발사체 엔진은 어떻게 200t을 들어올릴까

발사체 엔진은 어떻게 200t을 들어올릴까

발사체 과학의 핵심은 엔진이라고 말합니다. 엔진 기술이 그만큼 어렵고, 중요하다는 뜻이죠. 생각해보면 당연합니다. 무게가 미국 자유의 여신상 만큼 무거운 발사체를 공중으로, 균형을 잃지 않게 올리는 일이니까요.

인류가 최초로 발사체 발사에 성공한 1957년 이후, 엔진 기술은 60년 동안 발전을 거듭해 왔습니다. 추력을 높이는 터보펌프부터 엔진 여러 개를 묶는 클러스터링까지, 엔진 기술의 핵심 원리를 그래픽으로 구성해봤습니다. 

※이 그래픽 기사는 한국언론진흥재단의 지원을 받았습니다.

발사체의 내부는 어떻게 생겼을까요? 당신은 혹시 이런 모습을 상상할지 모릅니다.

하지만 2021년 발사 예정인 한국형발사체를 예로 들면 엔진을 뺀 거의 모든 공간이 연료(등유)와, 연료를 연소시킬 산화제로 채워져 있습니다. 둘을 합친 무게는 발사체 전체 무게의 약 90%를 차지하죠.

연료를 가득 싣는 이유는 발사체가 중력을 탈출할 수 있도록 충분한 에너지를 만들어야 하기 때문입니다.

에너지를 내는 건 엔진입니다. 엔진이 연료를 연소시킨 가스를 내뿜으면서 화학에너지가 운동에너지로 바뀌고, 다시 위치에너지로 바뀝니다.

이때 엔진이 내는 추진력은 발사체의 무게보다 훨씬 더 큽니다. 열, 배기가스, 대기와의 마찰로 소모되는 양이 있으니까요.

200t짜리 발사체를 날리는 데 약 300톤의 추진력을 내는 75t급 엔진 4기를 사용합니다. 최종적으로 1.5t의 위성을 지구저궤도에 올리는데, 그 200배의 추진력이 필요한 셈입니다.

따라서 로켓 과학의 핵심은 엔진의 연료 사용량 대비 추진력을 높이는 것입니다.

엔진의 추진력은 한꺼번에 많은 연료를 태울수록 커집니다. 연료탱크의 압력을 높여 추진제를 강하게 분사하거나, 추진제를 고압으로 내보내주는 터보펌프를 설계하는데 매우 복잡한 기술이 필요합니다.

발사체를 여러 단으로 분리해서 날리는 전략도 있습니다. 한국형발사체는 총 3단으로 구성돼 있는데요. 사용한 엔진은 분하고, 마지막엔 7톤급 엔진 1개가 위성을 실어 나릅니다.

이렇게 분리하는 기술도 결코 쉬운 기술은 아닙니다만, 불가능할 것 같은 일을 가능하게 만드는 게 발사체 과학의 매력이 아니겠습니까. 진정한 우주로의 여행은 이제부터입니다.