로켓의 원리, 이용, 역사

로켓(Rocket)이란 우주공간을 비행할 수 있도록 추진력을 제공하는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 일반적으로 알려진 것처럼 로켓은 우주로 나가고 우주 여행을 위해서는 반드시 필요한 장치이다. 로켓을 정의해 보면 연료와 산화제를 가지고 있어 연소시에 고온 ·고압의 가스를 발생시킬 수 있으며 이러한 고압가스를 노즐을 통해서 매우 빠른 속도로 바깥으로 분출하고 그 반작용으로 전진하는 비행장치를 말한다. 로켓은 추진가스를 만드는 추진제(Propellant)와 추진가스의 속도를 높여주는 노즐(Nozzle)이 주요 구성요소이다.

 

 

 제트엔진과 로켓의 차이점은, 제트기는 연료만 가지고 있고 연료를 연소시키기 위해 공기 중의 산소가 필요하므로 공기가 없는 곳에서는 움직일 수 없지만 로켓은 연료와 함께 산소도 내장하고 있어 공기가 없는 우주에서도 비행이 가능하다.

추진제(propellant)란 추진력을 만들어내어 운동에너지는 만드는 것이다. 화학추진제를 사용할 경우 고체 또는 액체상태였던 것을 연소실 내에서 연소시키면 고온 고압의 가스가 발생하게 되고 고압의 팽창가스는 압력이 낮은 외부로 방출되게 되고 그 반작용으로 발생하는 힘으로 로켓이 비행하게 된다.
고압의 연소가스를 발생시키기 위해서는 연료와 함께 연소에 필요한 산소를 함유하고 있어야 하고 또한 가스가 되어 팽창하는 정도가 큰 것을 추진제로 선택하게 된다. 다만 추진제는 반드시 가연성(可燃性)인 것이어야 할 필요는 없다.
현대 로켓에는 주로 연소에 의해서 가스를 발생시키는 화학추진제가 사용되는데, 고체상태인 것과 액체상태인 것으로 크게 구분된다. 고체추진제의 경우 사용하지 않은 추진제는 연소실 내에 수납(收納)되어 있으며, 그 중심부의 공동내면(空洞內面)으로부터 원주방향(圓周方向)으로 연소를 진행시키도록 되어 있는 것이 일반적이다.
액체추진제의 경우, 연료와 연소에 필요한 산소성분을 각각 다른 탱크에 수납하여 가스 압력 또는 터빈펌프에 의해 연소실에 필요한 양을 공급하는 2기식(二基式:double base)과 단일액체로서 가연성의 것을 사용하는 단기식(單基式:single base)이 있다.
액체추진제의 경우 특히 2기식에 있어서는 혼합비의 변화 및 연소실에 보급하는 양을 가압력(加壓力)의 변화에 따라 가감할 수 있으므로 비행계획에 적응해서 추력을 조정할 수 있는 장점이 있다. 그 반면 고체추진 로켓에 비해 구조가 복잡해지고 무게가 증가하는 단점이 있다.
비화학 로켓은 연소와 같은 화학반응을 이용하지 않는 로켓으로 전기추진 로켓 또는 열전달 로켓이 있다. 전기추진 로켓은 전기를 띤 입자를 추진제로 사용하는 로켓으로서 이온로켓과 플라스마로켓이 있다. 이온로켓은 원자로에서 전기와 열을 발생시켜 세슘 등의 용액을 가열하여 양이온과 전자로 나누고, 양이온을 정전기장(靜電氣場)에 의하여 가속하여 추력으로 한다.
또 플라즈마 로켓은 고온에서 분자가 양이온과 전자로 분리된 플라스마 상태의 가스를 전기장으로 가속하고 다시 자기장에 의하여 후방으로 휘게 하면서 가속하여 이것을 추력으로 하는 로켓이다.
열전달 로켓은 원자력을 사용하는 것으로 원자에너지로 수소가스를 가열하여 배출하는 구조이다.
비화학 로켓은 가스 배출속도가 매우 크므로 화학 로켓에 비하여 추진력이 굉장히 큰 특징을 가지고 있다. 다만 엔진 중량이 매우 커지므로 아직은 개발단계에 있으며, 이 외에 태양열 로켓이나 광자(光子)로켓도 논의가 되고 있는 상태이다.

로켓이 큰 추진력을 얻기 위해서는 배출 가스의 속도를 높여야 한다. 이를 위해서 노즐을 사용한다.  노즐이란 일반적으로 유체가속원리(流體加速原理)인 ‘베르누이의 정리’에 입각하여, 음속(音速) 이하의 유체는 통과하는 단면적이 좁아지면 속도가 빨라진다. 그러나 유체속도가 음속에 도달하면 기체의 압축성이 현저해져서 단면적을 좁혀도 가속되지 않는다. 그래서 스웨덴의 기술자 C.G.P.데 라발(1845∼1913)은 음속에 도달한 가스의 통로를 갑자기 넓히면 가스가 급팽창해서 그 속도가 더욱 높인진다는 것에 착안, 끝조림 노즐과 확산 노즐을 조합한 이른바 라발노즐을 고안하였다.
이 노즐을 사용하면 연소실 내에서 생긴 아음속(亞音速)의 가스 흐름은 끝조림 노즐의 앞부분에서 음속에 도달하고, 다음에 확산 노즐에서 팽창하여 속도를 얻어 초음속의 흐름이 된다. 또한 2개의 노즐이 결합하는 부분을 목(throat)이라 하고, 확산 노즐의 말단부분을 출구라고 한다.

로켓의 용도는 크게 군사용과 우주용으로 나눌 수 있다. 군사용은 대륙간 탄도미사일(ICBM)등 탄도미사일(BM)을 비롯해서 다련장로켓, 북한의 방사포 등이 있다. 그리고 우주용은 위성을 궤도에 올리는 위성발사체(Launch Vehicle) 와 아폴로 계획과 같이 탐사선을 외계로 내보내는 우주발사체(Carrier Rocket)가 있다. 탄도 미사일의 경우는 발사 후 탄도의 최정점인 최고고도를 지나면 그 후부터는 지구의 중력에 끌려 낙하한다. 하지만 위성을 쏘아올릴 때는 발사한 후 점점 속도를 증가하여 최고속도에서 지구 표면과 평행방향의 궤도속도를 얻도록 되어 있다. 또한 인공위성에서는 필요한 자세제어나 궤도 변경을 위해 기체 각부에 소형의 로켓을 장착해 놓는다.

로켓의 역사를 살펴보면 다음과 같다.
로켓의 시작은 중국의 화전(불화살)이다. 화전은 중국에서 발명된 화약을 대나무통에 넣어 화살에 묶어 화살을 비행시킨 것이다. 화전은 1232년에 몽골군에 사용했다는 기록이 있고 원나라가 일본을 정벌할 때도 사용했다고 한다.
우리나라도 중국을 따라 로켓을 만들었는데, 고려 말 우리나라에 화약제조 기술을 도입하고 우왕 3년(1377년)에는 화통도감을 만든 최무선이 그 주인공이다. 최무선이 만든 18가지 화약 무기 중  ‘달리는 불’이라는 뜻을 가진 주화(走火)가 있는데, 이것이 한국 최초의 로켓으로 지금의 로켓과 같은 얼개, 같은 동작 원리를 갖추고 있다. 1448년(세종 30) 이전까지는 주화로 부르다가  그 이후에는 ‘신기전(神機箭)’으로 불렸다. 《병기도설》에는 신기전을 대·산화·중·소 신기전의 4종류로 나누어 그 크기와 구조를 자세히 설명하였다.

 

중국의 화전 제조 기술은 인도, 아라비아를 거쳐 1400년 경에 유럽에 전해졌다. 이탈리아에서 불꽃을 뜻하는 로케타(rocchetta)라 불리기 시작한 것이 오늘날의 로켓으로 되었다. 유럽에서는 로켓을 안정적으로 비행시키는 것이 어렵고 급속도로 발달한 총포에 밀려 실용화가 되지 않았다.
영국이 18세기 인도를 침공했을 때 인도군의 로켓 공격으로 봉변을 당한 후부터 로켓을 연구하기 시작하였다. 19세기 초에 영국의 W.콩그리브는 로켓으로 약 3km를 비행시키는 데 성공하여 무기로서 이용을 꾀하였으나 그 성과는 대포포탄(大砲砲彈)의 사거리를 연장시키는데 사용되는데 그쳤다.
그후 1898년에 러시아의 K.E.치올콥스키가 <로켓에 의한 우주공간의 탐구>라는 논문을 발표하였다. 이 논문에서 그는 액체추진제를 사용함으로써 로켓의 속도를 높일 수 있다는 것을 이론적으로 증명하고, 우주공간에서의 비행실현에 대한 연구결과를 설명하였다.
한편 독일의 베를린에서 H.오베르트를 중심으로 로켓에 의한 우주공간비행을 목표로 동호회 성격의 조직을 결성하여 연구를 했는데, 그 중에 W.폰 브라운도 있었다. 그들의 연구는 독일 육군의 관심을 끌게 되어 발트해에 있는 작은 섬 페네뮌데에 연구시설을 두고 로켓 병기 개발을 시작하여 그 유명한 근대 로켓의 시초인 V-2 탄도 미사일이 만들게 되었다. V-2는 현대에 만들어지고 있는 우주발사체나 군사용 미사일의 시작이었다.

미국 대통령 존 F. 케네디가 "1960년대에 인간을 달로 보내고 또한 안전하게 귀환시키겠다"는 아폴로 계획을 1961년에 발표하였다. 아폴로 계획은 2인승의 달 탐사선을 달에 착륙시켜 탐사를 마친 뒤 사령선으로 지구에 귀환하는 것이다. 아폴로 계획을 진행시키면서 만들어진 로켓이 새턴 5형으로 3단의 액체 추진 로켓이다. 새턴 5호 시리즈는 개발 도중에 1호기·2호기의 부분적 실패와 13호기의 발사가 중지된 것 이외는 모두 성공하였다.
미국은 아폴로계획이 성공한 후 스페이스셔틀(유인우주왕복선)의 개발에 착수, 1977년 실험선 엔터프라이즈호의 성공을 시작으로 1982년까지 컬럼비아호, 1983년 챌린저호, 1984년 디스커버리호 등을 여러 차례 발사하여 성공하였으나 1986년 1월 챌린저호가 발사 직후 폭발하는 참사를 겪기도 하였다.

각국의 우주로켓 현황을 보면,
미국의 우주로켓은 이미 살펴본 새턴 5 로켓, 타이탄 로켓, 아틀라스 로켓 등이 있다. 그리고 팰콘이라는 민간이 개발 중인 로켓도 있다.
인도는 PSLV란 우주로켓을 가지고 있으며 가격 대비 가장 신뢰성 있는 위성발사체로서 인정받고 있다. PSLV-C37이란 최신형을 발표하였다.
유럽 우주국에서는 아리안 로켓을 인공위성 발사 서비스용으로 운영하고 있다. 우리나라도 위성 발사에 이용하였다.
러시아는 소유즈가 있고 최신 개발된 앙가라 로켓이 있다.
중국은 최근 활발한 우주개발이 진행 중인데 창정이란 로켓을 운영하고 있는데 2016년 창정7호를 발사했다.
일본은 H-2가 있고, 이를 개량한 극저온 액체연료를 사용한 H-2A를 개발했다. 

우리 한국은 위성발사체로 나로호(KSLV)가 있습니다.