로켓

로버트 고다드와 그의 첫 액체연료 로켓

로켓(rocket)은 배출 가스를 빠르게 분사함으로써 그 반작용으로 추력을 얻는 비행체를 말한다. 종종 로켓은 '로켓 엔진'을 지칭하는 말로도 쓰이며 군사적으로는 탄두를 싣고 적의 주요 건물, 기지등을 타격하기 위해 발사하는 미사일 중 고체 추진제를 사용하고 비유도 방식의 미사일에 한정하여 사용하기도 한다. 로켓은 추력을 얻기 위해 추진제(propellant)를 산화제(oxidizer)와 연소시켜 배출 가스를 노즐을 통해 초음속으로 분사함으로써 그 반작용으로 기체를 가속한다.

추진제는 고체 추진제와 액체 추진제가 있고 이 둘을 함께 사용하는 경우도 있다. 이러한 추진제의 연소로 추진하는 로켓을 화학 추진 로켓이라 한다.

화학 추진 로켓이 가장 일반적이지만 이 외에도 증기 추진 로켓(steam powered rocket)이나 핵 추진 로켓(nuclear powered rocket)도 있다. 증기 추진 로켓은 과열 증기를 분사하여 추력을 얻으며 추진제인 물이 구하기 쉽고 안전하다는 장점이 있는 반면 효율이 낮다. 핵 추진 로켓은 냉전 기간 중 미국에서 대륙간 탄도 미사일(ICBM)용으로 연구하였으나 화학추진로켓이 목적하는 성능을 달성하면서 계획이 포기되었다. 증기추진로켓이나 핵추진로켓이 화학추진로켓에 비하여 기술적 경제적으로 열세이지만 우주선의 추진 방식으로 가능성이 연구되고 있다.

실용적인 면에서 로켓으로는 적당하지 않지만 학습용으로 물로켓(bottle rocket) 이 사용된다.

로켓은 가속뿐 아니라 궤도 변경, 착륙을 위한 궤도이탈, 공기가 없는 곳에서 착륙시 감속을 위한 용도로도 쓰인다.

로켓이 다른 제트 엔진에 비해 유리한 점은 배출 가스의 속도와 크기가 크기 때문에 고속에 유리하다는 것이다. 마하 10 이상이면 로켓이 운용할 수 있는 유리한 추진 방법이고 지구 궤도 속도(마하 25)에 이를 수 있는 방법은 현실적으로 로켓이 유일하다. 또한 로켓의 유일한 장점으로는 산소가 없는 곳에서 작동이 가능하다는 것이다. 로켓은 대기권 밖에서 운용할 때 산화제를 함께 적재하여 추진제를 연소시킨다.

로켓이 낼 수 있는 속도는 로켓 방정식으로 계산할 수 있다. 이 식을 통해 배출 가스 속도에 대한 속도 차이(delta-v)와 초기 중량과 최종 중량의 비(mass ratio)를 구할 수 있다. 이 두가지 값은 로켓의 제원이나 기술을 서술할 때 지료로서 자주 사용된다.

[편집] 역사

중국은 오래전에 화약을 발명하여 포와 폭탄을 만들어 사용하였다. 원래는 종교적 목적에서 숭배의식의 하나로 사용되었으나 점차 군사적 목적으로 이용되었고 불꽃놀이에도 사용되었다. 10세기경에 이르면 화약은 본격적으로 전쟁에 사용되어 포격전이 벌어지기도 하였다. 16세기에는 임진왜란에서 조선이 개발한 최초의 다련장 로켓인 신기전이 실전에 사용되었다.

로켓기술이 유럽에 전해진 것은 몽골에 의해서였다. 몽고군은 중국 송나라를 정복하면서 화약 기술을 습득하였고 중국 기술자를 몽고군의 용병으로 참가시켜 유럽 정복에 활용하였다. 몽고가 유럽을 침범하여 로켓을 유럽에 알려진 이후에도 한동안 유럽인들에게는 신기한 것에 불과하였다. 그러다가 폴란드-리투아니아 연방 귀족인 Kazimierz Siemienowicz가 《포격전의 대기술(Artis Magnae Artilleriae pars prima)》을 저술했고 한동안 이 책은 유럽에서 포격전의 기본 매뉴얼이 되었다. 이책은 로켓, 포, 불꽃놀이 기구 제작에 이르기까지 기본 설계 방법을 제공하였다.

18세기 인도에서 벌어진 마이소르-영국 전쟁에서 철제로켓이 성공적으로 사용된다. 이후 영국은 19세기 동안 로켓을 개발 사용하였으며 이 시대에 인물로 윌리암 컨그래브가 있다. 이때부터 로켓은 군사적으로 많이 사용하게 되고 1814년 볼티모어 전투에서는 포트 맥헨리를 공격하는데 영국의 로켓함 Erebus가 사용되었는데 미국 국가에 나오는 'rochet's red glare'가 바로 이것이다.

군사적 사용이 많아지던 이 시기의 로켓은 정확도가 떨어졌다. 수평유지장치도 없었고 스핀도 없었으며 진로를 벗어나는 경우가 많았다. 이 문제를 해결하기 위해 컨그레브 로켓은 고리에 스틱을 붙여 진로를 벗어나는 것을 방지했다.

1903년에 고등학교 수학 교사였던 콘스탄틴 치올코프스키(Konstantin Tsiolkovsky)가 《반작용 모터를 이용한 우주 공간 탐험(Исследование мировых пространств реактивными приборами)》을 발간한다. 우주여행에 관한 과학저작물로는 최초로 평가되는 이책을 통해 Tsiolkovsky 로켓 방정식-로켓 추진 이론의 기본 방정식-이 나왔고 이는 그의 이름을 기념하기 위해서다.

초기의 로켓은 열 에너지가 배기구로 배출되면서 효율이 매우 나빴다. 현대의 로켓은 로버트 고다드(Robert Goddard)가 초음속 노즐을 로켓 엔진의 연소실에 부착하면서 개념을 정립했다. 노즐이 연소실의 뜨거운 가스를 제트기류로 분출하면서 2배의 추력을 내었고 효율이 향상되었다.

1923년에 헤르만 오베르트(Hermann Oberth)는 거절당한 박사학위 논문 《행성사이로의 로켓(Die Rakete zu den planeten raumen)》을 출판한다. 이 책은 전 세계의 주목을 받게 되었고 로켓에 대한 관심이 증가되는 계기가 된다.

1931년에서 1937년 동안에 로켓에 관한 과학적 성과가 레닌그라드 기체 역학 실험실(Gas Dynamics Laboratory)에서 이루어진다. 자금과 인력을 제공받으며 100여개의 실험용 엔진을 발렌틴 글류스코(Valentin Glushko)의 지도아래 제작한다.

[편집] 로켓의 추력

다음은 로켓의 추력을 근사적으로 계산하는 공식이다:

$F_g = \dot{m}\;V_{e} + A_{e}(P_{e} - P_{amb})$

여기서:

$\dot{m} = \,$ 배기가스 질량

$V_{e} =\,$ 배기구 단면의 제트 속도

$A_{e} =\,$ 배기구 단면의 면적

$P_{e} =\,$ 배기구 단면의 정압(static pressure)

$P_{amb} =\,$ 대기압

로켓은 제트 엔진과 다르게 공기 흡입구가 없기 때문에 전체 추력을 감소시키는 램 저항이 없다. 따라서 로켓 엔진의 순 추력은 그 로켓의 추력이 된다.

항 $\dot{m}\;V_{e}\,$ 은 로켓 엔진의 실제 추력을 나타내는 항으로 항상 일정한 추력을 갖고

항 $A_{e}(p_{e} - p_{amb})\,$ 은 실제 운동량으로 나타나는 로켓의 추력이다. 이것은 대기압이 감소할수록 실제 추력은 증가함을 의미한다. 고도가 높아짐에 따라 대기압은 감소하고 로켓 엔진의 실제 추력은 변함이 없음에도 로켓은 더 빠르게 가속하게 된다.

이것은 우주 공간에서 적용하면 다음과 같이 간단히 적용할 수 있다.

$F_g = \dot{m} . V_{e(vac)} - A_{e} P_{amb}$

여기서: $V_{e(vac)} =\,$ 로켓엔진의 실제 배기 속도

[편집] 발전방향

핵 추진 로켓은 이미 냉전기간중 개발이 시작되어 상당한 성과가 있었다고 한다. 미래 행성간 우주선 추진용으로 다시 사용되어질 것으로 보인다.
태양열 추진 로켓은 열원으로서 태양열을 사용하는 방식이다. 우주 공간에서 얻을 수 있는 에너지원으로 가장 합리적으로 생각되지만 효율면에서 핵추진보다는 못한 것이 단점이다. 이 방식은 우주로 연료를 싣고 가지 않아도 되고 핵으로 인한 안전 문제로부터 자유롭다는 장점이 있다.
그 밖에 논의되고 있는 로켓은 Neofuel 등이 있다.