로켓의 기본이론

Source : 한국항공대학교 로케트 연구회

1.로켓 추진의 기본원리

풍선에 공기를 불어 넣은 후 손을 떼면 풍선은 움직이기 시작한다.
로켓의 원리도 풍선처럼 작용, 반작용의 원리로 작동하게 된다.
로켓의 추진 시스템은 자체내에 추진제(연료+산화제:propellant)를 저장하고 외부의 공기를 필요로 하지 않을뿐더러 비행속도나 제트의 속도에 관계없이 작용과 반작용에 의해서 가속된다. 그렇기 때문에 이론상으론 무한히 높은 비행 속도를 얻을 수 있다.
그러므로, 산소가 없는 우주공간에서는 로켓만이 유일한 추진 방식이다. 
 
작용 반작용 법칙이란, 모든 작용하는 힘에는 같은 크기의 힘이 반대 방향으로 작용한다는 법칙이다.
예를 들어, 빙판에 두 사람 중 한 사람이 상대편을 밀면 같은 힘이 상대편으로 부터 자신에게 작용하여 결국 두 사람은 모두 반대 방향으로 미끌어진다.

이제 뉴턴의 제 2법칙을 살펴보자.
  F = ma

힘 F는 질량 m 이 일정하면 가속도 a에 정비례한다.
만약, 로켓의 질량이 일정할 때 추력 F가 일정하다면 가속도 a도 일정하게 되어 로켓은 일정한  속도로 등속 비행을 하게된다. 하지만, 로켓의 추진제가 전체 무게의 70- 80%틀 차지하므로 추력 F가 일정하더라도 질량 m 이 줄어들어 가속도 a는 커지게 된다. 결국 로켓의  속도는 계속 증가하게 된다.
그러므로, 로켓 추진의 기본원리는 뉴턴의 제  2법칙과 제 3법칙으로 귀결된다.
 

2. 로켓 추진의 종류와 특성
 
로켓기관이 터보제트나 램제트 추진기관과 다른점은 자체내에 연료만 넣는 다른기관과는 달리 산소를 자체내에 저장한다는 점이고, 같은점은 제트(배기 가스)를 분출하여 추력을 발생하는  것이다. 로켓은 추진기관이지 미사일처럼 목적을 수행하는 비행체는 아니다.
그래서, 아폴로 11호라는 비행체와 새턴V라는 로켓은 다른 의미를 내포한다. 즉, 아폴로 11호는 새턴V의 로켓으로 추력을 발생시켜 대기권을 탈출해 달에 도착한 후, 지구에 무사히 귀환하는 비행체라는 의미이다.
결국, 로켓은 터보제트나 램제트와 같은 성격을 지닌다.

로켓의 종류는 다음과 같다.

[화학로켓]

추진력을 내는 에너지가 화학작용에 의해서 발생하는 로켓이다.

[1] 고체추진제 로켓모터 (SRM; Solid-propellant Rocket Motor)

고체상태의 추진제 내부공간을 모터내부에 저장하고 이것의 연소로  발생하는 고온고압의 가스를 노즐을 통해서 추력 중단구에 분사하여 추력을 얻는다.
구성은 모터 케이스, 추진제 그레인, 노즐, 점화기등으로 구성되어 있다.

추진제 그레인은 연소를 안정하게 해주는 모든 화학재료를 포함한다.
점화기에 의해 추진제 그레인이 연소가 되어 고온 고압의 가스가 노즐을 통해 밖으로 분출이 되므로 절연체가 동체를 고온으로부터 막아준다.
대형 로켓에서는 추력 중단구를 설치하여 로켓의 추력을 줄인다거나 방향제어를 할 수 있다.  SRM과 LRE의 륵성을  비교(상대적비교)하면 다음과 같다.

구분	SRM	LRE
구조	간단	복잡
질량	작다	크다
제작비	저렴	비싸다
추진제 저장	쉽다	어렵다
추력제어	어렵다	쉽다
재점화	불가능	쉽다
추진제 밀도	크다	작다

 
SRM의 실제 사용은 전술무기나 대륙간 탄도유도탄(ICBM),사운딩 로켓(Sounding Rocket), 원지점 모터(Apogee motor), 우주로켓의 상단 로켓에 쓰인다. SRM의 모터 케이스의 재료는 철강합금, 알루미늄합금, 티타늄합금등이 쓰이고 최근에는 복합재료가 주로 쓰이고 있다.

 

[2]액체추진제 로켓엔진(LRE; Liquid-propellantRocket Engine)

  LRE는 주로 대형 추진기관에 사용되며 고성능을 요하며 추력제어가 용이한 우주 추진기관으로 현재 많이 사용되고 있다.
LRE의 기본 구성은 추력실과 추진제 공급 계통으로 구성된다.
추력실은 추진제 주입기, 연소실, 노즐로 구성되며, 추진제 공급계통은 규모가 작은 엔진에는 압축가스를 추진제로 공급하고 고성능 엔진은 터보 펌프로 추진제를 공급한다.
LRE는 압축가스나 터보펌프를 이용해 연소실에 연료와 산화제를  분사한 후 점화기로 점화시킨다. 연소에 의해 고온  고압 가스가 발생하여 노즐을 통해 외부에 고속으로 배기가스가 대량 방출해 추력을 얻는 시스템이다.

 

[3]혼합형 로켓엔진

로켓의 초기 비행상태 에서 램효과를 발생시키는 비행속도까지 SRM을 작동시킨 후 SRM의 연소가  끝날 때 SRM의  노즐을 분리시키고 돔포트 덮개를 열어 대기공기를 유입한 램 제트기관이 되어 비행효율을 높인 형태이다.

 
*** 램효과 -- 대기중을 비행하는  비행체에 흡입되는 공기는 공기흡입구에서 감속이 되면서 동압이 정압으로 전환되어 압력이 상승하게 되는데 이를 램효과라고 한다.
램효과로 고압상태의 공기에 연료를 주입하고 연소시킨 후 노즐을 통해 팽창 분사하여 추력을 얻는 기관을 램제트 기관이라 한다.

 

[ 비화학로켓 ]

 
근래에 연구 개발 중인 로켓으로 추진제 소모량이 적고 장시간 비행에 유리한 장점을 갖는다.

(1)전기추진 시스템

  엔진외부에서 발생 공급하는 전력을 이용하여 추진제를 가속시키는 시스템으로 추력이낮고 추진제 소모량이 아주 적어 우주  비행체의 자세제어, 궤도수정 , 궤도상 운동등에  사용된다. 근래에는 대형이며 구조적으로 극히 약한 우주 구조물에 작은가속을 이용해서 장시간 안전하게 저고도 지구궤도로부터 지상 정지궤도(GEO)로 운반하고 조립하는  임무가 연구중이다.

  *** GEO(Geo-stationary Earth Orbit):적도상공 35,800km고도의 원궤도로 이 궤도상의 위성은 지구와 같은 각속도로 회전을 하기 때문에 밤에 지상에서 보면 상공에 정지해 있는 것을 쉽게 발견할 수 있다.

① 전열 로켓: 로켓내부에 저장된 추진제를  전력으로 가열하여 고온의 가스로 전환시킨후 노즐을 통해서 분사하여 추력을 얻는다. 추진제를 가열하는데는 방전에 의한 방전제트(Arc jet)와 전기코일등의 가열표면으로 가열하는 저항제트(Resist jet)가 있다.

② 전자기 추력기: 추진제 가스가 이온화되어 플라즈마가 형성된다.
이 플라즈마를 전기장이나 자기장에 보내 가속을 시킨 후 분사하여 추력을 얻는다. 그래서, 플라즈마엔진이라고도 한다.

*** 추력기(Thruster):로켓 엔진으로 주추진목적이 아닌 부수적 용도에 사용되는 작은 추력의 로켓을 말하며 인공위성의 자세제어, 궤도수정등에 사용된다.

③ 정전 추력기: 추진제를 가열하여 증기상태로 만든 후 방전으로 이온화시킨다. 이온에서 전자를 모두 제거하고 스크린과 가속전극 사이의 전기장이 이온을 가속시키며 스크린의 많은 작은 구멍을  통해서 가속전극을 향해 끌어들여 분사하여 추력을 얻는다.

그러나, 이온만 계속 방출하면 추력기에  전자가 축적되어 방출된 양이온을 다시 추력기로 끌어들이되 추력의 저하를 가져오므로  그림처림 추력기의 하류에서 별도로 방출하여 이온과 재결합시켜 중성화시켜야 한다,

 
(2) 핵에너지 로켓

핵 반응에서 생기는 막대한 양의 에너지를 추진제가 흡수하여 고온의 가스로 노즐을 통해 팽창 분사하는 로켓기관이다.
추진제는 액체수소가 주로 쓰인다.

장시간의 비행을 요하는 심우주(deep space)추진수단으로써의 가능성을 인정받고 있고 근래에 수 천 톤의 화물을 저고도 지구궤도로부터 지구 정지궤도로 운반하는 경우 화학로켓보다 더 적합한 것으로 분석되어 연구개발이 활발하다.

 
(3) 빔에너지 가열 로켓

외부의 에너지원으로부터 에너지를 빔(beam)의  형태로 로켓기관에 공급하여 추진제를 가열 분사하는 시스템이다.

① 태양열 추진: 태양 복사열을 포물형  반사정으로 집열하여 거울의 초점에 해당하는 곳에 추진제 가열용 열교환기를 설치한다. 추진제 공급계통에서 공급된 추진제는 열교환기의  외부벽을 흐르면서 가열되어  기체상태가 된다.
이 기체는 추력기의 노즐을 통해서 분사되어 추력을 발생시킨다.

② 레이저 열추진: 레이저 빔을 추력기에 조준 발사하면 이 빔은 초점렌즈를 통해서 추력실 내부의 초점에 집결되어 이것 주변의 추진제를 고온으로 가열시켜 노즐을 통해서 분사하여 추력을 얻는다.
추진제는 액체수소가 채택되고 있다.
 
레이저 에너지 발생원을 지상에 두고 지상 정지 궤도상에  반사경을 배치해 놓고 이를 통해서 추력기에 레이저 빔을 조준하는 방법과  레이저 발생기와 거울이 하나가 되어 지상정지  궤도에 위치하여 직접 빔을  추력기에 보내는 두가지 에너지 공급방법이 있다.

전자의 경우에 미국 SDI연구에  있어서 지향 에너지무기(DEW: Directed Energy Weapon)로써의 응용때문에 더  주목을 끌고 있지만  레이저 빔은 대기중에서 공기의 요동에 의해 뒤틀리고 평형성을 유지하기  어렵기 때문에 지상레이저 시설은 높은 산위에 설치하여 이런 영향을 최소화시켜야 한다.

 

3. 구성요소의 특성 및 설계

(1) 무게 해석

로켓의 정확한 해석을 하기 위해서는 로켓의 주요 구성품의 무게 및 무게중심을 구하는 것이 필요하며 특히 무게중심은 공력 중심과의 상대적 위치로써 로켓의 정안정성 정도를 판별하는 기준이 되므로 정확한 계산이 필요하다.

고체로켓을 노즈콘,모터케이스,점화기,추진제,라이너,노즐,핀의 7개 부분체로 나누어 각 부분의 무게와 무게 중심을 구하여 전체 무게와 무게 중심을 구한다. 무게는 부분체의 부피에 재질의 무게밀도를 곱하여 계산하고, 노즈콘같은 박판의 경우 표면적에 두께를 곱하여 무게를 계산한다.
무게 중심은 대개 로켓의 중심 세로축에 놓인다.
다단로켓의 경우 연소 전후 및 단  분리시 전체 무게와 무게 중심을  구한다.
로켓 기관설계에서 로켓의 우수성은 추진제 질량 지분을 얼마나 크게할 수 있느냐에 달려 있으므로 추진제를 많이 적재하고, 구조물이나 부수장비의 질량을 최소화시키는 것이 설계의 주관심사이다.
즉, 질량비와 하중비가 클수록 구조계수가 작을수록 우수한 로켓이 된다.
구조계수를  줄이기 위해 다단로켓이 등장 했다. 즉, 추진제를 여러개로 분리 저장한 후 다 사용한 쓸모없는 추진제 탱크와 구조물을 분리시켜 총 무게를 감소시킨다.
지구 중력장에서는 3단 로켓이 가장 효율적인것으로 조사되었다.

(2) 공력해석
 
로켓 해석에서의 최종단계는 공력해석이다. 공력해석이란 요구되는 고도와 속도범위에서 최소저항을 갖고 안정비행을 할 수 있는 외형을 결정하는 작업을 말한다.
로켓이 비행 안정성을 갖기위해서는 로켓이 가로축 방향으로 회전할 때 복원 모멘트가 작용해야 한다. 이런 비행 안정성을 갖기 위해서는 로켓의 가로축에 수직으로 작용하는 공력의 압력중심이 무게중심보다 로켓의 노즈콘으로부터 뒷쪽에 있도록 외형이 설계가 되어야 한다.
공력은 양력에 비례하므로 이렇게 설계된 로켓에서는 어떤 변화에도 복원 모멘트가 발생하게 된다.
즉, 압력 중심이 무게중심 뒤에 있을 때 로켓은 정적으로 안정하다고 한다.

*** 저항 ***
① 조파저항: 로켓의 노즈콘, 후반부, 핀 등에서 주로 발생하며 물체의 표면에 수직하게 작용하는 압력에 의한 힘이므로 원통부분에는 그 힘이 서로 상쇄되어 조파저항이 발생하지 않는다.
조파저항을 줄이기 위해 노즈콘은 끝이 뽀족하지 않게 하고, 동체 최대 지름의 0.1배로 뭉뚝하게 만든다.
핀에서 발생되는 조파저항은 전체저항의 10% 정도로 작다.
 
② 점성저항: 표면에 접선 방향으로 작용하는 저항으로 주로 열전달, 층류에서 난류로의 천이점, 레이놀즈수, 마하수에 의해서 결정된다.

③ 기저저항 (Base drag):핀이나 동체의 기저부에서, 유동의 박리에 의해서 발생한 수직한 압력에 의해 생긴다.

(3) 추진제 및 추진기관

① 고체 추진제: 고체로켓의 가장 중요한 부분은 추진제이다.
연소가 진행되는 동안 추진제는 연소면에 직각인 방향으로 타들어가며 소모된다.
추진제의 종류, 가공법, 연소 표면, Grain dimension의 기하학적인 형상등은 로켓의 성능에 매우 중요하다.
Grain dimension은 로켓의 내부 작동압력, 추력, 연소시간을 결정한다.

고체 추진제는 높은 기계적 강도와 탄성을 가져야하며, 열팽창계수가 낮고, 점화하기가 용이하며. -54도 - 71도의 온도 범위에서 변화가 적고,  연소 초기의 압력상승 및 연료 종료시의 압력감소가 되도록 빠르고, 제작시 혼합이 용이하며, 점성을 띠고, 저장이 용이하면 좋은  추진제가 된다.

② 연소실 (Chamber) :연소실은 고체 추진제가 연소될 때 고온에 견딜 수 있는 기계적강도를 가져야하며, 열적 충격이나 열응력 발생을 줄이기위해 내열 재료나 내벽에 내열도료, 내열코팅을 한다.

③ 노즐 (Nozzle):노즐은 매우 심한 열조건하에서도 견딜 수 있어야하며, 고온 고체입자 가스에 의한 기계적 침식을 받으므로 크롬도강과 같은 내열 보호피막을 지닌 금속 노즐이 유용하고, 열흡수 효과가 큰 흡열 금속재료가 사용된다.
모터 (motor)에 노즐을 부착할 때 노즐축이 모터  충심축에 정확하게 일치하지 않으면, 추력선과 비행축과의 각도차에 의해 모멘트가 발생하게 되어 비행이 불안정하게 된다.

④ 점화장치 (Ignition):추진제를 연소 한계 최저 압력이상으로 연소실 압력을 증가시킬 수 있어야  하며, 추진제 온도를 점화  온도까지 상승시킬 수 있도록 점화장치가 만들어져야 한다.
점화재료는 보통 흑색화약 (질산칼륨:황:목탄 75:10:15)  금속(Al, Mg,B)등의 혼합물, 금속질화물, 과염소산등으로 유기물을 혼합하여  사용하는 경우도 있다.

널리 쓰이는 전기 뇌관장치는 니크롬, 백금-이리듐등의 금속에 전류를 흘려 1차 점화 화약을 발화시켜 주점화 화약이 연소되고 이 불꽃에  의해 주 추진제를 점화한다. 1차  점화 화약으로는  극히 감도가  좋은 Hg(ONC)2, PbN6등의 기폭약을 사용한다.

가스 발생식 점화장치는 가스발생량이 많은 점화 화약을 사용하여 점화하는 것으로 대형 고체로켓에 사용된다.

⑤ 추진제 변수

1) 연소속도: 고체추진제가 연소시  추진제 표면에 수직방향으로 단위시간당 타들어가는 거리를 말한다. 일반  고체추진제는 연소실 압력 1,000psi에서 003- 2.5 in/sec의 값을 갖는다. 세인트-로버트(Saint-Robert)의 법칙을  살펴보면 일반적으로 n 은 0. 42 ~ 0. 85,  a 는 0. 02 ~ 0. 05의 값을 갖는다.
즉, 연소속도는 그레인 연소면에 접촉되는 가스의 압력에 비례한다. 초산제를 포함한 composite 추진제는 연소속도가  매우 늦고, 암모늄계 추진제는 보통의 연소속도, 과염소산  칼륨과 염소산칼륨계의  추진제는 연소속도가 매우 빠르다.

 
2) 추력 (Thrust): 추력 및 비추력(Specific Impulse)은 로켓의 성능을 나타내는 중요한 인자이다. 비추력은 배기가스의 질량유량mp당 추력 F를 뜻한다.

Is = F/ mp*gc
mp:추진제 연소가스의 질량유량(kg/s)
gc:지구의 중력계수(9. 81 m/s2)
F:추력(kg.m/s2)

만약 추력 F가 큰 로켓을 설계한다면 배기가스의 질량유량 mp를  증가시키거나 비추력Is를 중가시키면 된다.
고체 추진제 로켓에서의 비추력은 보통 170~240 sec이다.
전추력(It: Totoal Impulse)은 추력 F를 연소시간  t에 대하여 적분하여 구한다.

일반적으로 시스템의 요구에 따라 일정한 추력-시간 곡선을 얻는 것이 중요하다. 또한, 추력은 연소실 압력에 비례하므로 엔진 작동시  최대 연소실 압력이 유지되도록 설계를 한다.
단면 연소식은 저추력을 내며, 추력을 일정하게 내는 것이 특징이고, 연소 속도가 큰추진제에 적합하다.
동심형은 고추력과 추력상숭이 특징이다.
별형은 고추력과 일정한 추력을 얻는 그레인이므로 현재 많이 사용하고 있지만 제작과정에 어려움이 많다.
 

(4) 회수장치

로켓 상단부에 있는 운반하증(payload)를 회수하는 방법에는 지상회수와 해상회수가 있다.

*** 지상회수: 주낙하산과 보조낙하산 및 운반하중의 위치를 알려주는 전자장비 및 수신장비를 이용하여 지상에서 회수하는 방법이다.
이 방법은 정확한 낙하지점을 예측 또는 유도 제어 장비가 설치되어 있는 경우에 유리하다.

*** 해상회수: 지상회수 장비와 Floating bag, 이산화탄소, 염분 검출기를 이용한 스위치등으로 해상에서 회수하는 방법이다. 안전성 및 비용을 고려해서 일반적으로 이 방법을 많이 채택하고 있다.

① 로켓에 장착되는 각종 장비
* UHF DF, VHF DF, Radio beacon, LORAN-C송수신기 : 운반하중의 낙하위치 및 부유물의 위치를 알려주는 신호 발생기이다.
* 안테나, Telemetry전송기, Transponder:신호 발생기의 신호를 송수신할 장비이다.
주낙하산과 보조낙하산: 공력에 의한 열의 발생으로 인한 운반하중의 손상 및 해수면에 착지시 충격을 완화시킬 감속장비이다.

* Floating bag,이산화탄소 가스, Seawater switch:해상에 운반하중이 떨어졌을 때 물위에 뜨게 할 장비이다.

*가속도계, 기압계, 고도계, 온도계: 로켓의 고도, 가속도, 온도를 측정하는 장비이다.

*관성 스위치(Electronic sequence  timer), Separation  nute or Explosive bolts) 로켓의 단 분리시 필요한 장비이다.

* Dyemaker, Strobe light:운반하중의 위치 추적을 돕는 장비이다.

② 회수선에 있는 장비

* UHF DF, VHF DF, Radio beacon, LORAN-C
부유물의 위치정보를 주는 장비이다

* Data processor
수신기로 수신한 위치 정보를 경도 및 위도 좌표계로 변환시켜 주고, 부유물과 배사이의 위치벡터를 계산하는 장비이다.

* Display unit:부유물의 위치 및 배의 추적 경로를 xy-plotter상에 나타내어 주는 장비이다.
 

*** 낙하산 ***

낙하산은 고고도에서 탐재물(payload)을 회수하거나, 인간이 우주비행에서 무사히 귀환하는데 있어서 없어서는 안될 중요한 장비이다.
낙하산은 1514년 레오나드 다빈치의 공력 감소장치 제작이 최초의 낙하산 제작으로 기록되어 있다.

 
(1) 낙하산의 용도

낙하산의 용도는 실험 후 부하물의 회수, 로켓으로부터의 탑재물 회수, 비행기의 착륙시 감속, 탑재물의 궤도 수정, 경주용차의 감속, 우주선의 달착륙, 비행기로부터 수화물의 회수, 안테나선의 안정화 등등 용도가 매우 다양하다.

 
(2) 낙하산의 종류 및 특성

1) 낙하산 종류

① 리본(ribbon)낙하산:리본   낙하산은 1930년대  후반 독일의   Theodore Knache와 G.M adelung에 의해서 최초로 만들어졌다.
이 낙하산은 비행체의 착륙시 감속,  비행체의 궤도조정기에 많이 사용된다.
사용 가능한 동압은최대 5,700 lb/ft2이고 낮은아음속에서 마하2 또는 3정도인 비행체의 회수에 사용가능하다.

② Guide surface canopy낙하산: 이 낙하산은  high-opening선회도 때문에 조종사 또는 사출 낙하산으로 가장 많이 사용된다.

③ Solid canopy낙하산: 제작비용이 적게 들고 가볍기 때문에 화물(Cargo)의 회수와 사람이 고공에서 낙하할 때 가장 많이 사용되고 있다.

이 낙하산은 낮은 아음속에서 적합하지만 진동이 20도- 30도 정도이기 때문에 불안정하다.

④ Ring-sail낙하산:이 낙하산은 무게가 가볍고 Slow inflation rate(Lower opening load)이다.
Solid canopy보다 안정성이 있기 때문에 미국의 모든 유인 궤도, 비행체와 우주선에 사용되고 있다.

⑤ Ring-slot canopy:이 낙하산은 Solid canopy보다 안정하고 제작비가 리본 낙하산에 비해 적게 든다.
이 낙하산은 화물수송, 비행기 착륙시 감속에 사용되며 보통의 아음속에 적합하다.

⑥ Hyperflo낙하산: 마하수 4에서 사용가능하며 공력가열에 의한 단열재료로 실리콘을 코팅한 유리 섬유를 사용하여 제작비용이 적게든다.

2) 낙하산의 원리

낙하산에서 발생하는 항력 Dp가 로켓의 총무게 Wr과 같게 되어야 등속도 Vp로 낙하하게 된다.
낙하속도 Vp를 더 작게 하려면, 낙하산의 하부 단면적 AP를 더 넓게 만들어야 한다.

 
(5)지상 시험
 
우주 추진 기관의 모든 부품은 생산시 규정된 절차를 거쳐서 작동의 이상 유무를 확인하는 시험을 거친다.
그러나, 이들 부품들이 결합되어 추진기관으로써 제대로 작동하는지를 알아보기 위해서는 시험을 해봐야 한다.
우주 추진 기관은 특별한 경우를 제외하고는 실제 비행  상태를 시험하기가 어렵거나 불편하기 때문에, 지상에서 비행 환경에 가까운 조건하에서 시험을 한다.
우주 비행중에 발생하는 우주환경을 지상에서 재현하기 위해서는 낮은 대기압, 중력의 변화, 극심한 열환경등을 실제 상황에 가깝게 유지해줘야 하는데, 이들을 지상에서 동시에 재현한다는 것은 현실적으로 불가능하다.
그러므로, 이들의 환경 조건을 따로따로 나눠서 시험을 할 수 밖에 없다.
지상 발사 시험대는 고체 로켓(SRM)인 경우, 발사방향은 별 문제가 되지않지만, 액체추진제 로켓은 추진제가 액체 상태이기 때문에 중력의 영향을 받는다.
그러므로, 액체추진제 로켓은 대개 지상에 수직으로 장착해서 실험을 한다.
또한, 로켓이 대형화 되면서 노즐에서 분사되는 거대한 플룸(plume)때문에 수평 발사에는 적당치 않다.

 

4.로켓역사

 
여기서는 로켓역사에 대해 알아보겠습니다.

창공을 날아보겠다는 꿈을 20세기초 라이트형제의 동력비행 성공으로 실현하게된 인류는 그 영역을 우주에까지 확장하기에 이르렀다.
인류가 우주공간에 진출하기 위해서는 앞에서 말했던 진공상태의 우주에서도 추진력을 발휘할 수 있는 로켓을 만들게  되었다.

로켓은 화약의 발명국인 중국에서 11세기초에 최초로 발명되었다고 전해지고 있다. 그때는 로켓의 연료로서 마조각,수지,황,목탄,질산칼륨같은 것을 혼합하여 참대통에 넣고 방향을 잡는 안정봉으로써 가는 참대를 붙인 것이었는데 그 당시는 무기로써 사용되었다.
여기에 달린 도화선에 불을 붙이면 연료가 급격히 타며 그  힘으로 날아갔다.
중국에서는 이것을 화전이라 했다. 13세기에는  모두 병기로서 실용화되었고 유럽에는 13세기 후반에 전해졌다.
그 후 19세기 초에 영국인 콘글레브(W. Conglev)가 로켓에  스핀(Spin)을 주어 궤도를 안정화시키는 방법을 고안하여 종래의 것에  비해 비행정도를 향상시켰기 때문에 영국군에 정식으로 로켓부대가 생겨 한때  크게 활약했다.
그러나, 이렇게 로켓탄을 회전시키는 방법이 대포에도 도입되어 명중도를 향상시켰기 때문에 로켓이 아닌 대포로의 회귀현상을 나았다.
 
그  후  반세기  정도   지난 1891년에   프러시아의  발명가인  간스빈트(H.Ganswint)가 로켓 우주선의 원리뜰 발표했지만,  학문적 체계를 정립한 사람은 같은 시대의 수학 교사로서 로켓의 아버지라  불리우는 찌올코프스키(Kostantin E.Tsiolkovsky) 이다. 그는 1898년에 로켓을 이용한  우주 공간의 연구라는 논문을 발표했고, 그 중 로켓의 비행법,  비행원리등에 관한 문제를 연구했다 자신이 직접 로켓을 제작하지는 않았지만, 현대의 로켓공학의 원리적 기초는 이 사람에 의해 확립이 되었다고 해도 과언이 아니다.
그 중에서도 1883년 진공내에도 로켓은 배기 가스의 반작용에  의해 추진된다는 것을 설명했다. 그 전까지만해도 로켓은  배기 가스가 공기를 밀기 때문에 추진력이 생긴다고 생각했기 때문에 그의 주장은  로켓의 획기적인 가능성을 증명해준 것이며, 로켓이 진공내에서도 작동한다는 것은 그가 죽은 후 로켓이 우주공간에 발사됨으로써 증명이 되었다.
뿐만 아니라 그의 연구 노트에는 액체 추진제 로켓으로  추진되는 우주선과 우주비행에 대한 여러 개념과  구상이 적혀있어 고체 연료를  사용하는 우주선은 우주 공간을 여행하는 데는 적당치 않아 로켓의 성능을  더욱 올리려면 액체 추진제를 사용하여야만 된다는 것도 논하였다.
그 외에도 최근 우주추진에  사용되는 극저온 추진제의  이용, 추력 제어 방식, 인공위성이 지구 대기권 으로부터 탈출하고 다시재진입하는 이론, 다단 로켓의 개념 등 많은 혁신적인 아이디어와 이론이 적혀 있다고 한다.
이 논문이 발표된 것은 미국의 라이트 형제가 비행기에 사람을 태우고 하늘을 처금으로 날개한 때였다는 것을 생각하면 그의 연구가 얼마나 진보적이고 선구적이었나를 알 수 있다.

  그의 업적이 높이 평가 받게 된  것은 그가 죽은지 10년 이상이나  지난 제 2차 세계대전이끝난 후였다.
그가 오랬동안 교직을 가졌던 마을에 기념비가 하나 서있다
거기에는 그가 언제나 하던 말인 "인류는 언제나 영원히 지구에만 머물러 있지는 않을 것이다"라는 글귀가 새겨져 있다.

1900년대 초에 미국의 고다드(R. Goddard)는 로켓 공학의 연구로 이미 이름이 널리 알려지기 시작했는데, 그의 연구  업적으로는 진공 탱크내에서 추진제를 연소시켜 추력을 측정함으로써 로켓이 진공내에서토 작동함을 증명한 것이 그 중 하나이다.

로켓의 연료로써 액체 산소와 액체 수소를 사용하는 것이  최적이라는 결론도 얻었으며, 1914년에는 연료실, 분사통 및 추진제 공급장치  등에 관해서 특허도 얻었다.

  그 후, 고다드는 액체 추진 로켓을 직접 설계 제작하여 1926년 3월 16일 미국 메사추세츠주 어번시에서 발사에 성공하였다. 이 실험 비행에서 도달 고도 13m, 비행시간은 2.5초에  불과했지만 그 역사적  중요성에 있어서는 항공개발에 있어서 라이트 형제의 키티  호크(KITTY HAWK )비행에 비유되는 우주 추진의 첫 역사적인 발사인 것이다.

사용한 추진제는 휘발유와 산화제로 쓰인 액체 산소였다.
지금 가장 흔히 사용되는 방법으로써 로켓의 비행 중 안정도를  높이기 위하여 그 안에 자이로를 장치하는데, 그는  처음으로 이것을 로켓에 응용한 사람이며 또한 로켓 엔진을 직립식으로만 장치하지 않고  기울어지게 함으로써 로켓의 궤도를 수정하는 방법도 실험한 사람이다.

고다드의 액체 추진제 로켓의 실험발사 시험이후에도 세계 여러 곳에서 행해진 로켓의연구와 발사 실험들이 로켓개발의 중요한 이정표가 되었지만 현대 실용 로켓의 기초를 구축하고, 우주개발의 길을 열어준 것은 독일의 페에네뮨데 (Peenemunde) 우주센터와 폰브라운 연구팀이었다는 의견이 지배적인 의견이다.

1927년에 독일에서는 로켓에 대한 관심이 대단해서 아마추어 로켓 클럽인 VfR(Verein fur Raumschiffart e.v. )이 발족됐다.
그회원 중에는 오베르트(H. Oberth), 폰 브라운(W. von Braun)같은 큰 로켓 개발사에서 중요한 위치를 차지하고 있는 과학자도 있었다.

 
오베르트는 독일 초기 로켓이론에 많은 공헌을 하였는데, 그 중 하나는 근대식 다단로켓의 설계와 공력 안정판의 설계라 할 수 있다.
오베르트가 설계한 2단사운딩(sounding)로켓의 구조다. 산화제 탱크와 연료 탱크는 모두가 2단 사운딩 (sounding)로켓의 구조로 여압이 된다.
산화제 탱크와 연료 탱크는 모두 압축가스로 여압이 된다.
제 1단의 추진제는 알콜과 물의 혼합물을 연료로하고 산화제로는 산소를 사용하며, 제 2단은 액체산소와 액체수소등 극저온(cryogenic) 추진제를 사용하는 획기적인 시도가 있었다.

 
이 B형 로켓은 실제 제작되지는 않았지만 로켓의 설계에 있어서 많은 발전을 가져왔다. 여러 선각자들에 의하여 로켓에 대한 개발, 연구가 있었지만 이것을 실용화한 극대식 로켓으로 만들어 인간이 달 세계를 정복하는데 원동력이된 사람은 폰 브라운(W von Braun)이다.
 
1920년대 후반부터 30년대에 걸쳐 오베르트의 영향을 받아 독일에서는 로켓에 대한 관심이 상당히 높았다. 바로 그때 독일 육군병기국에서도 제 2차대전의 전세를 만회하고자 장거리 공격의 위력을 가진 로켓의 연구 개발에 큰 관심을 가져 연구원을 물색하던 중 20살이란 젊은 나이의 청년 폰 브라운을 발견하게 된다.  

 
브라운의 연구 성과도 알콜과 액체 산소,  알콜과 과산화수소 등 여러 가지 액체 연료 로켓 실험을 한 결과 1934년에 도달고도 2000m의 A-2를 개발하게 된다. 그러나, 애초에 제 2차세계대전이라는 시대적 배경 때문에 좀 더 강력하고 전투기에 의해 요격될  수 없는 초음속 미사일의  대량생산이 절실히 필요했다.
그래서 로켓의 엔진뿐만 아니라 자이로를 사용한 자동 조종 장치의 연구도 진전되어 드디어 1942년 10 월 3일에 고도  85km와 사정거리 190km를 비행하는 당시로서는 획기적인 대형 로켓 A-4호가 시험발사에 성공 했다.

이름에 A자를 붙인 이유는 단순히 로켓이 날아간다는 것 외에 진로의 유도라든가 연소의 조정을 하기위한 장치들이 내장되어 있어야  하기 때문에 집합체(Aggregate)란 용어의 첫머리 글자를 딴 것이다.
이것은 1톤의 폭약을 담고 나는 것인데, 전 중량 13톤, 길이 14m, 추력 27톤이며 약 5분 동안에 250km를 최고고도 80km까지 날 수 있는 것이었다.
 
독일은 이 로켓의 우수한 성능에 놀라고  기뻐하여 A-4를 다시 V-2호라 이름을 지었다. 이  V자는 보복병기(Vergeltungs  waffe)의 머릿글자이다.
이 로켓은 실험발사에 성공한  2년후인 1944년 9월 8일에 영국의 런던  폭격에 사용되었다.
2차 대전이 막을 내린후 V2개발에 주역할을 해온 폰브라운은 미국으로 갔고  그의 동료 몇은 소련으로 연행당해 갔다.

이렇게 하여 미국과 소련은 새로운 로켓 개발에 들어갔으며 V-2로켓개발에 종사하던 독일 과학자들은 그  후에도 미 ,소 양국에서 중거리  탄도탄,  대륙간 탄도탄 나아가서는 우주 로켓 개발에 활약하게 되었다.
보다 우수한 로켓의 연구를 위해 미국으로 건너간 폰 브라운은 그 후에 V-2보다 훨씬 큰 레드 스톤(Red Stone)이란 단거리탄도탄을 만들었고 그것을 좀 더 크게하여 중거리 탄도탄인 쥬피터(JUPITER)를 개발하였다.

이무렵 소련은 1957년 10월 4일에 인류 최초의 인공위성인 스푸트닉1호의 발사에 성공하여 우주시대의 개막을 알렸다.  최초의 인공위성 스푸트닉 1호는 직경이 약58cm이며 길이 2m쯤 되는  안테나 4개가 바람에 나부끼어 뒤로 흐르는듯이 보인다.

이것을 궤도에 태운 로켓의 상단부도 인공위성으로 되어있지만, 이것은 같은해 12월 1일에 대기층에 재돌입하여 타버렸고 스푸트닉 1호도 다음해 1월 4일에 같은 과정으로 타 버렸다.
스푸트닉 2호는 무게가 508kg으로써 1957년 11월 3일에 라이카라는 개를 태워 우주비행을 했으며, 3호는 다음해 5월  15일에 발사되었는데 그 무게는 1300kg이나 되는 것이었다.
 
소련의 첫 인공위성 발사에 커다란 충격과 자극을 받은 미국은 이때부터 폰브라운에게 그들의 원래 계획이던 위성 발사를 최단 시일내에 완수할 것을 지시하였고, 이를 수행하는데에 필요한 전적인 권한을 부여하였다.
레드스톤(Red Stone) ICBM을 이용한 쥬피터(JUPITER-C)를 발사체로 드디어 1958년 1훨 31일에 익스플로러(EXPLORER)  1호라고 이름지어진 인공위성을 발사하는데 성공하였다.

그 뒤   폰 브라운이  지휘하는 마샬   우주 비행센터에서  개발한  새턴(SATURN) V로켓은 아폴로(APollo) 11호를 달에 까지 올리는데 성공하였다.
1969년에 드디어 인간은 오랜 터전인 지구를 떠나 달에 발을 디딘 것이다.
인류역사의 한 페이지를 장식하는 중대한 사건이 아닐 수 없다.

이로부터 미국은 각종 발사체를 개발해 왔는데 이들 중의 대부분은 도어(Thor), 쥬피터(Jupiter), 아틀라스(Atlas),타이탄(Titan)등의 탄도유도탄을 개조하여 만든것이며, 다만 스카우트(Scout)와 새턴(Saturn)V와 그리고, 스페이스셔틀(Space Shuttle)은 처음부터 우주 운반체로 설계되었다.

아폴로의 성공적인 달 착륙과 귀환으로 명예를 회복하고 우주경쟁에서 소련을 앞지르기 시작한 미국은 재사용이 가능한 우주 왕복선인 스페이스 셔틀의 개발에 성공함으로써 우주발사체의 역사에 또하나의 이정표를 세웠다.

S.R.S