로켓배송을 언급하면 아마도 다들 특정 쇼핑몰 회사의 배송 시스템을 떠올릴텐데요, 이 로켓배송의 의미 자체가 로켓처럼 빠르다는 뜻을 담고 있습니다. 그럼 로켓은 도대체 뭐길래 일반적으로 우리 머리속에 항상 빠르다는 인식이 심어져있는 걸까요. 이전 글에서는 항공기술에 대해 살펴봤습니다. 본 글에서는 로켓에 대해 조금 더 상세히 살펴보도록 하겠습니다.
로켓배송 로켓의 역사
일반적으로 제트엔진은 작동 원리상 주위 공기를 흡입하여 연료를연소시키며 추력을 발생시키므로, 공기가 희박해지는 수십 킬로미터 이상의 더 높은 하늘은 물론 진공상태인 우주공간으로의 비행은 불가능한 것이다. 이러한 제트엔진의 한계를 넘어 우주공간으로 여행하고자 하는 인류의꿈을 실현시켜준 것이 바로 로켓기술이다.
로켓은 원리상 외부로부터의 공기를 흡입할 필요 없이 자체가 필요한연료와 이를 산화시키는 데 필요한 산화제를 모두 자체 내부에 탑재하고 이들을 연소시켜 발생한 연소가스를 후방노즐로 분출하며 추력을 발생하게된다. 또한 이때 사용하는 추진제의 종류에 따라 화약 같은 고체연료를 사용하는 고체로켓과 액체연료(알코올, 액체수소, 가솔린 등)와 액체산소 등의산화제를 사용하는 액체로켓 두 종류가 있으며, 초고고도에 이르기 위해서사용된 로켓의 일부 구조물 등을 버리기 위해서 다단로켓을 사용한다.
역사상 첫 로켓은 불꽃놀이
역사적으로 로켓의 기원은 850년대 중국의 축제행사 때 사용된 화약을 이용한 불꽃놀이이다. 원통 내부에 충전된 고체화약을 연소시키면 오색찬란한 연소가스를 원통 아래 노즐로 분사하며 반발력으로 상승하게 되는것이다.
근대 로켓의 발달에 기여하며, 로켓을 이용한 우주 공간으로의 여행을 생각한 대표적인 과학자로는 러시아의 치올코프스키, 미국의 고더드 그리고 독일의 오베르트 등이 유명하다. 러시아의 치올코프스키는 1903년 로켓의 반동력을 이용한 우주탐험에 관한 논문을 발표하였으며, 이 속에는 현재 대부분의 우주발사체들이 채택하고 있는 다단로켓 (하나의 로켓 위에 여러 개의 로켓을 차례로 쌓아올린 것으로 연소가 끝난 로켓을 분리해버린다. 보통 3~4단으로 구성된다.)의 개념 등이 제시되었다. 또한 현대 로켓의 추진제로 대표되는 액체산소와 액체수소를 추진제로 검토하기도 하였다. 이러한 연구 성과는 1924년 그의 논문이 독일어로 번역되면서 전세계로 알려졌다. 이와 비슷한 시기인 1914년 미국 로켓의 아버지라 불리는 클라크대학 고더드 교수는 로켓연소실 노즐, 다단계 점화 등 액체로켓에 관한 여러 특허를 획득하였으며, 1919년 출판된 「극한 고도에 이르는 방법」이라는 논문에서는 로켓을 이용한 달로의 여행법을 수학적으로 연구, 제시하였다.
액체 로켓의 혁신
이와는 별도로 1923년 독일의 오베르트는 로켓을 이용한 우주여행 개념설계와 수소, 알코올 등 추진제 분석 등을 포함한 혹성을 향한 로켓」이라는 논문을 발표하여 독일과학계에 커다란 충격을 주었으며, 이로 인해 1927년 독일우주여행협회가 결성되었다. 이후 독일에서는 액체로켓에 관한 다양한 실험은 물론, 로켓을 이용한 항공기, 로켓자동차 등의 연구가 수없이 실시되었다. 그러나 곧이어 일어날 제2차세계대전과 연계되어 독일은 육군 주도 하에 브라운 박사 등이 참여하여 액체산소-알코올을 추진제로 사용하는 액체로켓에 공격용 폭약을 장비한 자동 유도무기인 V-2를 개발하게 되었다. 제2차세계대전 말기 V-2는 유럽 대륙의 독일 기지에서 발사되어 바다 건너 200킬로미터 이상 떨어진 영국의 런던을 무차별 공격하여 세계를 놀라게 한 신형 무기였다. 종전 후 많은 독일의 로켓 과학자들이 소련 및 미국 등으로 이주하여 냉전시대 미국 및 소련이 사정거리가 수천 킬로미터에 이르는 대륙 간 탄도탄(ICBM) 등을 개발하는 데 주도적인 역할을 하였다.
냉전시대 경이로운 로켓 기술대전
군사적인 장거리 유도무기 개발의 핵심기술로 경이적인 기술개발을 이룬 로켓기술은, 1957년 소련이 인류 최초의 인공위성인 스푸트니크 Sputnik를 지구 주위의 궤도에 올림으로써 새로운 전기를 맞이하게 되었다. 물론 군사적인 목적을 부인할 수는 없지만 미·소 간의 치열한 우주경쟁은 1969년 미국의 암스트롱이 아폴로 달 탐사선을 이용하여 달 표면에 착륙 탐사 후 무사히 지구로 귀환함으로써 막을 내리게 되었다.
냉전기간 동안 주로 군사적 목적을 가진 지상관측위성, 통신위성 등은 물론, 저궤도위성으로 이루어진 GPS위성시스템(위성항법장치, 인공위성을 이용하여 자신의 위치를 알아낼 수 있는 장치) 등이 주로 미·소 양국에 의하여 수천 개씩 발사되었다. 이러한 위성을 지구 주위 궤도로 나르는 운반체인 로켓기술은 액체로켓, 고체부스터로켓, 다단로켓, 자세제어용 초소형미세로켓(인공위성의 임무수행을 위해 위성의 미세한 움직임을 조절하는 소형분사추진로켓) 등으로 화려하게 꽃피우게 되었으며, 미국의 대표적인 타이탄로켓은 초기 발사 중량이 1,000톤이 넘는 거대한 추력을 지닌 고체다단로켓이다.
오늘날의 로켓기술
이러한 로켓기술은 소련의 붕괴 이후에 오히려 군사적 우주기술의민간적 응용으로 더욱더 발전되어 오늘날 수백 개의 초대형 통신위성, 방송위성, 기상위성 등을 발사하는 데 이용되고 있다. 우리는 날마다 위성통신을 이용하여 전세계와 통화할 수 있고, 위성방송으로 중계되는 전세계의TV를 시청하고 있다. 또한 기상위성을 이용하여 현재 기상상태는 물론 향상된 일기예보 능력으로 커다란 기상재난을 예방할 수 있게 되었다. 자동차 여행 시에도 국내는 물론 세계 어디에서나 GPS위성을 이용한 차량위치안내시스템(car-navigation)을 이용하여 편리하고 안전한 여행을 할 수 있고, 개인 휴대전화를 이용해서도 자기의 위치를 쉽게 알 수 있게 되었으니, 이들 위성이용 기술들이 일상생활에 끼친 기여는 이루 말할 수 없을정도이다.
미래의 항공우주엔진
지난 반세기 동안 이룬 지속적인 제트엔진과 로켓기술의 발달은 인류의 활동 영역을 시간적 공간적으로 더욱 확장하게 하였다. 보다 멀리 위치한 지구 주위 궤도의 우주정류장이나 우주실험실 등에서 임무수행을 위한 우주인이나 인공위성들을 실어 나르고 귀환하는 재사용 가능한 우주왕복선이 미·소 양국에 의하여 개발되었다. 미국이 개발한 왕복선의 주 엔진은 비행체의 조정, 운전을 위하여 추력의 강도 조절 및 가동 중단 등이 가능한 170톤급 2개의 액체로켓이 사용되고 있다. 그러나 이륙 시 필요한 최대 추력이 3,500톤으로 부족한 추력을 얻기 위하여 2개의 1,500톤급 추력증강용 고체로켓 부스터를 부착하여 사용한다. 이들은 연소종료 후 분리, 이탈되며 바다에 추락하면 회수하여 재사용한다. 그러나 현재 시스템보다 더 간편하고 신뢰성 있는 우주왕복선 개발을 위한 연구를 지속적으로 진행 중이다.
하루 수백만 명이 이용하는 항공여행에서 15시간 이상 걸리는 지루한 대륙 간 장거리비행은 필연적으로 보다 빠른 항공기의 출현을 요구하게 되었다. 현재 항공선진국에서는 음속의 두 배로 나르는 현재의 콩코드초음속여객기보다 빠르고 쾌적한 미래의 초고속항공기를 개발하기 위한 연구에 착수하였다. 초고속항공기는 고속비행 시 급격하게 증가하는 공기항력을 최소화하기 위하여 대부분의 비행구간을 공기항력이 적은 성층권 밖에서 음속의 3~4배로 서울에서 뉴욕을 3시간 내에 비행하도록 하겠다는 계획이다.
이러한 비행에는 지상의 저속에서부터 공기가 매우 희박한 성층권 밖을 초음속은 물론, 음속의 4배 이상인 극초음속 비행속도에서 작동될 수 있는 새로운 개념의 항공기엔진이 필요한 것이다. 이러한 미래 신개념 항공기엔진 개발에는 초음속연소 램제트엔진기술 대기권 안과 밖에서 별도로 작동되는 복합사이클엔진(두 가지 이상의 방식을 채택한 엔진, 보통 로켓과 제트엔진을 복합적으로 사용)기술, 초고온내열 신소재기술 등이 필수적으로 요구된다. 또한 장기적으로는 초고속 비행 시 가열되는 항공기 표면 냉각용으로 이용가능한 액체수소용엔진을 개발함으로써 성층권 비행 시 석유계 연료 사용으로 인한 성층권의 오존파괴 등을 피하며 인류의 생활 터전인 지구환경을 보존할 수 있는 미래 항공엔진 연구도 진행 중이다.