안녕하세요. A.K.A JuN 티스토리입니다.
이번 포스팅에서는 많은 분들이 궁금해 하시는
우주선 원리에 대해서 간략하게 설명해 드리겠습니다.
우주선은 정확히 말해 우주발사체라고도 하는데
우주발사체란 우주인, 인공위성, 우주망원경,
그리고 우주정거장 등 다양한 탑재물들을 싣고
우주로 발사되는 로켓, 로켓 발사 관련 플랫폼,
발사 관련 기술을 모두 종합해서 이르는 말입니다.
지구 대기권 밖의 우주 공간으로 날아다니는
승용물 전체를 말하며
사람이 타고 있는 것을 유인 우주선,
타고 있지 않은 것을 우주 탐사기,
무인 탐사기 등오로 부릅니다.
초등학교 과정 중에서 배우게 되는
가장 기본적인 뉴턴의 운동 법칙 중
제3법칙에 대해서 들어 보셨을 것입니다.
작용 반작용 법칙
이는 작용 반작용의 법칙으로
우주선 원리 역시도 이와 같은 이론을 바탕으로
우주로 발사되게 됩니다.
작용 반작용의 법칙은
모든 작용에는 크기가 같고
방향이 반대인 반작용이 항상 존재한다는 이론입니다.
조금 더 쉽게 말하면 물체가
물체 스스로에게 힘을 줄 수 없으며
힘의 근원지를 알려주는 법칙입니다.
무려 300년도 더 전에
뉴턴이 발견한 이 법칙은
내가 손으로 벽을 쳤을 때
손에도 손상이 생기는 이유,
혹은 걷거나 달리기를 할 때
땅을 밀어내는 힘으로 우리 몸이 이동하게 되는
이유를 대변하기도 합니다.
우주선 원리도 마찬가지로
이와 같은 에너지를 발사하여
그만큼의 힘을 가지고
상공 위로 떠오르는 힘을 가지게 됩니다.
과학의 날을 맞이하여
한 번 쯤은 만들어 보았을
물로켓을 생각해 보시면 아주 간단합니다.
페트병이 주 재료인 물로켓의 상단부는
공기와 물로 채워져 있으며
이렇게 채워진 물을 분출하는 힘을 통해서
날아가게 됩니다.
최종 목표에는 도달하지 못했지만
우리나라의 자산이자 앞으로의 미래 기술에
힘을 실어줄 누리호 역시도
이와 같은 원리로 발사가 되었습니다.
로켓을 발사할 때 내부에 있는
연소실에서 만들어진 높은 온도,
높은 압력의 기체가 하단부로 뿜어져 나오면서
로켓은 이와 반대되는 반작용의 힘으로 추력을 얻어
우주까지로 올라갈 수 있게 되는 것입니다.
또한 공기저항이 많은 지상보다
진공 상태의 우주에서
추력의 크기가 점점 더 커지게 됩니다.
이런 힘으로 목표 지점에 안착하게 되어
우리가 궁금해 했던
다양한 우주 공간을 탐험하고
해당 공간의 사진을 촬영하는
역할을 수행하게 됩니다.
그렇다면 우주선 원리 중 핵심인
추력에 대해서 설명드리겠습니다.
추력은 치올코브스키 로켓 방정식이
적용이 되는 힘입니다.
추력
로켓 공학에서 사용이 되는 가장 기본적인 공식이며
이 공식은 외부 공기 저항이나 중력과 같은
별도의 외력이 없는 상태에서 일정한 속도로
연료를 분사하는 것을 가정하고 있습니다.
해당 공식에 따르면 연료를 분사하는
속력이 빠르면 빠를수록 로켓이 도달하는
최종적인 속력 역시도 빨라지게 됩니다.
이 외에도 영향을 주는 요인에는
로켓의 초기 질량이나
최종적이 질량이 있으며
적을수록 더 빨라지게 됩니다.
여기에 클러스터링 기술을 접목시키게 된다면
로켓의 추력이 됩니다.
꼭 우주 탐사를 위한 로켓 발사 뿐만이 아니라
민간인 탑승을 목적으로 한
우주선 원리도 이와 동일합니다.
일론 머스크가 발표한
스페이스X와 같은 프로젝트들은
연달아서 민간인이 탑승하고 있는
우주선을 발사하는 것에 성공하게 되면서
일반인들의 우주여행의 가능성을 확장하고 있습니다.
우주선은 발사하는 로켓과 일반적으로
2단 로켓에 의해서 발생하는
초기 속도에 아주 큰 영향을 받게 됩니다.
하단 로켓들은 연료가 모두 소모되면
자동적으로 우주선과 분리되어
지구로 떨어지며 연소되고,
나머지 우주선은 목적지를 향해서
계속 나아가게 됩니다.
오늘은 이렇게 간략하게나마
우주선 원리에 대해 알아보았습니다.
보다 더 정교하고 세심한 기술력이 요구되기는 하지만
가장 기반을 두고 있는 것은
작용반작용의 원리입니다.
아주 기본적인 뉴턴의 법칙 하나만으로도
우주선의 원리를 이해하는데
도움을 받을 수 있다니
과학의 세계란 정말 놀랍지 않을 수 없습니다.