방산업체 뉴스
[LIG넥스원] 이승진의 미사일 이야기(3)
미사일을더멀리, 더빠르게날아가게하는힘, 로켓
미사일이란말을들으면, 보통밝게빛나는불빛과함께연기를내뿜으며
날아가는모습이떠오릅니다. 이것은미사일의대표적인특징중하나인
로켓엔진때문입니다. 앞서이코너의첫번째시간에말씀드린것처럼
미사일은유도기능과함께스스로날아갈수있는추진능력이있어야하는데요,
이추진능력을갖는방법으로가장흔하게쓰이는것이 ‘로켓엔진’입니다.
이번시간에는바로이로켓에관해알아보겠습니다.
글. 기계연구센터. Project 2팀 이승진 선임연구원
어떠한물체든지정지상태에서출발시켜움직이게하려면반드시힘이필요합니다. 사람이힘으로던진투창이건, 활로쏜화살이건, 화약의힘으로발사한총알이건모두가만히있던물체에힘을가해서빠르게움직이게만든것입니다. 그러나투창, 활, 그리고총알은모두스스로움직이는힘을내진못하며각각사람의힘, 활의탄성, 그리고화약의힘을빌려움직입니다. 반면비행기나우주비행용로켓, 미사일같은것은모두공중에서스스로움직이는힘을냅니다. 이움직이는힘을추진력, 혹은추력(Thrust)라고합니다. 현재인류가만든물건들이추력을내는방법에는거의대부분작용·반작용의원리를이용하고있습니다. 작용·반작용이란어떠한물체, 혹은물질이한쪽방향으로움직이면그반대방향으로도같은힘이생기는현상으로, 유명한뉴턴의제3법칙이기도합니다. 총알이나포탄을쏘면반동으로총이나대포가뒤로밀리는것이대표적인작용·반작용의예일것입니다. 공중을비행하는비행체의엔진은포탄이나총알대신공기나가스를뒤로빠르게쏘아보내그반작용으로추력을얻습니다. 그리고이렇게공기, 혹은가스를뒤로움직이게하는방법에는크게프로펠러, 제트엔진, 그리고로켓이있습니다.
프로펠러는여러개의날개를회전시켜서앞쪽의공기를뒤로움직이게하여추진력을얻습니다. 이방식의장점은연료효율, 즉연비가좋다는점입니다. 하지만마하 0.5~0.6(마하 1은 1,024km/h) 정도만되어도효율이급격히떨어지며, 그이상이되면아무리빠르게회전시켜도더이상추진력을내지못합니다. 그래서빠른속도로날아가야하는현대의미사일에는적합하지않습니다. 게다가프로펠러가연비가좋은이유는공기를뒤로밀어내는면이넓기때문인데, 작은미사일에맞춰서프로펠러를작게만들면프로펠러의전체지름이줄어들어서연비가점차나빠집니다. 제트엔진의제트란고속으로움직이는공기흐름을말합니다. 제트엔진은프로펠러와달리외부의공기를빨아들인다음엔진내부에서연료와섞어서연소시킴으로써압력을높이는방식을사용합니다. 높은압력의공기는엔진의뒤쪽에있는분사구를통해뿜어져나가면서압력이낮아지는대신속도가빨라지며, 이렇게빠른속도로뿜어져나오는연소가스는당연히반작용으로엔진이앞으로나가는힘을만들어냅니다. 제트엔진은 2차대전즈음인 1940년대부터본격적으로쓰인방식이며, 최초의현대식미사일이라할수있는독일의 V1 미사일도일종의제트엔진을사용하였습니다. 제트엔진은프로펠러보다는못하지만로켓보다는훨씬연료효율이좋습니다. 그러나외부의공기를효율적으로빨아들이기위해서는복잡한형태의압축기가필요한데, 이압축기의크기를줄이는데에는한계가있습니다. 그렇기에크기를작게만들어야하는미사일에넣기가쉽지않습니다. 또한이압축기를넣으려면그만큼엔진의값이비싸지는데, 이역시 1회용무기인미사일에있어서는어울리지않는특징입니다. 그렇다고제트엔진에압축기를넣지않으면대체로효율이떨어지거나비행가능한속도영역이매우제한됩니다. 게다가제트엔진은외부의공기를빨아들여사용하기때문에공기밀도가낮은높은고도에서는엔진의힘이크게약해지는것도문제입니다. 그래서현재제트엔진은순항미사일처럼느린속도로오랜시간날아야하는, 속도보다는연비가더중요한몇몇미사일을제외하면미사일에잘쓰이지않습니다.
로켓은연료를연소시켜서고압의연소가스를만들고이것을뒤로내뿜는다는점은제트엔진과같지만이과정에서외부의공기를쓰지않는다는점이다릅니다. 이를위해로켓은작동방식에따라저장방법은약간씩다르지만연료의연소를위해서내부에별도의산소를가지고있습니다. 로켓의장점은점화하는순간부터무게와부피에비해매우큰추력을낸다는점입니다. 또한제트엔진처럼고속비행에적합하면서도제트엔진과달리외부공기를빨아들여쓰지않으므로복잡한압축기도필요없고, 고도에따라추진력이변할일도없습니다. 심지어외부에공기가없는우주에서도쓸수있습니다. 다만외부의공기를빨아들여쓰지않기때문에엔진에비하면연료효율은매우떨어집니다. 대형탄도탄을제외하면보통의미사일은로켓연료가 10초도안되어서다떨어지며그뒤부터는활공비행하듯날아가야합니다. 하지만이 10초의작동시간만해도대부분의미사일들이최대속도까지가속했다가활공비행방식으로표적을향해날아가기엔충분하며, 무엇보다도무게·부피·가격면에서다른엔진보다로켓에훨씬적합합니다. 더불어로켓은보관함에잘보관할경우 10년정도는특별한점검이나정비를하지않아도품질에문제가없습니다. 이렇게장기적으로보관해도별문제가없다는점도로켓이미사일의추진장치로써인기가있는이유입니다. 로켓을사용하는미사일은실제발사되기전까지특별한점검없이최소한 10년정도는가만히보관해둬도별문제가없다는뜻이기때문입니다.
로켓의역사 - 화전부터신기전, 그리고콩그리브로켓까지
로켓의역사는제트엔진이나프로펠러보다도오래되었으며, 13세기무렵중국에서개발된것으로보고있습니다. 당시에는화전(火箭), 즉불화살이라불렸으며중국은현재도우주탐사용로켓등에이명칭을사용하고있습니다. 화전은화살의뒤쪽에구멍이나있는화약통을매단것으로, 불을붙이면화약이연소하여고압의가스를만들고이가스가구멍으로빠져나오며추력을만드는방식으로현대의로켓과원리가매우유사합니다.
화전의최초발명자는명확하지않지만아마도그이전에쓰던무기인화창(火槍)에서아이디어를얻은것으로추정됩니다. 화창은화약이들어있는대나무통을창끝에매달아두었다가, 성벽을기어오르는적군이가까이오면대나무통에달려있던심지에불을붙여화약을터트려그안에함께넣어둔유황이나쇳조각이적에게튀도록만든무기입니다. 당연히이무기는대나무통의구멍이적이있는앞쪽을향하게만들어졌지만, 누군가실수로뒤로돌려놓아화창이날아가는모습을보고화전을만든것으로추정하고있습니다.
최초의화전은금나라가몽고군을막기위해썼던 ‘비화창’으로, 여전히화창의모습이남아있어끝에는창처럼날이달려있고길이가무려 2.5m에달하는거대한무기였습니다. 이후점차소형화되면서화살크기의화전들이등장하기시작했습니다. 우리나라는고려말엽에최무선이화약을들여오면서이화전도함께들여와개량하였고, 이후 ‘달리는불’이란뜻으로주화(走火)라는이름을붙였습니다. 조선시대에는 ‘귀신같은기계화살’이란뜻으로 ‘신기전’이라불렀으며, 초기에는주화와마찬가지로단발식발사대를사용하거나, 당파(사극에서포졸들이주로들고다니는삼지창비슷한무기)나화살통을발사대로썼습니다. 신기전은크게대·중·소로나뉘어졌으며, 이중대·중신기전은추진용화약뿐만아니라표적근처에떨어진후폭발하는탄두까지달려있었습니다. 이와는별도로산화신기전이라하여안쪽에기름먹인천등을넣어서적진에불붙은천이흩어지도록한무기도있었습니다. 당시의기술적한계로인해가장큰대형신기전의폭발강도가현대의수류탄과흡사한정도였지만, 놀란적들을흩어지게해단숨에진형을무너트릴수있을위력이었습니다. 이후문종은세자시절부터자신의감독하에만들기시작해즉위한첫해인문종 1년에 ‘문종화차’를선보였는데, 이것은중신기전 100발을한번의조작으로연속발사가가능하도록만든, 수레에얹어이동이편하도록한세계최초의연발식로켓무기입니다. 신기전을비롯한로켓무기류는불꽃과연기를내뿜으며날아오기에적에게굉장한심리적인압박감을줍니다. 특히화차를이용한연발발사식신기전은, 밀집대형을유지한적이흩어져진형이무너지고혼란에빠지도록하기좋았습니다. 더불어사거리도대체로당대의총통(조선시대에대포를일컫던말)보다길었습니다. 다만이시절에는지금처럼화약을대량으로생산할수없었기에화약소모량이총통보다훨씬많은신기전은굉장히비싼무기였고, 영화나드라마에서의과장된모습과는달리몇가지제약탓에운용에어려움을겪었습니다. 조선중후반무렵부터사용하기편하면서화약소모량이적은무기가개발되면서신기전은점차무기보다는신호용장비같은것으로그위상이약해지게됩니다.
한편중국의화전은우리나라뿐만아니라인도, 중동, 유럽등에도점차퍼져나갔습니다. 현재쓰이는로켓이란단어는 14세기이탈리아에서무라토리란장인이만든폭죽인 ‘로체타(Rocchetta, 작은신관이란뜻)’에서비롯된말입니다. 로켓은각국이무기, 혹은연구용으로개발하였으나제작이어렵고화약소모가심하다는이유로총이나대포에밀려서전투의주력으로쓰인적은별로없었습니다. 18세기말엽, 인도의남부지방에있던마이소르왕국에서는이곳을다스리던아리왕이화약통을강철케이스로만들어더높은압력에도견디도록한, 신기전과비슷한원리의아리로켓을개발하였습니다. 아리왕은당시인도에침공한영국군에게이로켓을써서선전하였으나결국전쟁에서졌고, 영국군의지휘관중한명인윌리엄콩그리브는이아리왕의로켓을입수하여개량, 콩그리브로켓을개발합니다. 콩그리브로켓은대신기전과유사하게단발발사식이며안에는추진용화약이외에탄두로서폭약이나기름적신천을넣었습니다. 이콩그리브로켓은미국독립전쟁에도영국군이독립군을상대로썼는데, 이모습은당시사람들에게도깊게각인되었습니다. 그리고독립전쟁당시의모습을그린, 현재의미국국가인 ‘The Star-Spangled Banner’의가사(가사의원형은 19세기초반에쓰인 ‘맥휀리기지의방어전’이란시) 중간에도 ‘로켓의붉은섬광과창공에서작렬하는폭탄이밤새우리의깃발이휘날린증거라’라는식으로당시의로켓사용모습이남아있습니다. 그러나다시대포의발전이로켓을앞지르면서이콩그리브로켓역시구식무기가되어 20세기초반에는로켓무기가거의쓰이지않게됩니다.
화전의최초발명자는명확하지않지만아마도그이전에쓰던무기인화창(火槍)에서아이디어를얻은것으로추정됩니다. 화창은화약이들어있는대나무통을창끝에매달아두었다가, 성벽을기어오르는적군이가까이오면대나무통에달려있던심지에불을붙여화약을터트려그안에함께넣어둔유황이나쇳조각이적에게튀도록만든무기입니다. 당연히이무기는대나무통의구멍이적이있는앞쪽을향하게만들어졌지만, 누군가실수로뒤로돌려놓아화창이날아가는모습을보고화전을만든것으로추정하고있습니다.
최초의화전은금나라가몽고군을막기위해썼던 ‘비화창’으로, 여전히화창의모습이남아있어끝에는창처럼날이달려있고길이가무려 2.5m에달하는거대한무기였습니다. 이후점차소형화되면서화살크기의화전들이등장하기시작했습니다. 우리나라는고려말엽에최무선이화약을들여오면서이화전도함께들여와개량하였고, 이후 ‘달리는불’이란뜻으로주화(走火)라는이름을붙였습니다. 조선시대에는 ‘귀신같은기계화살’이란뜻으로 ‘신기전’이라불렀으며, 초기에는주화와마찬가지로단발식발사대를사용하거나, 당파(사극에서포졸들이주로들고다니는삼지창비슷한무기)나화살통을발사대로썼습니다. 신기전은크게대·중·소로나뉘어졌으며, 이중대·중신기전은추진용화약뿐만아니라표적근처에떨어진후폭발하는탄두까지달려있었습니다. 이와는별도로산화신기전이라하여안쪽에기름먹인천등을넣어서적진에불붙은천이흩어지도록한무기도있었습니다. 당시의기술적한계로인해가장큰대형신기전의폭발강도가현대의수류탄과흡사한정도였지만, 놀란적들을흩어지게해단숨에진형을무너트릴수있을위력이었습니다. 이후문종은세자시절부터자신의감독하에만들기시작해즉위한첫해인문종 1년에 ‘문종화차’를선보였는데, 이것은중신기전 100발을한번의조작으로연속발사가가능하도록만든, 수레에얹어이동이편하도록한세계최초의연발식로켓무기입니다. 신기전을비롯한로켓무기류는불꽃과연기를내뿜으며날아오기에적에게굉장한심리적인압박감을줍니다. 특히화차를이용한연발발사식신기전은, 밀집대형을유지한적이흩어져진형이무너지고혼란에빠지도록하기좋았습니다. 더불어사거리도대체로당대의총통(조선시대에대포를일컫던말)보다길었습니다. 다만이시절에는지금처럼화약을대량으로생산할수없었기에화약소모량이총통보다훨씬많은신기전은굉장히비싼무기였고, 영화나드라마에서의과장된모습과는달리몇가지제약탓에운용에어려움을겪었습니다. 조선중후반무렵부터사용하기편하면서화약소모량이적은무기가개발되면서신기전은점차무기보다는신호용장비같은것으로그위상이약해지게됩니다.
한편중국의화전은우리나라뿐만아니라인도, 중동, 유럽등에도점차퍼져나갔습니다. 현재쓰이는로켓이란단어는 14세기이탈리아에서무라토리란장인이만든폭죽인 ‘로체타(Rocchetta, 작은신관이란뜻)’에서비롯된말입니다. 로켓은각국이무기, 혹은연구용으로개발하였으나제작이어렵고화약소모가심하다는이유로총이나대포에밀려서전투의주력으로쓰인적은별로없었습니다. 18세기말엽, 인도의남부지방에있던마이소르왕국에서는이곳을다스리던아리왕이화약통을강철케이스로만들어더높은압력에도견디도록한, 신기전과비슷한원리의아리로켓을개발하였습니다. 아리왕은당시인도에침공한영국군에게이로켓을써서선전하였으나결국전쟁에서졌고, 영국군의지휘관중한명인윌리엄콩그리브는이아리왕의로켓을입수하여개량, 콩그리브로켓을개발합니다. 콩그리브로켓은대신기전과유사하게단발발사식이며안에는추진용화약이외에탄두로서폭약이나기름적신천을넣었습니다. 이콩그리브로켓은미국독립전쟁에도영국군이독립군을상대로썼는데, 이모습은당시사람들에게도깊게각인되었습니다. 그리고독립전쟁당시의모습을그린, 현재의미국국가인 ‘The Star-Spangled Banner’의가사(가사의원형은 19세기초반에쓰인 ‘맥휀리기지의방어전’이란시) 중간에도 ‘로켓의붉은섬광과창공에서작렬하는폭탄이밤새우리의깃발이휘날린증거라’라는식으로당시의로켓사용모습이남아있습니다. 그러나다시대포의발전이로켓을앞지르면서이콩그리브로켓역시구식무기가되어 20세기초반에는로켓무기가거의쓰이지않게됩니다.
현대의로켓 - 고다드부터미사일까지
현대로켓의효시는 1926년발사시험에성공한, 미국출신과학자인로버트고다드가개발한로켓입니다. 고다드의첫번째업적은로켓에서초음속으로연소가스가뿜어져나오도록노즐을달았다는점이며, 두번째는종전의화약대신액체연료를사용했다는것입니다. 그러나이러한고다드의노력을알아주는이는별로없었고, 그는심지어사비를털어로켓을만들어야했습니다. 고다드는이로켓을이용하면우주까지날수있다고하였으나정작로켓의추진방식을잘못이해한이들은그의설명을비난하였으며, 심지어뉴욕타임즈에서는로켓으로는절대우주를비행할수없다는글이실리기까지했습니다.
20세기초반, 로켓에관심이많았던것은오히려미국이아니라독일이었습니다. 독일은 1차대전에패배하면서다시는강력한군대를갖지않는다는내용이들어있는베르사이유조약을체결하였습니다. 여기에는장거리대포를갖지않는다는내용도포함되었으나로켓에대한제한은없었기에독일은비밀리에로켓연구에박차를가합니다. 이후폰브라운이이끄는연구팀은액체연료로켓을이용하여 1,000kg의탄두를싣고 300km 가까이날아갈수있는, 현대탄도미사일의효시이기도한 V2 미사일을개발하였습니다. 또한독일은로켓을항공기에쓰는실험도하여마침내최초이자최후의로켓전투기인메셔슈미트의 Me163을개발하기도합니다. 이전투기는비행가능시간이 10분남짓에불과하였고, 지나치게폭발하기쉬워서사실전투기로서의효율은좋지않았으나, 기술적인부분은대단하여최대속도가 1,100km/h에달하였는데이것은음속에거의근접한속도였습니다.
다른나라들역시로켓을무기에쓰기시작하였으며소련은트럭에다량의로켓을얹어두었다가적에게발사하는무기, 즉다연장로켓무기인카츄사를개발하였습니다. 이것은현대판화차인셈으로그효과역시화차와비슷하여밀집해있는적에게큰피해를줄수있는한편, 적병사들에게심리적인압박을주었습니다. 이내비슷한무기들이미국, 독일, 영국등에서도쓰이기시작했습니다. 또한전투기와공격기들은날개밑에로켓을달고있다가적지상군에게쏘았습니다. 로켓은기관포나기관총보다명중률이떨어졌지만발사에따른반동도없고한발한발의위력은기관총보다강했습니다. 또한폭탄에비하면위력은약하지만대신자유낙하하는폭탄과달리로켓은멀리날아가기때문에지상공격용무기로각광받았습니다. 보병들역시로켓을들고다니기시작했는데대표적인보병용로켓무기가바로유명한 M1 대전차로켓입니다. 이것은당시유명한코미디언이들고다니던악기의이름을따바주카란별명이붙었으며현재도이이름으로더유명합니다. 당시만해도병사들이적전차를파괴하려면직접전차에다가가서폭탄을붙이고오거나혹은굉장히크고무거운대전차포를사용하여야했습니다. 그러나바주카는로켓무기이기에반동이없어서작은크기로만들어병사두명정도만있으면발사대와탄두를들고다닐수있었으며위험하게적전차에직접다가갈필요도없었습니다.
20세기초반, 로켓에관심이많았던것은오히려미국이아니라독일이었습니다. 독일은 1차대전에패배하면서다시는강력한군대를갖지않는다는내용이들어있는베르사이유조약을체결하였습니다. 여기에는장거리대포를갖지않는다는내용도포함되었으나로켓에대한제한은없었기에독일은비밀리에로켓연구에박차를가합니다. 이후폰브라운이이끄는연구팀은액체연료로켓을이용하여 1,000kg의탄두를싣고 300km 가까이날아갈수있는, 현대탄도미사일의효시이기도한 V2 미사일을개발하였습니다. 또한독일은로켓을항공기에쓰는실험도하여마침내최초이자최후의로켓전투기인메셔슈미트의 Me163을개발하기도합니다. 이전투기는비행가능시간이 10분남짓에불과하였고, 지나치게폭발하기쉬워서사실전투기로서의효율은좋지않았으나, 기술적인부분은대단하여최대속도가 1,100km/h에달하였는데이것은음속에거의근접한속도였습니다.
다른나라들역시로켓을무기에쓰기시작하였으며소련은트럭에다량의로켓을얹어두었다가적에게발사하는무기, 즉다연장로켓무기인카츄사를개발하였습니다. 이것은현대판화차인셈으로그효과역시화차와비슷하여밀집해있는적에게큰피해를줄수있는한편, 적병사들에게심리적인압박을주었습니다. 이내비슷한무기들이미국, 독일, 영국등에서도쓰이기시작했습니다. 또한전투기와공격기들은날개밑에로켓을달고있다가적지상군에게쏘았습니다. 로켓은기관포나기관총보다명중률이떨어졌지만발사에따른반동도없고한발한발의위력은기관총보다강했습니다. 또한폭탄에비하면위력은약하지만대신자유낙하하는폭탄과달리로켓은멀리날아가기때문에지상공격용무기로각광받았습니다. 보병들역시로켓을들고다니기시작했는데대표적인보병용로켓무기가바로유명한 M1 대전차로켓입니다. 이것은당시유명한코미디언이들고다니던악기의이름을따바주카란별명이붙었으며현재도이이름으로더유명합니다. 당시만해도병사들이적전차를파괴하려면직접전차에다가가서폭탄을붙이고오거나혹은굉장히크고무거운대전차포를사용하여야했습니다. 그러나바주카는로켓무기이기에반동이없어서작은크기로만들어병사두명정도만있으면발사대와탄두를들고다닐수있었으며위험하게적전차에직접다가갈필요도없었습니다.
2차대전이끝나고냉전이찾아오자미국과소련의우주개발경쟁이시작되었습니다. 미국도, 소련도우주선을쏘아올리는방법은로켓밖에없었습니다. 앞서설명드린것과같이로켓은외부에공기가없어도문제없이작동하기때문입니다. 또한 2차대전때부터시작된미사일의개발역시냉전시절미국과소련이주축이되어더발전하였으며, 사실우주개발의경쟁이면에는자신들의미사일, 특히 ICBM 개발능력의과시라는측면도있었습니다. 물론이시기에는 ICBM 같은대형미사일뿐만아니라각종소형미사일들도발전을거듭하여더멀리, 더빠르게날아가게되었으며당연히그원동력은바로로켓기술의발전이었습니다. 이제현대의미사일은로켓을빼놓고는말할수없을정도로거의대부분의미사일이추진장치로로켓을쓰고있습니다.
대표 이미지
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