College Of Engineering
서울공대 이야기

로켓의 역사~

2004.10.15 05:41

lionheart 조회 수:3454

안녕하세요...항공기, 우주선, 로켓에 관심 있으시고 또 미국 나사(NASA)에 관심이 있으신 분들을 위해서 이번에는 로켓트의 역사에 대해서 한번 소개해드릴꼐요...자료는 아래 소개해드렸던 로켓추진 연구실(http://rpl.snu.ac.kr/)에서 퍼 왔습니다~ 그럼...

 

로켓의 기초

 

I. 로켓의 역사

 

  용기 속에 압력이 높은 기체를 가득 넣고 그 기체를 특정방향으로 방출하면 상당히 큰 힘이 생긴다는 것은 예로부터 알려져 있는 사실이다. BC 250년경 알렉산드리아(이집트)의 수학자 헤론이 만들었다고 하는 아에올리파일이라는 반동식 엔진은 1687년 뉴턴이 발표한 운동의 법칙에 착안되었다고 한다. 헤론의 엔진은 구형(球型)의 용기 밑에서 증기가 들어가고 측면의 2개소에서 구(球)의 접선방향으로 증기가 분출되는 배기관이 있는데, 그 힘으로 용기가 지지축(支持軸)을 중심으로 강하게 회전하는 구조였다. 기록에 의하면, 헤론은 그 회전력을 도르레나 로프에 전하여 사원(寺院)의 큰 문을 사람의 손을 빌리지 않고 여는 실험을 공개하였다고 한다.

 

  한편 뉴턴은 짐받이에 놓은 보일러에서 발생하는 증기를 노즐에서 분출시켜 그 추력으로 말을 사용하지 않고 마차를 달리게 하려고 하였으나 물탱크나 보일러 또는 연료가 너무 무거운데다가 그것에 비해 추력이 작았으므로 마차는 움직이지 않았다.

또 1040년경 저술되었다고 하는 중국의 《무경총요(武經總要)》에는 오늘날 흑색화약이라고 하는 초보적인 추진제의 제조법이 기록되어 있으며, 이것을 에너지원(源)으로 해서 대형의 화살을 사용하였다는 기록이 있다. 흑색화약은 숯·초석(硝石)·황 등을 혼합해서 만드는데, 중국에서는 굵은 대나무 통에 이것을 채워 넣고 화살촉이 붙은 가느다란 대나무에 묶어, 처음에는 활로, 후에는 목제(木製)의 발사대에서 발사하여 무기로 사용하였다. 이것을 화전(火箭)이라 하였는데, 중국은 1232년에 성(城)을 포위한 몽골군에게 화전을 사용해서 반격했다고 한다. 원군(元軍)이 일본을 침공했을 때도 이 화전을 사용했다고 한다. 중국의 화전제조 기술은 인도나 아라비아를 거쳐 150년 후에는 유럽에 전해졌고, 특히 이탈리아에서는 쏘아올리는 불꽃을 뜻하는 로케타(rocchetta)라 불리어 오늘날의 로켓의 어원이 되었다.

 

 

 

  영국에서도 18세기 인도를 침공했을 때 인도군의 로켓 공격으로 봉변을 당하고, 그 후부터 로켓을 연구하기 시작하였다. 그러나 로켓에 의한 추진은 특히 비행 중의 안정제어가 곤란하여, 실용화가 이루어지지 못한 가운데 16세기경부터 급속도로 발달한 총포기술(銃砲技術)에 눌려서 연구의 주류(主流)에서 벗어나게 되었다. 19세기 초에 영국의 W.콩그리브는 로켓 추진에 의해 약 3km를 비행시키는 데 성공하여 무기로서 이용을 연구하였으나 그 성과는 대포포탄(大砲砲彈)의 비행거리를 연장시키는 방향에 전용되고 말았다.

그리하여 로켓의 연구는 시들해졌지만 소수의 과학자들은 그 후 유럽에서 빈번하게 발표된 물리학의 기초이론에 입각하여 로켓 및 그 추진에 관한 이론적인 연구를 계속하였다.

 

  특히 주목되는 것은, 1898년에 러시아의 K.E.치올코프스키가 발표한 <로켓에 의한 우주공간의탐구  >라는 논문이다. 이 논문에서 그는 액체추진제를 사용함으로써 엔진의 배기속도를 더욱 높일 수 있 다는 것을 이론적으로 증명하고, 우주공간에서의 비행실현에 대해 상세한 연구성과를 설명하였다. 치올코프스키의 이론적인 추구에 대해 미국의 R.H.고더드는 이론뿐만 아니고 실제로 로켓을 제작하여 비행시킴으로써 이론의 구체적인 증명을 구하였다 .   그는 수 년간의 연구성과를 발판으로 삼아 1916년에는 우선 고체추진제를 사용한 실험기(實驗機)를 제작하여 비행에 성공하였다. 그러나 엔진 속의 고압에 견딜 수 있도록 하기 위해 두꺼운 재료를 사용하였기 때문에 결과적으로 기체(機體)가 너무 무거워서 생각했던 것과 같은 성능을 내지 못하였다.   때마침 제1차 세계대전이 일어나서 고더드의 연구는 미국 육군의 재정적인 지원을 받아 계속되었다. 종전 후에는 원조가 중단된 가운데서도 추진제를 액체로 하는 방향으로 점진적으로 변경해서 개발을 계속하였다.

  마침내 시작(試作) 제1호기가 1923년 가을에 완성되었다. 이것은 추진제로 액체산소 및 가솔린을 사용하고, 이것들에게 펌프 동력으로 압력을 걸어 엔진에 보내는 기본적으로는 오늘날 실용화하고 있는 것과 같은 것이었다. 그러나 고더드는 서둘러서 발사실험을 하지 않고, 2년 반 동안 지상에서 시운전을 하여 그 기능을 상세히 점검, 데이터를 축적했다. 이리하여 1926년 3월 16일 매사추세츠주(州) 오번에서 사상 최초로 액체추진제를 사용한 로켓 발사가 고더드에 의해 실시되었다. 엔진은 2.5초 동안 작동하고, 로켓은 고도 56m로 상승하여 시속 97km를 기록하였다.

  

 

    

   Fig. 3  The liquid-fueled rocket Goddard and his team          Fig. 4  R. Goddard

                built and flew in Roswell, New Mexico

 

 

 

  한편 그 당시 유럽은 독일의 베를린에서 H.오베르트를 중심으로 하는 청년집단이 역시 로켓에 의한 우주공간비행을 목표로 동호회(同好會) 성격의 조직을 결성하였는데, 그 중에는 W.폰 브라운도 있었다. 그들의 연구는 독일 육군의 관심을 끌게 되어 연구의 근거지를 발트해에 있는 작은 섬 페네뮌데에 두고 대규모의 로켓 동력병기를 개발하기 시작하였다.

 

 

  그리하여 유명한 V-2호(정식으로는 A-4형) 탄도 미사일 등이 생산되게 되었다. V-2호는 독일이 낳은 획기적인 근대 로켓이며 그 후 미국과 소련의 우주 미사일이나 군사 미사일의 원형이 되었다. 이것은 액체산소와 알코올을 터빈펌프로 연소실로 보내는 방식의 액체 로켓이며, 날개와 노즐에 단 키(벤), 자이로 및 타이머(프로그래머)를 포함시킨 유도제어 장치로 자동조정을 하였다. 기체구조는 공력가열(空力加熱)을 고려한 연강판제이다. 이동 가능한 발사대로부터 수직으로 발사하여 1t의 폭약을 탄두에 싣고 목표를 향하여 자동으로 키를 조정하면서 규정속도에 도달하면 엔진을 끄고서 약 300km를 날 수 있었다. 약 4,000기가 제조되었고, 영국 및 유럽 대륙 서해안에 발사되어 연합군이나 시민의 공포의 대상이 되었다.

 

  1961년 미국의 대통령 케네디가 “1960년대에 인간을 달로 보내고 또한 안전하게 귀환시키겠다”고 발표하였는데, 그 아폴로 계획을 실현시키기 위하여 계획한 로켓이 새턴 5형이다. 이것은 3단식 액체 엔진으로 승무원 3명으로 2인승의 착륙선을 달에 연착륙시켜서 탐사를 마친 뒤, 사령선(司令船)으로 지구에 귀환하는 것인데 계획대로 1969년 6월에 최초의 달착륙에 성공하였다. 이것은 99.9999%의 신뢰성을 가진 화공품(火工品)과 탑재기기, 기능적인 착륙선, 고도의 일렉트로닉스를 구사한 소형 컴퓨터를 갖춘 계기부, 조정부와 3명의 승무원을 안전하게 확보하고 재돌입의 공력가열에 견디는 사령선 등, 그 때까지의 최고기술을 집결함과 더불어 시스템공학을 전면적으로 채택한 일대사업이었다. 새턴 5호 시리즈는 개발 도중에 1호기·2호기의 부분적 실패와 13호기의 발사가 중지된 것 이외는 모두 달탐사에 성공하였다.

 V-2호가 근대 로켓의 시조라고 하는 것은 그 액체 엔진의 구조와 비행체를 유도제어한다는 두 가지 점에서 획기적이었기 때문이다. 이 기본구성은 20년 후의 새턴에서도 답습되었다. 새턴 5호는 대형화, 3단식 엔진 구성, 액체 엔진, 착륙선·사령선 등 복잡한 시스템을 형성하고 있는 것, 인간을 싣기 위하여 요구되는 고도의 신뢰성을 가진 것, 원거리 ·장시간의 지령과 정보의 수수, 자동조정, 전세계에 걸친 방대한 지상지원계(地上支援系), 설계·제작·운용의 각 단계의 계획을 총괄하는 시스템 공학의 응용 등 많은 점에서 V-2호에는 없었던 요소가 집대성되었다.

  목표달성도에서 보아도 V-2호는 반년 동안에 약 4,000기가 제작되었고 상당수가 발사되면서 고장이 많았지만, 새턴 5형은 예비시험기 5기가 아주 순조롭게 시험가동되고 실제로 계획된 7기도 거의 그 목적을 달성하였다. 새턴 5호는 V-2호에 비하여 질량비·비추력·일렉트로닉스의 능력이나 정밀도면 등에서 대폭 향상되었다. 두 계획 모두 폰 브라운이 관여하였다는 점은 주목할 만하다. 독일우주여행협회 이래 로켓에 의한 우주탐구에 전념한 브라운은 근대 로켓 V-2호를 낳았고, 이어 레드스톤 로켓에 의한 미국 최초의 위성 발사를 실현하고, 다시 달여행용 대형 로켓 새턴 5호를 완성하였다.

 

  아폴로계획 후 미국은 스페이스셔틀(유인우주왕복선)의 개발에 착수, 1977년 실험선 엔터프라이즈호의 성공을 시작으로 1982년까지 컬럼비아호, 1983년 챌린저호, 1984년 디스커버리호 등을 여러 차례 발사하여 성공하였으나 1986년 1월 챌린저호가 발사 직후 폭발하는 참사를 겪기도 하였다.

 

II. 로켓의 원리

 

  로켓은 용기 안에서 연료를 연소시켜서 압력이 높은 가스를 고속으로 뿜어 냄으로서 공간을 비행할 수 있게 만든 것이다.

로켓의 원리는 뉴턴의 운동 법칙에서 작용 반작용의 법칙을 이용한 것으로 연료가 연소하여 발생한 가벼운 가스가 빠른 속도로 분출됨으로써 무거운 로켓이 반대 방향으로 추진되는 것이다.

  이 작용 반작용의 법칙은 바람을 가득 넣은 고무 풍선의 주둥이를 손으로 쥐고 있다가 놓으면 공기가 밖으로 빠져 나오면서 풍선은 반대 방향으로 날아간다. 이때 공기가 빠져 나오는 힘은 작용, 풍선이 반대방향으로 날아가는 힘은 반작용이 되는 것이다.

 

    그러면 로켓과 제트는 어떻게 다를까 ?

 

  로켓은 연료를 연소시키는데 필요한 공기를 로켓 안에 가지고 있으므로 공기가 없는 진공 중에서도 비행이 가능하다. 그러나 제트는 연료를 연소시키는데 필요한 공기를 외부에서 공급받으므로 공기가 없는 진공 상태에서는 비행을 할 수 없다.

 

 

뉴튼의 제2 법칙

 

   f=ma에서 a와 m의 식으로 변환하면 a= f/m 또는 m= f/a으로 된다 . 여기서 a는 가속도,m은 질량이 된다. 그러면 어떤 원리로 이러한 뉴턴의 제2법칙이 물로켓의 발사와 관련이 있는걸까? 다음의 그림으로 간단히 설명하고자 한다.

 

 

  왼쪽의 대포에서 대포알(포탄)의 무게를 M(ball) 이라 하고 포탄이 날아가는 가속도를 A(ball)라하면 이 포탄의 운동량은 M(ball)*A(ball)가 된다. 이것과 마찬가지로 대포의 무게를 M(canon)이라하고 포탄 발사후 뒤로 밀리는 가속도를 A(cannon) 이라하면 이 대포의 운동량은 M(cannon)*A(cannon) 이 된다. 그런데 여기서 포탄이 발사되는 운동량과 대포가 뒤로 밀리는 운동량은 같다.             

                                        그러기 때문에 아래의 공식이 성립된다.

 

                          M(ball)*A(ball) = M(cannon)*A(cannon)

 

  그림처럼 발의 힘이 작용이라면 스케이트 보드가 밀려가는 것은 작용에 대한 반작용이다.

즉 물로켓도 내부에 존재하는 물이 존재하는 압력으로 뒤로 노즐을 통해서 밀어내는 운동량과 Pet병이 앞으로 날아가는 운동량이 동일하게 되는 원리로 날아가게 된다. 그런데 물의 양이 너무 많으면 이것은 물을 분사하는 운동량의 증대보다는 Pet병의 무게를 증가시켜 작은 가속도를 갖게 되기 때문에 적당한 물의 양이 필요하다.

 

 

III. 로켓의 형상

 

  로켓 동체의 형상은 일반적으로 원추(cone)형으로 이루어져 있거나, 오자이브(ogive)형(; 로켓 머리 부분의 곡면부)이나 반구형의 nose 부분과 실린더의 조합으로 이루어진다. 동체 끝단은 항력 감소와 안정성을 위해서 boattail이나 flare 형태를 가지는 경우가 많다.

  

 

  로켓의 동체에는 보통 날개를 달지 않거나 작은 날개를 다는 것이 대부분인데, 로켓의 진행방향은 주로 동체 끝에 부착된 액체추진기관의 추력(thrust) 방향을 조절하여 진행 방향을 제어하기 때문에 굳이 날개에 의한 방향 제어를 생각할 필요가 없다.

 

   로켓은 보통 연필의 모양처럼 생겼다. 공기역학적 관점에 의하면, 동체의 세장비(길이/직경)가 증가할수록 길이에 비하여 nose 부분의 단면적이 작아져서 공기저항을 덜 받게 된다. 따라서 세장비가 크면 클수록 좋겠지만, 구조적인 문제 때문에 한계를 가지게 된다. 로켓이나 비행기를 제작하게 되면, 최대한 기체의 중량을 가볍게 만들려는 경향이 있다. 기체가 가벼울수록 적은 연료로 이륙시킬 수 있고, 무거우면 그만큼 이륙할 때 큰 힘이 들기 때문에 내장된 연료만으로 부족해질 수 있기 때문이다. 그 때문에 강도가 큰 금속을 사용하지만 동체의 강성이 약한 편이다. 이륙할 때 돌풍이나 기타 주위 상황에 의해서 동체에 굽힘 모멘트(bending moment)가 발생하여 제어를 어렵게 하거나 심한 경우 파손을 일으키게 된다. 일반적으로 인공위성 발사용 로켓의 세장비는 10~20정도이며, anti-tank 유도탄은 8, 지대지, 대함 및 공대지 유도탄은 12, 지대공 유도탄은 16, 공대공 유도탄  은 18정도이다.

 

                     

                                 Fig. 9 형상곡선                              Fig. 10 로켓형상 배치도

 

  단거리용 유도 로켓이나 과학관측 로켓은 안정성이나 기동성 확보를 위해서 동체에 카나드(canard). 주날개, 꼬리 날개 등의 조합을 부착한다. 특히 단거리용 전술 유도탄은 높은 기동성과 조종 명령 신호에 대한 빠른 응답을 얻는 것이 형성설계를 위한 중요한 변수이다. 이와 같은 관점에서 일반 항공기와는 달리 동체 원주방향으로 여러개의 날개를 부착하는 것이 고려되었고, 일반적으로 날개를 90도 간격으로 부착하는 십자형(cruciform)이 많이 사용된다.

 

 로켓은 고속으로 비행하기 때문에 작은 면적의 날개로도 충분한 양력을 발생시킬 수 있기 때문에 날개 단면형상은 일반적으로 작은 종횡비(Aspect ratio ; 날개의 span 길이/ 평균 chord 길이)를 가진다. 작은 날개 형상은 항력도 작으며, 항공기나 발사관 등에 장착하기에도 편리하다. 하지만 이러한 형상이 양각을 같는 경우에 공기역학적으로 상당히 복잡한 양상을 보인다. 양각을 가지고 고속으로 비행하는 비행체는 동체나 날개 끝에서 vortex가 발생하여 후류에 영향을 준다.

 

   보통 우주 추진을 위한 로켓은 하나의 동체로 구성되지 않고, 다단을 가진 로켓으로 이루어진 경우가 대다수이다. 우주 발사체나 고공 연구용 로켓 등 지상에서 발사하여 대기권을 통과하는 추진체는 지구의 중력과 공기의 저항을 이겨내야 하고, 또 비행체의 총질량은 이륙시에 가장 크므로 대단히 큰 추력을 요구하게 된다. 이러한 로켓은 하나의 동체를 가지면 아주 비효율적이므로, 2단 내지 4단으로 설계를 하게 된다. 하지만 단의 개수를 무한정 늘리기 어려운 이유는 단을 늘릴 경우 성능이 증가하겠지만, 성능 향상율이 단의 수 증가에 따라 저하되고, 결국 계속 향상되지는 않게 된다. 일반적으로 우주 연구용으로 사용되는 로켓은 3단이 가장 흔하고, Scout(USA)와 SLV-3(인도)같이 4단 고체 추진체 로켓 모터로 된 것도 있으나 그 이상의 실용 로켓은 없다. 

 

                       

 Fig.11 실용로켓의 그림들

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