과학에 관심 있는 여러분께 로켓이 어떻게 하늘로 날아오르는지에 대해 알리고자 한다. 로켓 전체의 과학 원리를 이해하는 것은 복잡할 수 있지만, 그 기본 원리는 단순하다.
로켓의 비행 원리는 뉴턴의 제3법칙인 작용-반작용 법칙에 기반한다. 모든 작용에는 그와 동등한 크기의 반대 방향의 반작용이 있다는 뜻이다. 로켓의 엔진은 연료를 연소시켜 가스를 뒤로 배출하는데 이것이 작용이라고 한다면, 반작용은 이 가스가 뒤로 밀려나가면서 로켓은 반대 방향인 앞으로 나아가게 되는 것이다. 로켓의 가스배출속도를 -1000m/s라고 한다면 로켓의 속도는 +1000m/s인 것이다.
로켓의 추진력은 로켓이 가스를 얼마나 빠르고 얼마나 많은 양을 배출하는지에 따라 결정된다. 추진력 F의 공식은 아래와 같이 표기할 수 있다.
F=m x Ve
여기서, m은 질량 유출률(초당 배출되는 가스의 질량)이며, Ve는 배출 가스의 속도이다.
로켓은 연료와 산화제를 사용해 연소 반응을 일으킨다. 이 반응은 높은 오도와 압력을 생성하며 가스를 빠르게 배출하게 한다. 액체 수소와 케로신 등이 연료이며, 앤체 산소와 질산 등을 산화제라 한다.
로켓의 설계는 추진력을 최대화하고 무게를 줄여 공기역학적인 형태를 유지하는 것을 목표로 한다. 엔진은 추진력을 생성하는 주요 부분이고 연료 탱크는 연료와 산화제를 저장한다. 페어링은 페이로드인 위성과 우주 탐사선 등을 보호하는 역할을 한다.
종류별로 로켓을 분류가능하다. 여러 단계를 통해 연료를 효율적으로 사용하는 단계형 로켓이 있고, 비용절감을 위해 일부나 전체를 재사용하는 Reusable Rockets이 있다.
내가 좋아하는 로켓인 팰컨9에 대해 소개해보겠다. Falcon9은 두 단계로 구성되어 재사용 가능한 중형 로켓이다. 지구 저궤도와 정지궤도에 다양한 페이로드를 보낼 수 있다. 첫 번째 단계인 부스터를 회수하여 재사용할 수 있도록 설계되었고, 이는 발사 비용을 크게 줄이는 혁신적인 특징이다. 2012년에 처음으로 국제 우주 정거장(ISS)에 물자를 보냈으며, 2020년에 NASA의 우주비행사들을 ISS로 보내는 데 성공하였다. 팰컨 9의 스펙은 9개의 멀린 엔진을 사용하고 22,800kg을 저궤도에 올릴 수 있는 것이다.
스페이스X를 중심적으로 로켓에 대해 마무리 짓자면, 로켓 기술은 지속적으로 발전되고 있으며 인간이 미래에 화성에 정착할 수 있을 것이다. 혁신적인 로켓과 우주에 대한 접근 방식으로 우주 산업을 재정의하고 공부해 나가자.
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