우주탐사는 말 그대로 우주 공간을 탐사하는 것입니다. 로켓 엔진과 발사체가 개발되면서 실제적인 우주탐사가 가능해진 것입니다. 우주탐사의 역사에 대해서 알아보기 전에 우주 탐사의 필수적인 운반체 역할을 하는 발사체(로켓)에 대해서 간략하게 알아보겠습니다.
1. 우주 발사체(로켓)
우주로켓이라 부르기도 하는 우주발사체는 지구에서 출발하여 우주 공간에 무언가 물건을 날라주기 위한 운반체 역할을 하는 것을 말하며, 인공위성, 유인우주선, 우주탐사선 등 그 안에 들어있는 화물을 탑재체(payload)라고 합니다. 탐사선 또는 인간이 우주 탐사를 위해서 우주선을 타고 우주로 나가는데, 이런 것들을 총칭하여 탑재체라고 하며, 이러한 탑재체들을 우주 공간으로 올려 주기 위해서 사용하는 것이 우리가 흔히들 알고 있는 로켓, 우주 발사체입니다.
2. 발사체(로켓)의 구분
- 사용목적에 따른 구분
발사체를 사용 목적에 따라 구분해 보면, 군사적인 목적과 비군사적인 목적으로 나눌 수 있습니다. 흔히들 발사체(로켓)와 미사일을 헷갈려하는 경우가 있는데, 사실은 차이가 없습니다. 미사일과 발사체는 구조와 원리가 100% 똑같습니다. 다만 이것을 어떤 목적으로 사용하느냐에 따라서 미사일 또는 발사체(로켓)라고 부르게 됩니다. 군사용으로 사용한다는 것은 발사체 안에 폭탄을 탑재하여 발사하는 것을 말하며, 이것을 미사일이라고 합니다. 반면에 탐사선이나 과학 관측용 또는 인류 우주인들을 실어서 우주 공간으로 보내게 되면 우리는 그것을 비군사용이라고 해서, 우주 발사체라고 합니다. 이런 까닭에 특정 국가에서 우주 개발을 위해서 발사체 개발을 도와달라고 하면 쉽게 도와주지 않습니다. 왜냐하면, 어느 순간에 전쟁 무기로 용도가 바뀔 수도 있기 때문입니다. 국가 간의 교류가 쉽지 않아 연구 진척이 더딘 분야라고 할 수 있습니다.
- 사용연료에 따른 구분
발사체에 사용되는 연료에 따라서 고체 로켓과 액체 로켓으로 구분할 수 있습니다. 첫 번째 고체 로켓은 화약을 사용해서 발사하는 로켓입니다. 고체 로켓은 발사 작업이 비교적 간단하고, 신속하여 주로 군사용으로 많이 사용됩니다. 우주 발사체에는 보조적인 부스터 역할을 하는 로켓에 고체 연료가 주로 사용됩니다. 두 번째 액체 로켓은 구조가 비교적 복잡하고, 연료를 컨트롤하기 어려워 한층 더 레벨이 높은 연료 로켓이라고 할 수 있습니다. 대형 발사체에 주엔진으로 주로 사용되기 때문에, 우주 탐사 개발을 위해서 반드시 가지고 있어야 하는 기술입니다. 현대 로켓에서는 고체 로켓과 액체 로켓, 두 개를 병행해서 쓰는 하이브리드 로켓도 종종 사용하고 있습니다.
3. 발사체(로켓)의 속도
발사체가 지구를 빠져나가는 위해서는 강력한 중력을 이겨내야 하는데, 중력을 이겨내기 위한 최소 속도를 탈출 속도라고 합니다. 지구에서 대포를 쏜다고 가정해 보면, 대포는 지구로 떨어지게 됩니다. 대포를 더 세게, 좀 더 세게 쏘다 보면 결국에는 떨어지지 않고 계속 돌게 되는 순간이 있을 것입니다. 이것이 바로 뉴턴 역학에서의 개념으로 발사체를 쏘게 되는 원리입니다. 지구로 다시 떨어지지 않기 위해서는 일정 속력 이상을 내야 하는데, 즉, 발사체가 원 궤도를 그리기 위해서는 최소한 7.9km/s라는 속력을 내야 합니다. 바로 이 속도가 1차 탈출 속도입니다. 그리고 원 궤도가 아니라 포물선 궤도를 그려야 될 경우가 생기는데, 그런 경우에는 7.9km/s 이상 11.2km/s 미만의 속도가 필요합니다. 포물선 궤도를 그리면서 탑재체가 활동을 할 수 있게 되는 것입니다. 그리고 지구가 아니라 다른 행성이나 더 먼 곳까지 탐사를 하기 위해서는 11.2km/s 이상 속도를 내야 하며, 이 속도를 우리는 2차 탈출 속도라고 합니다. 즉 발사체의 속도는 지구의 중력을 이겨내고 지구를 빠져나가기 위해서는 최소한 7.9km/s, 그리고 지구 외의 다른 천체들을 탐사하기 위해서는 약 11.2km/s의 속도가 필요하다는 것을 알 수 있습니다.
4. 발사체(로켓)의 원리
발사체가 엄청난 속도로 하늘을 날아가려면 기술적으로 굉장히 복잡하고 컨트롤하기 힘든 힘을 다뤄야 하는 어려운 분야입니다. 그러나 그 원리는 사실 매우 간단합니다. 우리들이 다 알고 있는 뉴턴의 제3운동 법칙, 작용과 반작용 법칙을 이용해서 발사되는 것입니다. 이 법칙은 모든 작용하는 힘에는 같은 크기의 힘이 반대 방향으로 작용한다는 법칙으로, 우리도 일상생활에서 은연중에 많이 쓰는, 없으면 안 되는 법칙입니다.
5. 발사체(로켓)의 구조
소위 로켓이라고 하는 발사체는 보통 굉장히 길고 큽니다. 엔진과 연료, 그리고 우주 공간으로 보내기 위한 탑재체(payload)로 구성되어 있습니다. 로켓이 큰 이유는 대부분 전체 질량의 90% 이상이 지구를 탈출하기 위해 쓰게 되는 연료와 엔진이기 때문입니다. 발사체는 일반적으로 날아가다가 아랫부분이 분리되면서 떨어지고, 거기서 다시 엔진이 점화되면서 날아가는 다단 구조로 되어 있습니다. 이러한 다단 구조는 지구 탈출을 위해 가장 효율적인 방법을 고려해 고안된 구조입니다. 하나하나가 독립적인 로켓이며, 연료를 모두 소모한 부분은 분리해서 발사체의 무게를 줄여줌으로써 좀 더 효율적으로 속도를 낼 수 있는 것입니다. 일반적인 2단과 3단 정도로 제작이 되며, 4단 이상은 기계학적으로 실패할 확률이 높기 때문에 사용되고 있지 않습니다.