우주선은 공기가 없는 우주에서 어떤 원리로 비행이 가능 할까요?
자동차나 비행기는 연료를 태워서 폭발의 힘으로 움직일수 있다면 우주선은 공기가 없는 우주공간에서 어떻케 연료를 태울수 있으며 그많은 연료는 어떻케 공급 될까요?
로켓의 기본 원리는 뉴턴의 운동 제3법칙인 작용반작용법칙이다.
공기를 불어 넣은 풍선 꼭지를 잡고 있다가 놓으면 풍선 안에 있던 공기가 빠져 나오면서 풍선은 꼭지 반대 방향으로 날아간다. 이것이 바로 뉴턴의 작용반작용법칙이다.
예를 들어 스케이트를 탄 궁수가 오른쪽으로 수평하게 화살을 쏘는 경우 화살이 앞으로 날아갈 것이다. 궁수를 자세히 관찰해 보면 화살만 앞으로 나가는 것이 아니라 스케이트를 타고 화살을 쏜 궁수도 마찰이 없는 빙판에 서 있기 때문에 화살을 쏜 반대 방향으로 밀려나간다. 그러나 화살의 속도보다는 느리고 거리도 짧게 움직인다.
화살을 더 강하게 쏘면 궁수는 전보다 더 먼 거리를 반대 방향으로 이동하게 된다. 만약 우주 공간과 같은 진공 중에서 동일한 실험을 한다면 화살을 쏜 궁수는 공기저항이 없기 때문에 공기 중에서보다도 더 멀리 뒤로 이동할 것이다. 실제로 로켓 엔진은 공기가 존재하는 지상에서보다 진공 상태인 우주에서 더 효과적으로 약 10~15퍼센트 큰 추력을 낸다.
로켓이 앞으로 비행할 수 있는 것은 뒤쪽으로 빠른 속도의 기체를 내뿜기 때문이다. 다시 말하면 로켓 내에 있던 연료와 산화제가 연소 반응에 의해 발생한 고온의 빠른 속도의 운동량(질량×속도)이 로켓을 기체 입자가 분출되는 방향의 반대 방향으로 전진하는 운동량을 만들어 준다.
로켓 엔진에서 운동량이 보존되어야 하므로 분사되는 운동량과 그 반대 방향으로 발생하는 운동량의 합이 0이어야 한다는 것이다. 그러므로 작용과 반작용의 법칙을 포함하고 있는 뉴턴의 제2법칙이 가장 근간이 되는 원리다. 뉴턴의 제2법칙은 물체가 힘을 통해 운동량을 교환한다는 근본적인 의미가 포함되어 있기 때문이다.
우주 발사체의 추진 원리는 다음과 같은 뉴턴의 제2법칙을 적용하여 설명될 수 있다.
그러나 로켓은 대기압이 낮은 우주 공간에서 작용하고 노즐 출구에서의 압력도 아주 작도록 설계하므로 압력항을 나타내는 항은 무시할 수 있다. 따라서 추력은 다음과 같이 간단하게 표현된다.
만약 지상 발사장에서 수직으로 발사하는 발사체의 경우 이륙 초기에는 속도가 느리므로 공기저항을 무시할 수 있으므로 외력은 총중량 W만 작용하므로 다음과 같이 표현된다.
로켓 엔진의 화학 추진 시스템은 추진제의 물리적 상태에 따라 액체 추진제(liquid propellant), 고체 추진제(solid propellant), 하이브리드 추진제(hybrid propellant) 등으로 구분된다.
인공 위성 발사체에 주로 사용되는 액체 추진 시스템은 액체산소(-183°C, 산화제)와 같은 액체 산화제와, 케로신이나 RP-1(정제 석유), 액체수소(-253°C, 연료)와 같은 액체 연료를 사용하는데 액체 상태라서 추력 조절 및 재시동이 가능하다.
고체 추진 시스템은 제작 비용이 저렴한 간단한 로켓 엔진으로 연료와 산화제의 고체 화합 혼합물을 연소시키는 로켓 엔진이다.
고체 추진제의 단점을 보강한 하이브리드(혼합) 추진제는 일반적으로 고체 연료에 액체 산화제를 분사시켜 연소시키는 방식(반대의 경우는 효율이 떨어짐)을 말한다. 고체 추진제와 달리 연소를 중단하거나 재시동을 걸 수 있지만 큰 추력 엔진에는 부적합하다.
[일부발췌 : https://1boon.kakao.com/bemil/5dbb943bdabc4f7abb5254cf]
