.

아무리 인공위성을 만드는 기술이 뛰어나다고 해도 우주 공간 위성 궤도에 진입해야 그 가치를 인정받겠지요. 우주 왕복선도 마찬가지예요. 그것은 로켓이 하는 일이에요. 로켓의 앞부분에 인공위성이나 우주선을 탑재하고 나머지 부분은 연료와 엔진 등으로 채워져요. 성능이 뛰어난 로켓을 만들기 위해 나라마다 소리 없이 치열하게 경쟁하고 있답니다.

1. 로켓의 원리

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

17세기에 우리가 잘 알고 있는 뉴턴이라는 과학자(사과가 떨어지는 것을 보고 만유인력 원리를 발견했다는)는 ‘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. 혹시 페트병 물로켓을 날려 본 적이 있나요? 페트병 안에 물을 반정도 채우고 나머지 부분을 공기펌프로 공기압력을 높여 발사하면 페트병 안의 공기가 물을 밀어내면서 멀리 날아가는 것과 같아요.

그리고 어떤 물체가 아주 빠른 속도로 발사되어 높은 고도에 오르면 지상으로 떨어지는 일 없이 지구주위를 선회할 것이라고 주장했어요. 이 속도를 제1우주속도라고 부르게 되었구요, 1초에 7.9km(대략 시속 28,000km)를 갈 수 있는 속도랍니다. 오늘날 우주정거장은 이 속도로 지구주위를 돌고 있지요.

2. 로켓의 연료

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

고체 추진제 로켓은 연료가 고체에요. 우리가 잘 알고 있는 화약이 바로 연료에요. 그런데 물체가 타려면 산소가 필요하지요. 고체연료와 산소가 많이 들어있는 재료(산화제)를 섞어서 고체 추진제를 만들어요.

액체 추진제 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.

산화제가 필요한 이유는 무엇일까요? 산화제는 연료가 잘 타도록 도와주는 역할을 하는데 로켓이 짧은 시간 동안 아주 빠른 속도를 내려면 연료가 잘 타서 고온, 고압의 가스가 많이 분출되어야겠지요. 그런데 공기 중의 산소만으로는 그렇게 할 수가 없어요. 더 많은 산소가 필요해요. 그리고 지상 30km 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. 2단 로켓의 추진제도 다 쓰고 나면 로켓 본체에서 떨어져 나가고, 3단 로켓 역시 같은 과정을 거치면서 결국에는 인공위성이나 우주선을 지구궤도에 올려놓거나 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. 우리도 우리 기술로 뛰어난 성능의 로켓을 만들어서 우리의 우주선을 싣고 달나라를 다녀올 수 있는 날을 위해 관심을 가지고 공부해야겠어요.

글 : 방일순(서울인왕초등학교 교사)

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