[방구석5분혁신.우주] 우주 발사체 기술을 알아야 우주 산업이 보인다

아무 것도 모르고 그저 박수만 쳤는데요. 알아야 면장 노릇도 한다고 하잖아요.  그래서 정리했습니다. 우주 발사체 기술과 우주 산업의 이해를 통해 나로호 발사 성공이 가진 의미를 한번 짚어보시자고요. 모를 때는 막연했지만, 알고 나니 마음 설레는 우주입니다^^. 

-혁신가이드 안병민 드림-

[방구석5분혁신=안병민] 2023년 5월 25일. 대한민국의 나로호가 8개의 위성을 싣고 힘차게 우주로 날아간 날이다. 배경 지식이 없으니 그저 박수만 쳤다. 하지만 그 정도로 끝날 일이 아니었다. 발사 성공 이면에 녹아있는 함의가 크고 깊어서다. 입체적인 시각으로 나로호와 우주산업을 꼼꼼히 되짚어 보아야 하는 이유다. 전제는 발사체 기술에 대한 이해다. 우주항공부품 개발 연구의 권위자 민태기 박사의 안내로 길을 나섰다. 

발사체 기술. 어려운 단어는 없다. 하지만 발사체의 작동 원리는 1도 모른다. 아는 만큼 보인다 했다. 발사체 기술을 알아야 우주 산업의 현재와 미래가 보인다.  

자동차를 구입할 때 제일 먼저 보는 것 중 하나가 있다. 디젤 엔진인지, 가솔린 엔진인지 하는 거다. 로켓도 마찬가지다. 예컨대, 북한의 천리마와 우리 나로호는 연료가 다르다. 누리호는 발사 단계 며칠 전부터 준비를 한다. 연료를 주입하는 데에도 시간이 걸린다. 이런 발사체는 미사일로 쓸 수 없다. 유사시에 바로 쏘아야 하는 게 미사일이라서다. 로켓마다 이처럼 연료, 분사 장치, 발사체 엔진 기술이 다 다르다. 

발사체는 산업이다. 이번 누리호 발사체에 참여한 업체만 해도 300개가 넘는다. 10년 동안 2조 원에 가까운 자금이 투입된 대형 프로젝트였다. 300개가 넘는 기업이 참여한 이유? 발사체에 들어가는 볼트와 너트, 그 중 수입이 되는 게 하나도 없다. 새로 다 만들어야 한다. 실제 다 새로 만들었다. 그동안 축적된 대한민국 제조업의 기술이자 실력이 이 정도다. 

▶발사체 엔진의 비밀 : 벌어진 노즐과 발사체의 성능

스페이스X의 팰컨9 엔진과 누리호 엔진은 크게 다르지 않다. 보편 기술이라서다. 쉽게 말해, 전 세계 발사체 엔진은 거의 다 똑같다. 들어가는 연료와 펌프 방식이 다를 뿐이다. 누리호가 팰컨9보다 추진력이 낮은 이유? 다른 것 없다. 펠컨은 엔진을 많이 달았다. 팰컨9은 9번째 모델이 아니다. 엔진을 9개 달았다는 의미다. 새턴5 역시 엔진을 5개 달아서 붙은 이름이다.

지구 중력을 벗어나는 게 우주 발사체다. 중력을 벗어나려면 속도가 빨라야 한다. 뉴턴의 ‘프린키피아 (뉴턴이 라틴어로 쓴 세 권짜리 저작으로, 원제는 ‘자연철학의 수학적 원리’)’에 나오는 얘기다. 높은 곳에서 대포를 쏘면 멀리 간다. 더 세게 쏘면 더 멀리 간다. 아주 세게 쏘면 지구를 한 바퀴 돌아서 뒤통수를 칠 거다. 더 세게 쏘면? 땅에 떨어지지 않고 계속 지구 주위를 돌 것이고, 더 세게 쏘면 지구를 벗어난다. 빠른 속도. 뉴턴이 생각했던 중력을 이기는 방법이었다. 

뉴턴의 이런 생각은 이론적으로는 그럴 듯했지만, 구현하기가 쉽지 않았다. 19세기에 와서야 새로운 아이디어가 더해진다. 러시아 과학자 치올코프스키(1857-1935)를 통해서다. 치올코프스키의 가장 큰 업적은 로켓 추진에 대한 연구였다. 1903년에 발표된 치올코프스키의 로켓 방정식은 로켓 질량과 속도 및 추진체 질량 사이의 관계를 분석해 이상적인 조건에서의 로켓 운동을 기술한다. 지구에서 우주로 물체를 운반할 수 있는 구조물인 '우주 엘리베이터'에 대한 아이디어와 더 빠른 속도를 달성하기 위한 다단계 로켓 개념도 그에게서 나왔다. 

로켓에서 연료의 역할은 연소를 통한 추력 확보에 그치지 않는다. 로켓의 추진력은 질량이 줄어들수록 커진다. 무게를 ‘빨리’ 줄이는 게 중요한 거다. 그러려면 많은 양의 연료를 빠르게 연소시켜야 한다. 누리호의 총 무게가 200톤이다. 그 중에 추진제가 180톤이다. 그 180톤을 5분 안에 다 소진한다. ‘많은 양의 연료를 얼마나 빨리 폭발적으로 소모하는가’가 로켓 엔진의 핵심이다. 로켓의 원리 중 분사 노즐을 주목해야 하는 건 그래서다. 

촛불을 끌 때 우리는 입을 작게 오므려 바람을 불어낸다. 정원에 물을 뿌릴 때도 호스 끝을 눌러줘 물을 멀리 보낸다. 입구를 좁게 만드는 행위나 그런 장치, 그게 노즐이다. 그렇다면 궁금하다. 로켓 발사체의 노즐은 왜 벌어져 있을까?

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