비행기와 로켓은 어떻게 다를까?

비행기와 로켓은 20세기 초에 출현하였고 과거 100년 동안 엄청난 발전을 이루었다. 비행기는 어떻게 공기 중을 날 수 있을까? 그 후에 나타난 로켓도 마찬가지로 하늘로 날았다. 로켓은 비행기와 어떻게 다른 것일까? 그림은 비행기와 로켓이 비행 중에 받는 외력을 나타낸 것이다.

 

 

 

1) 비행기에 작용하는 힘

제트기의 추진 원리는 로켓과 같이 ‘작용·반작용의 법칙’에 따른 것으로, 제트엔진이 연소가스를 후방으로 분출하고, 그 반작용으로 추진력을 얻는다. 다만 제트기는 연료만 탑재하고, 연소에 필요한 산화제는 공기로부터 얻는다. 이때 공기의 성분 중에 불활성기체인 질소가스도 고온 상태로 후방에 분출되면서 추진력을 얻는 데 도움을 준다.

 

비행기는 공기 중을 비행할 때 엔진 추력이 있으므로 자중을 감당할 필요가 없다. 항공기의 엔진은 기체를 전진시키는 힘만 담당하므로 그 추진력은 자중보다 작아도 괜찮다. 현재 대형 여객기의 추력은 이륙할 때 최대 자중의 약 ⅓ 정도이다. 전투기나 특수 용도의 소형 항공기는 추진력이 자중보다 크고, 수직 이착륙이 가능한 것도 있지만 이것은 특수한 경우이다.

 

수송기 등 일반 비행기는 이착륙하는 짧은 시간을 제외하고, 일정한 속도, 다시 말하면 순항속도로 비행한다. 그런 의미에서 비행기는 순항기이다. 그림과 같이 순항 비행할 때 양력(揚力)은 자중과 같으며, 추진력은 공기저항과 같다.

 

현재 대형 여객기는 고도 10,000ｍ의 대기를 비행할 수 있다. 이 고도 이상에서는 공기는 더 희박해지므로 비행기는 양력이나 추진력을 만들지 못해서 비행도 할 수 없다.

 

2) 비행기를 받치는 양력

비행할 때 비행기의 자중을 지탱하는 것은 공기이다. 그림과 같이 새의 날개와 비슷한 단면 형상으로 주익이 작은 받음각을 가지고 공기 중을 전진하면 주위에 큰 유동이 발생한다. 이 공기의 유동을 층류라고 한다. 층류가 발생하면 유동에 직각이고, 위쪽으로 날개를 치켜세우는 힘이 생긴다. 이 힘은 양력이라는 공기력으로 비행기의 자중을 지탱한다.

 

공기의 유동은 눈에 보이지도 않고 이해하기 어렵지만, 비슷한 현상은 우리 주변에서도 볼 수 있다. 야구 경기에서 투수가 공에 회전을 주면 공 주위에 소용돌이가 발생하며, 공에는 진행 방향과 직각 방향의 힘(양력과 같은 성질의 힘)이 발생한다. 이것이 슬라이더(slider) 같은 변화구가 된다. 이 현상을 ‘마그누스 효과(Magnus effect)’라고 한다. 공이 어느 방향으로 휠지는 그 축 방향으로 결정된다. 요트가 축 방향으로 왔다가 갔다가 하면서 전진하는 것도 돛에 작용하는 양력을 이용한 결과이다.

 

공기나 물을 유체라고 하는데 비행기는 유체의 유동 같은 자연의 법칙을 이용하여 공중을 비행한다. 더구나 인류가 비행기를 발명한 것은 고작 100년 전이었지만 새는 아주 옛날부터 자연의 법칙을 이용하여 하늘을 자유롭게 날고 있었다.

 

앞서 간단하게 공기가 비행기의 무게를 떠받친다고 설명했다. 하지만 비행기가 공중을 날 때 바로 주변 지표의 기압은 상승한다. 그 기압의 증분을 지표면 전체에 적분한 힘이 양력과 같다는 것이 증명되었다. 결국, 해수면을 포함하는 지표면이 공기를 이용하여 비행기의 총중량을 받치는 셈이다.

 

3) 로켓에 작용하는 힘

우주로켓의 추진력은 ‘기체의 전진’과 ‘자중의 극복’이라는 2개의 역할을 담당하므로 비행기보다 훨씬 더 큰 추진력이 필요하다. 특히 발사(리프트오프) 때의 추진력은 로켓의 최대 자중보다 커야만 한다. 하지만 추진력이 너무 커도 안 된다. 기체 구조, 탑재 장비, 위성 등은 너무 큰 가속도가 작용하면, 고장이 나거나 망가질 수도 있다. 유인 비행에서는 인간이 견딜 수 있는 가속도에 한계가 있으므로 로켓의 최대 추진력은 제한할 필요가 있다.

 

우주로켓은 지표면에서 출발하여 대기층을 뚫고 목표 궤도에 도달할 때까지 가속을 계속한다. 단순하게 비행기가 순항기라면 로켓은 가속기라고 말할 수 있다.

 

 

[우주로켓] 우주 공간으로 가는 발판