로켓 엔진을 통해 본 냉전시대 [ 2 ] 힘을 키우는 방법





로켓 엔진을 통해 본 냉전시대 [ 2 ] 힘을 키우는 방법



로켓이 가장 많은 힘을 필요로 하는 시점은 발사 직후인데, 그 이유는 이 순간이 로켓의 무게가 가장 많이 나가기 때문이다. 무게의 대부분은 연료가 차지하는데 일단 발사되면 급속히 소모되므로 시간이 갈수록 로켓의 무게는 가벼워진다. 반면 연료가 완전 소진될 때까지 엔진의 추력은 거의 일정하기 때문에 반비례하여 비행 속도는 시간이 갈수록 더욱 빨라지게 된다.


[ 모든 로켓은 발사 순간 가장 많은 힘을 필요로 한다 ] 


따라서 로켓이 가장 무거운 초기에 공중으로 동체를 띄어 올리기에 충분할 만큼 강한 힘을 내는 엔진만 있다면 탄두에 좀 더 무거운 물체를 장착할 수 있고 또한 최대한 멀리 보낼 수 있었다. 이점은 로켓이 처음 개발 되었을 때부터 당연히 알게 된 공식이었고, 무기로든 아니면 과학이나 상업적 목적의 발사체로든 로켓에게는 항상 보다 강한 추력을 낼 수 있는 엔진이 요구되었다.



[ 현대 로켓의 효시인 V2 ]


그런데 현재 사용 중인 대부분의 화학 연료가 탑재된 로켓은 V2 당시와 기본적인 기술이 다르지는 않다. 그 말은 로켓의 핵심 기술이자 전부라 할 수 있는 엔진의 기본 메커니즘이 세월이 아무리 흘러도 그다지 많이 변하지 않았을 만큼 의외로 단순하다는 이야기이기도 하다. 하지만 그렇다고 기존에 사용하는 엔진보다 성능이 월등히 좋은 새로운 엔진을 만드는 것은 생각처럼 그리 쉬운 일도 아니다.



[ V2 로켓의 엔진 구조 ]


만일 V2 로켓의 2배가 되는 추력과 비행 거리를 낼 수 있는 로켓을 만든다고 가정한다면 단순하게 엔진을 포함한 모든 부품이나 몸체의 크기를 2배로 키워서만 되는 것은 아니다. 우선 엔진이나 로켓의 재료 또한 증가된다. 추력이나 작동 시 발생하는 충격을 충분히 견딜 수 있을 만큼 강도도 세어져야하고 병행하여 주변기기 또한 그에 걸맞게 새롭게 제작되어야 한다.



[ 전후 미국에서는 V2를 여러 방향으로 개량하여 실험하였다 ]


미국의 경우는 엔진 자체의 성능을 향상시켜 로켓의 추력을 키우는 방향으로 연구를 우선 실시하였다. 독일에서 노획한 V2를 분해하여 꼼꼼히 재설계하면서 추력과 엔진을 증대시키는 방향으로 연구하였는데, 앞서 설명한 것처럼 생각보다 많은 난관을 겪게 되었다. 따라서 미국은 대추력의 엔진을 개발하는 것과 별도로 V2를 여러 형태로 개량하여 사거리를 늘리는 등의 연구도 함께 시행하였다.



[ V2를 2단 로켓으로 개량한 Bumper WAC 실험 로켓 ]


그 결과 보조 로켓인 부스터(Booster)를 로켓 동체에 병렬로 장착하거나, 복수의 로켓을 직렬로 연결한 형태의 다단계로켓이 등장하였다. 부스터의 경우는 가장 많은 힘이 필요한 발사 단계에서 메인 엔진만으로 추력이 부족할 경우 쉽게 도움을 받을 수 있는 방법이고, 다단계의 경우는 연료가 소진된 후 필요없는 동체를 차례로 제거하여 무게도 줄이면서 반면 추력은 지속적으로 배가시켜 로켓의 성능을 향상시킬 수 있다.



[ 좌우에 부스터를 장착하여 추력을 증대시킨 아틀라스 로켓 ]


이와 같이 여러 실험 및 개발 과정을 거쳐 미국은 1957년 5월 사정거리 4,000km에 1톤 정도의 탄두를 날려 보낼 수 있는 IRBM 수준의 주피터(Jupiter) 로켓을 개발 할 수 있었고, 이러한 자신감을 바탕으로 그해 8월 사정거리 6,000km 수준의 ICBM 바로 전 단계 추진체인 아틀라스(Atlas) 로켓을 개발하여 냉전 초기의 로켓 개발 주도권을 완벽하게 확보한 것처럼 보였다.



[ 지금도 사용 중인 아틀라스 로켓의 계보도 ]


미국은 자신이 넘쳐서 수시로 매스컴을 통해 그들의 업적을 자랑하고는 하였지만 소련은 이와 관련하여 거의 묵묵부답으로 일관하였다. 하지만 이런 침묵 뒤에서 소련은 미국 못지않은 최선의 노력을 경주하고 있었다. 소련의 개발 방향은 한편으로는 미국과 비슷하면서도 각론으로는 상이한 방법을 채택하였다. 미국은 잘 몰랐지만 오히려 소련은 한 걸음 더 앞서가고 있었던 상태였다. ( 계속 )




본 글은 "국방부 동고동락 블로그" 작가의 글로써, 국방부의 공식입장과 관련이 없습니다.

 



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