로켓 엔진의 작용과 반작용
인류가 지금까지 이룬 가장 놀라운 업적 중의 하나는 우주 탐험이다. 그러나 이것은 로켓 엔진이 없었다면 불가능한 일이었을 것이다. 한편에서 보면 로켓 엔진은 아주 간단해서 누구라도 자신이 설계한 로켓을 아주 싼 값으로 발사할 수 있다. 로켓엔진은 반작용을 이용하는 엔진이기 때문에 전기 모터나 가솔린 엔진과는 기본부터가 다르다. 로켓 엔진을 추진시키는 기본 원리는, 모든 운동에는 작용과 반작용이 있다는 유명한 뉴턴의 법칙이다. 로켓 엔진은 많은 질량을 뒤로 분출하면서(작용) 그 반작용으로 앞으로 전진한다. 많은 질량을 뒤로 분출하며 앞으로 전진한다는 개념은 로켓엔진이 무엇을 분출한다고 하기보다는 화염이나 소음, 압력과 같은 것으로 연상되기 때문에 쉽게 이해되지 않는다. 두 가지 예를 들어보자. 만일 12 구경 엽총과 같은 총을 발사해 본 적이 있다면 "반동"을 느껴보았을 것이다. 이 반동이 반작용이다. 그런 총을 쏠 때 롤러스케이트나 스케이트보드를 타고 있었다면 총이 로켓 엔진처럼 작용해서 총알이 나가는 반대방향으로 굴러가는 반작용이 일어날 것이다. 두 번째 풍선을 분 다음 손에서 놓으면 풍선이 방안 이리저리를 날아다니는데, 이것 역시 작용과 반작용의 한 예이다. 이 경우에는 풍선 안에 있는 공기 분자가 분출된다. 우리는 흔히 공기를 무게가 없는 것으로 생각하는 경향이 있지만 실제로 공기 분자는 질량을 가지고 있다. 풍선 구멍을 통해서 공기를 내보내면 풍선은 반대방향으로 날아가면서 반작용을 일으킨다. 여러분이 우주에서 우주복을 입고 유영을 하고 있는데 야구공을 하나 가지고 있다고 해보자. 야구공을 던지면 뒤쪽으로, 즉 공이 나아가는 방향과 반대방향으로 몸이 움직이면서 반작용이 일어난다. 야구공의 질량(m)과 야구공에 가하는 가속도(a)의 크기는 여러분의 몸이 움직이는 속도를 조절한다. 질량과 가속도를 곱한 것이 힘(f=ma)이다. 야구공에 가한 힘은 야구공이 여러분에게 가하는 반작용의 크기와 같다. 자, 그러면 야구공의 무게가 0.45킬로그램이고 우주복을 더한 여러분의 몸무게가 45킬로그램이라고 하고 여러분은 특정 가속도로 야구공을 던진다고 하자. 그러면 여러분의 몸은 이와 동일한 힘의 반작용을 받을 것이다. 그러나 야구공보다 100배나 더 무겁게 때문에 야구공의 가속도의 100분의 1의 속도로 움직이게 된다. 만일 야구공으로부터 좀 더 많은 반발력을 얻고 싶다면 다음의 두 가지 방법밖에 없다. 첫째, 질량을 늘린다. 두 번째, 공을 던지는 가속도를 증가시킨다. 로켓 엔진은 질량을 고압의 가스 분자 형태로 분출한다. 질량은 로켓 엔진이 연소시키는 연료의 중량에서 나온다. 연소과정은 연료의 질량을 가속시켜서 고속으로 로켓의 노즐을 빠져나가게 한다. 연료가 연소되면서 고체나 액체 상태에서 기체로 변환된다고 해서 질량에 변화가 생기지 않는다. 만일 1킬로그램의 로켓 연료를 연소시키면 1킬로그램의 배출 가스가 고온, 고속으로 노즐 속을 빠져나온다. 형태는 바뀌지만 질량은 변하지 않는다.
추력
로켓 엔진의 힘은 추력이라고 한다. 추력은 영국 식으로는 파운드, 미터 법으로는 뉴턴(N)으로 측정한다(4.45N=1파운드 추력). 1파운드의 추력은 지구 중력에 반하여 1파운드 무게의 물체를 계속 일정 상태로 유지할 수 있는 힘이다. 그리고 지구에서 중력가속도는 9.8m/sec이다. 야구공을 넣은 주머니를 가지고 우주에서 유영을 하고 있다고 해보자. 이때 1초에 공 하나를 21mph의 속도로 던진다면 이 야우공은 1파운드(4.45N)에 해당하는 추력을 만들어 낼 것이다. 만일 이 야구공을 42 mph의 속도로 던진다면 2파운드(8.9N)의 추력을 얻게 된다. 그리고 만일 이 야구공들을 발사기 같은 것을 이용해서 2,100 mph의 속도로 던지게 된다면 1000파운드(445N)의 추력을 만들 수 있을 것이다. 로켓이 가지고 있는 재미있는 문제 중의 하나는, 엔진이 분출하려고 하는 것(연료)은 실제 무게를 가지고 있고 로켓은 그 무게를 싣고 날아야만 한다는 것이다. 여러분이 1초마다 야구공 하나를 2,100 mph의 속도로 던져서 시간당 1000파운드(445N)의 추력을 만들고 싶어 한다고 해보자. 이것은 1파운드짜리 야구공 3,600개(한 시간은 3,600초이므로)를 가지고 가든, 혹은 어떤 식이든 3,600파운드(1만 6,6020N)의 무게가 나가는 야구공들을 가지고 출발을 해야 한다는 것이다. 여러분의 몸무게는 우주복을 입고도 겨우 100파운드(445N)에 불과하므로 결국 여러분의 연료(야구공) 무게가 로켓 (여러분)을 납작하게 만들어버리고 말 것이다. 연료가 로켓의 하중보다 36배 무겁기 때문이다. 이것이 바로 사람이 우주로 항해하는 데에 커다란 로켓이 필요한 이유이다. 아주 많은 연료를 가져가야만 하는 것이다. 이런 무게 등식은 우주왕복선에서 아주 명확하게 알 수 있다. 발사 시에는 세 가지 부분이 있다. 우주선과 대형 외부연료 탱크 그리고 두 개의 고체추진 로켓(SRB)이다. 발 시의 전체 중량은 연료 무게가 왕복선보다 20배나 더 무겁기 때문에 970만 킬로그램(440만 파운드)에 달한다. 즉 36만 3,000킬로그램(16만 5,000파운드)을 궤도에 올리는 데에 970만 킬로그램이 필요한 것이다.
고체연료 엔진
간단한 고체연료 로켓에 숨어있는 원리는단순하다. 빨리 연소하지만 폭발은 하지 않는 어떤 물건을 만들고 싶다고 하자. 질산염 75퍼센트, 탄소 15퍼센트, 황 10퍼센트의 화약은 폭발한다. 로켓 엔진이 폭발하는 것은 원치 않을 것이다. 일정 시간 동안만 균등하게 동력이 발산되면 된다. 따라서 이 비율을 질산염 72퍼센트, 탄소 24퍼센트, 황 4퍼센트의 비율로 바꾸어 간단한 로켓연료를 만든다. 이 정도의 비율이면, 적당하게 장전하면 매우 급속하게 연소는 하지만 폭발은 하지 않는다. 50만 킬로그램 이상의 연료를 실은 우주 왕복선의 SRB에서는 연소가 약 2분 동안 지속된다. 고체연료 로켓 엔진은 두 가지 중요한 장점이 있다. 단순함과 저비용이 그것이다. 여기에는 또한 두 가지 단점도 있다. 추력을 조절할 수 없고 일단 점화를 하면 엔진을 정지시키거나 재시동할 수 없다는 것이다. 이러한 단점은 고체연료 로켓은 단기간 임무(미사일 전개)나 추진 시스템에 적합하다는 것을 의미한다. 엔진을 조절할 필요가 있으면 액체연료 시스템을 사용해야 한다.