[공부가 술술] 우주로 가는 로켓… ‘뉴턴의 제3법칙’ 숨었죠

과학교과서로 배우는 ‘로켓의 원리’

지난달 26일 우리나라의 첫 우주발사체인 나로호(KSLV-Ⅰ)가 전남 고흥 나로우주센터에서 발사될 예정이었지만 설비 이상으로 연기됐다. 앞서 5월에는 아리랑 3호 위성을 쏘아 올리는 등 우리나라 항공우주산업은 최근 몇 년 사이 가시적인 성과를 거두고 있다. 이를 보며 항공우주분야 과학자나 우주비행사를 꿈꾸는 어린이와 청소년이 적지 않을 것이다. 학교에서 배운 과학이론을 로켓의 원리와 연결시켜 공부해보는 것은 어떨까. 중학교 수준의 과학 교과서만 있으면 어렵지 않다.

지난 26일 발사 예정이었다가 설비 이상으로 발사 연기된 나로호(KSLV-Ⅰ)가 발사대에 세워졌을 때의 모습.
세계일보 자료사진

◆로켓 발사의 원리, ‘뉴턴의 제3법칙’에 있다

누구나 풍선을 크게 불어 하늘에 날려본 경험이 있을 것이다. 풍선은 바람이 다 빠질 때까지 날다가 떨어진다. 만약 풍선이 계속 바람을 뿜어낼 수 있다면 어떻게 될까. 계속 날아갈 것이다.

로켓이 우주 공간으로 날아오를 수 있는 원리가 바로 여기에 있다. 이는 뉴턴이 밝혀낸 운동 제3법칙이다. 즉 ‘작용·반작용의 법칙’으로 설명할 수 있다.

작용·반작용의 법칙은 ‘모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 항상 존재한다’는 말이다. 

고체나 액체 연료를 싣고 있는 로켓은 연료를 태우면서 생긴 가스를 분출시켜 위로 날아오른다. 로켓이 연소가스를 힘차게 분사시키면 계속 나아가게 된다.

연료를 태우려면 산소가 필요한데 로켓은 산소가 거의 없는 우주 공간에서 비행해야 한다. 때문에 로켓에는 연료와 함께 이것을 태울 수 있는 비슷한 양의 산화제도 싣는다. 로켓 전체 중량의 90% 이상을 연료와 산화제가 차지한다.

분출되는 연소가스의 양이 많으면 많을수록 로켓의 추진력이 커진다. 하지만 연료의 양이 많아질수록 그 무게에 해당하는 추진력은 더 커져야 하고, 추진력을 더 크게 하기 위해서는 많은 연료를 필요로 하는 악순환이 생긴다. 이를 보완하기 위해 나온 것이 바로 다단계 로켓이다.

보통 우주 발사체는 2단 이상으로 구성된다. 이때 1단은 로켓이 지구의 중력으로부터 빠르게 벗어나도록 하는 역할을 한다.

하지만 속도가 증가함에 따라 공기의 저항도 세지므로 1단의 가속도는 높지 않다. 약 10㎞ 상공부터 공기의 밀도는 빠르게 감소한다. 로켓은 계속 고도를 상승시키다가 50㎞ 이내에서 1단을 분리한다. 이어 2단이 즉각 엔진을 점화해 본격 속도를 증가시켜 나간다. 멀리 가는 로켓일수록 3단, 4단 등 단을 늘려 추진해 나가게 된다.

◆로켓 연료에도 ‘수소에너지’ 바람

로켓의 연료를 태워 에너지를 내는 부분은 화학과 관련이 있다.

최초의 로켓 연료는 흑색화약이었다. 흑색화약은 목탄을 연료로, 질산칼륨을 산화제로 사용해 중국의 화약에 쓰였다. 이후 흑색화약보다 성능이 좋은 다이너마이트의 연료, 니트로글리세린과 니트로셀룰로오스가 발명됐지만 화약류를 연료로 이용하는 로켓은 성능에 한계가 있었다.

1926년 세계 최초의 액체 연료 로켓이 만들어졌다. 첫 액체연료는 알코올과 액체 산소의 조합이었다. 이는 최초의 액체연료 미사일인 독일의 V-2에 사용됐다. 전쟁 후 로켓 기술의 급격한 발전 과정에서 고성능의 액체연료를 찾는 수많은 연구가 세계에서 진행됐다.

우주개발 초기부터 지금까지 가장 많은 인기를 얻은 액체연료는 케로신(등유)과 액체산소의 조합이다. 특히 러시아는 이를 이용해 최초의 우주 발사체 R-7을 개발했다. 케로신과 액체산소의 조합은 나로호의 1단에도 사용됐다. 하지만 케로신은 점화를 위해 별도의 장치가 필요하고 액체산소는 장기간 보관할 수도 없다는 단점이 있다.

로켓 연료 중 가장 성능이 높은 꿈의 추진제 조합은 액체수소(LH)와 액체산소(LOX)다. 이는 극저온이라는 특징과 매우 위험한 폭발성, 수소를 제작하는 데 드는 고가의 비용 때문에 실험실을 벗어나 로켓에 본격적으로 사용되기까지 많은 시간이 필요했다.

최초로 LH·LOX를 사용한 로켓은 1963년 미국 아틀라스호의 상단엔진 RL-10이다. 이후 LH·LOX는 상단 로켓의 연료로만 주로 사용되다가 1981년부터 우주왕복선의 메인 엔진 연료로 자리 잡았다. 러시아는 비교적 늦은 1987년 에네르기아호에 처음 사용했다. 현재는 일본의 H-2와 유럽의 아리안 5호는 물론 중국까지 개발에 나서고 있다.

로켓은 그를 밀어올리는 원리인 물리, 연료 연소의 원리인 화학뿐 아니라 지구과학, 첨단기술 등과 모두 관련 있는 과학의 총체다. 로켓의 다양한 원리를 교과서와 연결시켜 즐겁게 공부한다면 과학에 대한 이해는 물론 우주과학자의 꿈에도 한발짝 다가설 수 있을 것이다.

김희원 기자 [e-mail]