과학 초보도 이해하는 로켓의 작동 원리 (뉴턴법칙, 연료, 추진력)

로켓이 하늘로 솟구치는 모습을 보면 누구나 한 번쯤 궁금해합니다. "도대체 어떻게 저런 무거운 물체가 우주까지 날아갈까?"

사실 로켓의 작동 원리는 고등학교 물리 수준의 과학 개념만 이해해도 누구나 알 수 있습니다. 이 글에서는 과학 초보자도 쉽게 이해할 수 있도록, 로켓이 나는 원리부터 연료의 종류, 추진력의 개념까지 친절하게 설명합니다. 복잡한 수식 없이, 핵심 개념만 쏙쏙 정리해드립니다!

1. 로켓이 나는 원리: 뉴턴의 제3법칙

로켓의 움직임은 뉴턴의 제3법칙(작용과 반작용)에 기반합니다. 이 법칙은 "모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있다"는 내용이죠.

로켓 내부에서는 연료가 연소하면서 고온의 가스를 아래 방향으로 빠르게 뿜어냅니다. 이 '가스 분사'가 작용이라면, 그에 대한 반작용으로 로켓은 위로 솟구치게 됩니다.

가스를 아래로 밀어내기 때문에 로켓이 위로 밀려나는 것입니다. 이것이 로켓 추진의 기본 원리입니다.

또한 로켓은 공기나 날개 없이도 작동합니다. 왜냐하면 로켓은 연료와 산화제를 모두 실어 나르기 때문에 외부 공기에 의존하지 않는 폐쇄 시스템이기 때문입니다. 그래서 진공 상태의 우주에서도 잘 작동할 수 있죠.

2. 연료의 종류: 로켓은 뭘 태워서 날아갈까?

로켓이 움직이려면 연료가 필요합니다. 그런데 단순히 불만 붙이는 것이 아니라, 연료 + 산화제의 조합이 필요합니다.

왜냐하면 우주에는 산소가 없기 때문에, 로켓은 연소에 필요한 모든 것을 스스로 가지고 가야 하죠.

• 고체 연료: 미리 혼합된 고체 연료와 산화제를 사용. 구조 간단, 출력 강함, 제어 어려움.
• 액체 연료: 연료와 산화제를 별도로 저장하고 연소실에서 섞어 사용. 조절 가능, 효율 우수.
• 하이브리드 연료: 고체 연료 + 액체 산화제의 혼합형. 안전성과 제어성 절충.

연료가 연소할 때 발생하는 열과 압력이 고온 가스로 바뀌고, 이 가스가 로켓을 밀어올리는 추진력을 만드는 것이죠.

3. 추진력과 우주로 나가기 위한 속도

로켓이 우주로 가기 위해서는 단순히 높이 날기만 하면 안 됩니다. 지구의 중력을 이겨내야 하며, 일정 속도 이상으로 가야 지구 궤도에 진입할 수 있습니다.

그 기준이 되는 속도가 바로 궤도 진입 속도(orbital velocity)로, 지구 저궤도의 경우 초속 약 7.9km, 시속으로는 약 28,400km에 해당합니다.

이 속도를 만들기 위해 로켓은 점화 직후부터 최대 출력을 내고, 여러 개의 다단계 로켓으로 구성되어 연료를 쓰고 난 뒤 무게를 줄이며 계속 가속합니다.

→ 무거운 부분을 떼어내며 점점 가벼워지고, 더 멀리 날아갈 수 있게 되는 구조입니다.

결론

로켓은 복잡해 보이지만, 그 핵심은 간단한 과학 법칙과 연료의 힘입니다. 뉴턴의 제3법칙을 기반으로 연료를 태워 강력한 가스를 만들어 반작용으로 하늘을 날아오르죠.

이제 로켓은 국가만의 기술이 아닌, 민간 기업도 활발히 개발하는 시대입니다. 우리가 이 원리를 이해하는 것은 단순한 과학 지식을 넘어서, 우주를 향한 새로운 시대를 이해하는 첫걸음이 될 것입니다.
이제 당신도 로켓 과학의 입문자에서 한 걸음 더 나아가셨습니다!