우주를 향한 거대한 힘, 로켓 엔진은 어떻게 작동할까?
로켓은 공기를 밀어내는 것이 아니다. 진공 속에서 오히려 더 잘 작동한다. 이 사실 하나만으로도 로켓 엔진이 우리가 직관적으로 생각하는 '추진'과 얼마나 다른지 알 수 있다. 비행기 엔진은 주변 공기를 빨아들여야 하지만, 로켓은 스스로 산화제를 싣고 다니며 연료를 태운다. 그 결과 대기권 밖에서도, 달 표면에서도, 심지어 화성 궤도에서도 점화가 가능하다. Photo by Andrew Wilson on Unsplash 로켓 엔진이란 무엇인가 — 뉴턴의 법칙을 불로 구현하다 작용-반작용의 원리 로켓 엔진의 핵심은 뉴턴의 제3법칙이다. 무언가를 한 방향으로 빠르게 밀어내면, 그 반작용으로 반대 방향의 힘이 생긴다. 로켓은 연소 가스를 엄청난 속도로 뒤쪽으로 내뿜고, 그 반작용으로 앞으로 나아간다. 공기가 없어도 된다. 밀어낼 '가스'는 로켓 자신이 만들어낸다. 여기서 중요한 개념이 '비추력(Specific Impulse, Isp)'이다. 연료 1킬로그램을 태워 얼마나 오래 추력을 낼 수 있는지를 초 단위로 표현한 값이다. 비추력이 높을수록 연료 효율이 좋다는 뜻이다. 케로신과 액체산소를 쓰는 엔진의 비추력은 대략 300초 안팎이고, 수소와 액체산소를 쓰면 450초 이상까지 올라간다. 이 숫자 하나가 로켓 설계자들이 밤새 싸우는 전쟁터다. 연소실과 노즐 — 압력을 속도로 바꾸는 장치 연료와 산화제가 연소실에서 만나 폭발적으로 연소되면 고온·고압의 가스가 생긴다. 이 가스를 그냥 내보내면 낭비다. 노즐이 그 압력을 방향성 있는 속도로 변환한다. 로켓 노즐의 독특한 형태 — 좁아졌다가 다시 넓어지는 '드 라발 노즐(de Laval nozzle)' — 은 가스를 음속 이상으로 가속시키는 데 필수적이다. 19세기 스웨덴 엔지니어 구스타프 드 라발이 증기 터빈을 위해 개발한 이 형태가 지금도 모든 로켓 엔진에 그대로 쓰인다는 점은 꽤 ...