우주 공간으로 가는 발판

우주 공간은 거의 ‘진공’ 상태이다. 추진 원리와 같이 로켓은 대기나 진공 상태에서도 비행할 수 있다. 지상에서 상공을 향해 로켓을 수직으로 쏘았다고 생각해 보자. 추진제가 모두 타버리고, 마침내 최고 고도에 도달하면 로켓은 그대로 지상으로 떨어진다. 대형 로켓을 만들어서 추력이 아무리 커도 같은 일이 벌어질 것이다. 그러면 인공위성은 어떻게 지구 주위를 ‘무동력’으로 주회할 수 있는 것일까?

 

뉴턴은 17세기 말에 “산과 공기가 방해하지 않는 높은 위치에서 물체를 일정한 속도로 지구 표면에 수평으로 던지면, 이 물체는 지구 주위를 영원히 돌 것이다.”라면서 인공위성의 가능성을 말했다.

 

여기서 ‘일정한 속도’란 궤도속도나 지상에서 고도에 따라 정해진 관성속도를 의미하는데, 이것은 대지속도가 아니라는 것에 주의해야 한다. 관성속도는 지구와 함께 자전하지 않는 관성 좌표계로 관측되는 물체의 속도이다. 지구에 고정된 좌표계는 자전과 함께 회전하는 관성 좌표계가 아니다. 관성 좌표계, 관성속도 등 우주 공학의 기초 개념은 나중에 설명할 것이다.

 

뉴턴이 말한 인공위성의 가능성은 우주로켓의 탄생도 전망하였다. 뉴턴의 예측에서 최초의 인공위성인 스푸트니크의 탄생까지 250년 이상의 시간이 걸렸다는 것은 위성의 궤도속도가 너무 커서 고속으로 비행하는 위성을 우주 공간까지 운반하는 로켓을 만들기 어려웠기 때문이다.

 

스푸트니크 1호의 모형

 

뉴턴이 말한 ‘산과 공기가 방해하지 않는 높은 위치’는 진공의 공간, 쉽게 말하면 공기 밀도가 충분히 낮은 공간이다. 로켓은 ① 인공위성이나 우주 탐사선 등의 페이로드를 정해진 고도까지 쏘아 올리고, ② 페이로드에 어떤 궤도속도를 공급할 수 있을 때 비로소 ‘우주로켓’이라고 말할 수 있다. 로켓에서 분리된 위성은 주위가 진공 상태일 때, ‘만유인력의 법칙’에 따라 지구 주위를 영구 비행하거나 지구 중력에서 탈출하여 행성 사이를 무동력으로 자립 비행한다. 이때 ‘로켓은 페이로드를 궤도에 진입시켰다.’라는 것이며, 또한 페이로드를 '궤도에 올린' 것이다.

 

우주로켓의 특징을 다른 수송 기관과 비교하면 차이가 분명하다. 첫 번째, 우주로켓은 발사 직전 기체의 전체 질량에 대한 추진제 질량의 비율이 거의 85~90%로 다른 수송 기관보다 월등히 높다. 두 번째, 추진제의 소비가 극심하고 단시간에 타버리지만, 그 사이에 로켓은 금방 고속으로 비행한다. 세 번째, 비행기처럼 같은 기체를 반복 사용하기는 매우 어렵다.

 

기술 수준의 현황은 반세기 이상 다양한 기술혁신과 많은 실패 경험을 바탕으로 쌓아 온 결과이며, 현재의 우주로켓 기술은 성숙 단계에 이르렀다고 생각해도 무방하다. 예를 들어, 기체 구조의 경량화 기술과 화학 로켓 엔진의 성능은 거의 한계에 가깝다. 한편, 세계의 발사 현황을 살펴볼 때 우주로켓은 대략 30회에 1회 정도의 발사 실패를 경험했으며, 가까운 미래의 우주개발에서 가장 중요한 과제는 로켓 위성을 포함하여 ‘신뢰성’을 향상하는 것이다.

 

[우주로켓] 우주로켓과 인공위성의 임무