로켓 - 다양한 로켓

로켓 - 다양한 로켓

멀리가는 장거리 비행을 위해서 연구되어진 방법들 중 현재까지 가장 성공적인 것들중 가장 성공적인 것 중 하나는 바로 이온엔진이다. 이 이온엔진은 이온을 발사해서 얻는 추진력으로 우주선을 움직이도록 한다. 이온이란 원자나 분자가 전자를 잃어버리거나 얻어서 전기를 띄게 되는 상태를 가리킨다. 이온 엔진은 추진연료를 제논이라고 불리는 불활성 가스 원소를 사용한다. 제논은 화학적으로 불활성 물질로 맛, 색, 냄새가 나지 않는다. 연료로 제논을 사용하는 이유로서는 불활성 기체이기 때문에 사고로 폭발할 위험성이 없기 때문이라고 한다.

제논 가스를 주입을 한 후  음극관에서 방출되는 전자들이 제논원자들과 충돌하게 되는데 이 과정에서보면 제논 원자가 전기적으로 양전하를 띄게 된다. 이 양이온의 제논 기체가 구멍이 뚫려있는 금속판을 통과하게 되면 속도가 시속 10만km에 달하게 되는 것이다. 이것을 바탕으로 추진 에너지를 얻게 되는 것이다.

하지만 이온 엔진은 화학연료를 사용하는 로켓엔진보다도 추력이 약해서 지구 중력을 탈출하는 용도로는 적합하지 않다고 한다. 딥 스페이스 1호에 사용된 이온엔진은 태양전지에서 발생한 2.3kw의 전력을 사용하여 0.02파운드의 출력을 내었는데 이것은 종이 한장을 들고 잇는 정도의 힘이라고 한다. 급속하게 가속을 필요로 하는 경우 부적절한 엔진이지만 연료소비효율이 뛰어나며 수명이 길다는 장점을 가지고 있기에 이온엔진은 이 때문에 공기 저항이 없거나 중력에서 우주 비행에 최적화 된 기술로 평가받는다고 한다.

그 예로 보자면, 일본의 소행성 탐사선 '하야부사'는 2000년에 발사되어 2006년 소행성 이토카와에 도착한 뒤 시료를 채취하는데 성공했고, 2010년에 지구로 귀환하였다. 하야부사는 이온엔진을 10년간 수시로 껐다 켰다 무사히 지구로 귀환을 할 수 있었다.

현재에 NASA는 차세대 이온엔진 '바시마르(VASIMR)'를 개발해 우주공간에서 시험을 계획을 하고 있다고 한다. 바시미르의 이온엔진은 발사나 착륙에 활용에 되지 않고 로켓이 공중에 떠 있는 상태에서 작동을 하게 된다. 바시미르는 최고 초속으로 50km로 화성까지 5개월 만에 주파할 수 있을 것으로 보인다.

열핵 추진 방식의 로켓은 원자로 내부나 밖에서 핵분열 반응으로 나오는 열을 사용하여 연료를 가열, 분사하는 방식을 의미한다. 이름 그대로의 원자력의 폭발력이 아니고 열을 이용하는 방식인 것이다. 열핵 로켓에 들어있는 작은 원자로 주변을 방사능으로 오염이 되지 않도록 단단히 밀봉하고, 원자로에서 발생한 열이 액체수소가 들어있는 탱크로 전달이 되어 수소를 끓이게 된다. 이 끓어오르는 수소는 부피가 증가하며 큰 압력을 내는데, 수소 기체 노즐을 통하여 밖으로 내보냄으로써 강력한 추진력을 얻어낼 수 있다.

현재의 원자력발전소처럼 원자로를 안전하게 밀봉하기 때문에 방사능 오염이 되는 걱정이 거의 없으며 적은 연료로도 오래도록 사용할 수 있다.

램제트는 원래 제트엔진의 한 종류로서 공기가 존재하는 곳에서만 사용을 할 수 있다고 한다. 제트엔진은 공기를 빨아드이면서 강하게 압축을 한 후, 이 공기에 연료를 태워서 갑작스럽게 팽창을 시켜 뿜어냄으로써 추진력을 얻어낸다. 램제트는 이름 그대로의 공기가 엔진을 강하게 때릴(ram) 정도로 빠르게 들어오도록 하여 압출의 효율을 높이는 추진방법이다. 1960년 미국의 물리학자인 로버트 버사드는 램제트의 원리를 우주에서 사용하는 방법을 제안하였다. 거리가 먼 거리까지 이동하려면 연료가 가장 큰 문제이니 아주 적게 우주공간에 있는 수소를 이용하자는 것이 핵심이다.

우주공간에는 1m에 1~2개의 수소원자가 있다고 한다. 로켓이 어떻게 추진력을 얻어내어 움직이기 시작하면 지나가는 길에서 만나는 수소원자를 모을 수 있을 것이다. 이렇게 모아놓은 수소는 우주선 뒤쪽에 설치한 수소핵융합로로 보내어 연료를 사용한다. 물론 핵융합에서 충분한 만큼의 수소를 얻어내려면 매우 넓은 장소에서 수소를 빨아들여야 하는데 버사드 램제트 로켓은 이때문에 앞쪽에 거대한 채집장치를 설치하도록 해야하는데, 과학자들의 계산으로는  초속 3만km(광속의 1%)로 비행을 할 때 접시 모양의 채집장치 지름이 5만 km는 되어야만 계속적으로 핵융합이 가능한 양의 수소를 모을 수 있다.

하지만 채집장비가 이토록 거대해진다면 채산성과 내구성에 불리하다는 단점이 있기에 우주선 주위에 초전도 코일을 감싸 방대한 규모의 전자장을 펼치도록 하는 방법이 연구되고 있다. 이 전자기장은 수소 원자를 이온화 시킨 다음에 엔진 흡입구로 들여보내며 로켓 앞쪽의 흡입구에서 빨아들여진 입자들은 로켓 뒤쪽의 융합로로 이동이 되어 점화가 된 뒤 밖으로 배출된다.