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ChemiLOG

우주선 로켓 연료는 어떤 걸 사용할까?

안녕하세요, 블로그 지기입니다. 지난 10월 21일, 우리나라가 독자적으로 개발한 발사체인 ‘누리호’가 우주를 향해 힘차게 날아올랐습니다. 첫 발사에서 모든 비행 과정을 마친 누리호는 아쉽게도 마지막 목표 궤도 안착에는 성공하지 못했지만, 오직 우리나라의 기술만으로 우주에 한 걸음 가까이 다가갔다는 것이 참 자랑스럽게 느껴지는데요.

누리호의 발사 장면을 보며 문득 한 가지 궁금증이 생겼는데요! 과연 중력을 거스르고 하늘 높이 치솟아 오르는 거대한 우주선 로켓은 어떤 연료를 사용할까요? 함께 알아보러 떠나봅시다.

 

 

01

작용과 반작용의 원리로 솟아오르다!

   

 

이번에 발사된 한국형 발사체 누리호의 총중량은 자그마치 200톤에 달하는데요. 이렇게 무거운 발사체가 어떻게 높은 하늘로 날아오른 것일까요? 그 비밀은 바로 뉴턴의 제 3 법칙, ‘작용과 반작용’의 법칙에 있습니다.

물리학의 기초를 다진 아이작 뉴턴은 물체 운동에 관한 총 세 가지의 법칙을 발견했는데요. 제 3 법칙은 작용과 반작용의 법칙은 물체 A가 물체 B에 힘을 가하면(작용), 물체 B 역시 물체 A에게 받은 만큼의 힘을 똑같이 가한다는 것입니다(반작용).

즉, 발사체가 비행하기 위해서는 연료를 내뿜는데요. 발사체가 내뿜는 연료 가스가 가진 힘의 반작용으로 추진력을 얻게 되어 높은 하늘로 솟아오르는 것이랍니다.

 

 

02

구조 단순해 만들기 쉬운 고체 추진제

  

 

앞서 설명해 드린 것처럼 무거운 발사체를 우주로 보내기 위해서는 연료가 내뿜는 힘, 추력(thrust)이 중요한데요. 화학적인 반응으로 추진되는 발사체의 연료는 크게 고체 연료와 액체 연료로 나뉘는데, 지금부터 살펴보겠습니다.

먼저 고체 추진제는 고체로 된 연료와 산화제, 그리고  이 둘이 섞일 수 있도록 도움을 주는 결합제로 이루어져 있습니다. 연료로는 주로 금속 알루미늄 분말과 마그네슘 분말이 사용되며 산화제는 과염소산 암모늄(NH4ClO4)과 질산 암모늄(NH4NO3)이 사용됩니다. 이 연료와 산화제가 연소하면서 생기는 연소가스가 밖으로 분출되면서 발사체가 비행하기 위한 힘이 발생합니다.

고체 추진제를 사용할 때는 특별한 장비가 들어가지 않고 고체 연료만이 엔진 내부에 위치해 있어서 무게도 가볍고 구조가 간단하다는 장점이 있습니다. 그러나 발사체에 점화가 되면 반응을 중단할 수 없고, 추력을 제어하기 어렵다는 단점이 있는데요. 그러므로 고체 추진제는 속도 조절이 필요 없는 군용 미사일에 주로 사용됩니다.

 

 

03

추력 제어가 가능해 임무 수행에 용이한 액체 추진제

   

 

고체 추진제는 제어하기 어렵다고 했는데요. 그렇다면 정확한 궤도에 진입해야 하는 인공위성과 같은 발사체에는 어떤 연료가 쓰일까요? 바로, 액체 추진제입니다. 액체 추진제는 발사 뒤에도 점화와 소화를 반복할 수 있고, 연료와 산화제의 양을 조절하여 추력 제어가 가능하다는 특장점을 지녔습니다. 그러나 부품이 많아 구조가 복잡하고, 액체 연료의 특성상 저장과 보관이 어려워 개발이 힘들다는 단점이 있습니다.

액체 추진제의 연료는 보통 등유, 액체 수소(H2), 비대칭 디메틸히드라진(UDMH), 히드라진(N2H4) 등이 주로 사용되고, 산화제로 액체 산소(O2), 질산(KNO3), 사산화이질소(N2O4)가 쓰입니다. 

지난 10월 하늘로 솟아오른 한국형 발사체 누리호도 액체 추진제를 사용하였는데요. 누리호는 산소를 액체화한 액체 산소와 흔히 등유로 알려진 케로신이라는 연료를 사용했습니다.

 

 

04

고체와 액체의 만남, 하이브리드 로켓

   

 

지금까지 발사체의 고체 연료와 액체 연료에 관해 알아보았는데요. 연료에 따라 장단점이 있다는 것을 알 수 있었습니다. 이 둘의 단점을 보완하기 위하여 고체와 액체 연료의 혼합형인 하이브리드 로켓도 등장했습니다.

하이브리드 로켓은 고체 연료에 액체 산화제를 뿌려 연소시키는 방법인데요. 고체 연료에 액체 산화제의 공급량에 따라 추력을 조절하고, 연료의 연소도 중지시킬 수 있습니다. 하이브리드 로켓의 연료로는 탈수산화부타디엔(HTPB)이 쓰이고, 산화제로 액체 산소나 이산화질소 등이 사용됩니다.


오늘은 ‘누리호’가 쏘아 올린 작은 궁금증을 해결해보는 시간을 가져보았는데, 어떠셨나요? 연료와 산화제의 폭발적인 화학 반응으로 날아오르는 발사체! 앞으로의 꾸준한 연구를 통해 넓고 넓은 미지의 세계, 우주에 조금씩 다가가는 우리의 모습이 기대됩니다.


  

종합 케미칼 & 에너지 리더,

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