우주로켓에 필요한 성능

1) 로켓 발사 방위

‘지구 중심 관성 좌표계’에서 관찰할 때 지구는 서에서 동으로 자전하므로 관측자의 지표면도 그 지점의 위도에 따라 동쪽으로 관성속도를 가진다. 그래서 로켓을 동쪽으로 발사할 때 지구의 자전 때문에, 이득이 생겨서 로켓 발사 능력이 향상된다. 그래서 지구관측위성을 제외하고 특별한 이유가 없다면 우주로켓은 지구상의 어떤 지역에서 발사하더라도 항상 동쪽으로 발사한다.

 

2) 중력과 대기에 의한 속도 손실

지표면에서 발사한 로켓은 궤도속도까지 올라가면서 상승 비행을 계속하지만 주로 지구 중력과 대기 때문에 속도가 떨어진다. 이것을 ‘속도 손실’이라고 하고, 특히 중력에 의한 속도 손실을 ‘중력 손실’이라고 한다.

 

이제 고도 약 200 km의 저고도 원 궤도에 위성을 발사할 때 우주로켓이 실제로 획득할 속도를 계산해 보자. 이 고도에서 위성의 궤도속도(관성속도)는 약 7.8 km/s이다. 한편, 로켓이 지상에서 위성 궤도까지 비행하면서 발생한 속도 손실은 로켓의 사양, 성능, 발사 조건마다 다르지만, 대략 추정하면 약 2.0 km/s가 된다. 이득과 손실을 합산하면 로켓은 궤도속도(관성속도) 약 7.8 km/s와 20% 정도의 여분 속도가 필요하다. 이것은 우주로켓에서 큰 부담이다.

 

3) 다단식 구성

현재의 기술 수준으로 최고 성능의 1단 로켓을 만들어서 페이로드를 우주 공간까지 수송할 수 있을까? 답은 ‘아니다.’이다. 이유는 위성 등의 궤도속도가 너무 빠르기 때문이다. 이것은 연구가 필요하다. 로켓을 다단식 구성으로 만들고, 하단 엔진과 탱크 등을 사용한 후에 동체를 분리해서 투기하면 기체 질량을 가볍게 하고, 구조 성능을 향상할 수 있다. 이것이 ‘다단식 로켓’이다. 상상에서는 사용한 기체를 바로 버릴 수만 있다면 가장 이상적인 로켓이다. 이것은 현실에서는 불가능하므로 다단식으로 만들 수밖에 없다. 한편, 함부로 단수를 늘리면 전체 시스템이 너무 복잡해지고, 기체의 질량이 증가하고, 신뢰성 저하를 초래한다. 성능 향상의 효과는 1단식에서 2단식으로 될 때가 최대이고, 단수를 늘리면 효과는 점점 감소한다. 실제 2단식이나 3단식이 가장 효율적이다. 그림 2.11은 다단식 로켓의 구성과 비행 개념을 3단 로켓으로 나타낸 것이다. 발사 전의 상태는 1단, 2단, 3단 로켓을 아래에서 쌓는 방식으로 구성한다. 지상에서 점화하는 1단이나 보조 로켓이 연소하여 추력 비행을 할 때 ‘1단 비행’이라고 하며, 이때, ‘2단 + 3단 + 위성’의 질량은 l 단 로켓의 페이로드이다. 마찬가지로 2단 로켓 엔진의 추력으로 비행할 때 ‘2단 비행’이라고 하며, ‘3단 + 위성’의 질량은 2단 로켓의 페이로드이다.

 

다단식 로켓의 구성

4) 비행 단계

고고도 정지궤도(GEO)에 위성을 올리거나 우주 탐사선을 발사할 때 우주로켓의 임무는 페이로드를 먼저 지구 저궤도(LEO)에 투입하는 것이다. 페이로드를 탑재한 우주로켓은 리프트오프 이후 ① 로켓의 상단 기체와 페이로드를 ‘실질 대기(Sensible Atmosphere)’ 밖까지 쏘아 올려서 ② 지구 주회 실궤도에 진입하는 데 필요한 속도를 실현하는 2단계를 지나고 저고도의 원 또는 타원 궤도에 도달할 것이다.

 

[우주로켓] 액체로켓과 고체로켓의 차이점