[신문과 놀자!/고희정 작가의 과학 돋보기]나로호에 숨어있는 뉴턴의 법칙은…

한국 최초의 우주발사체 나로호가 하늘 높이 솟아올랐습니다. 1월 30일 오후 4시였습니다. 9분 후에는 나로호에 탑재한 나로과학위성이 정상궤도에 안착했고, 31일에는 위성과 두 번의 교신에 성공했습니다.

동아일보 1월 31일자 A1면을 보니 나로호 발사가 성공했다는 기쁜 소식이 실렸네요. 오늘은 나로호가 어떻게 지구 밖 우주까지 날아가는지, 나로과학위성은 무슨 일을 하는지 알아보고, 과학관에 가서 멋진 로켓을 구경해 볼까요.　　　　

○ 나로호는 어떻게 날아갈까요

나로호에는 우주발사체라는 수식어가 따라붙습니다. 우주발사체란 인공위성이나 달 탐사선 같은 우주비행체를 쏘아 올리는 로켓을 말합니다. 지구상의 모든 물체는 지구 중심에서 끌어당기는 힘, 중력을 받으니까 지구 밖으로 로켓을 날려 보내려면 중력을 탈출할 힘이 필요합니다. 이때 사용하는 기본원리가 뉴턴의 제3법칙이라 부르는 ‘작용과 반작용의 법칙’이죠. 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 항상 존재한다는 말입니다.

로켓에는 엄청난 양의 연료와 산화제가 들어 있습니다. 로켓이 점화되면 연료와 산화제가 만나 연소 작용이 일어납니다. 이때 생긴 연소 가스는 엔진의 노즐 밖으로 나옵니다. 그러면 반작용으로 그 힘과 같은 크기, 반대 방향의 힘이 생깁니다. 이 힘이 로켓을 앞으로 나아가게 하는 추진력이 됩니다.

지구의 중력을 벗어나려면 초속 9.8km(음속의 28배) 이상의 추진력을 내야 합니다. 위성을 실은 우주발사체는 원하는 궤도까지 바로 갈 수 없어서 2∼4단의 로켓을 나눠서 사용합니다. 또 추진제의 종류에 따라 액체연료를 사용하는 액체엔진과 고체연료를 사용하는 고체엔진으로 나뉩니다.

나로호는 100kg 정도의 소형 위성을 탑재해 2단 로켓으로 만들었습니다. 1단은 러시아에서 개발한 액체엔진입니다. 2단은 국내 기술로 개발한 고체엔진입니다. 공기저항이 심한 지구 상공 40∼70km까지는 추진력이 강한 액체로켓을, 위성을 타원궤도에 올리는 데는 고체로켓을 사용합니다.

현재 개발 중인 한국형우주발사체(KSLV-Ⅱ)는 1.5t급 실용위성을 고도 700km까지 올릴 수 있는 발사체입니다. 3단 로켓으로 구성할 예정입니다.

병 로켓을 만들면 작용과 반작용의 법칙이 어떻게 로켓을 하늘 높이 날아오르게 하는지 이해할 수 있습니다. 위험하니까 꼭 어른과 함께 해 보세요.

조금 기다리면 코르크 마개가 갑자기 총알처럼 튕겨나갑니다. 식초와 탄산수소나트륨이 반응해 생긴 이산화탄소 때문이죠. 이때 병은 마개가 튕겨나가는 방향과 반대 방향으로 움직이는 걸 볼 수 있습니다. 로켓의 연소 가스가 노즐로 뿜어져 나오는 순간, 로켓이 반대 방향인 하늘로 솟아오르는 것과 같은 원리죠.　　　　

○ 나로과학위성의 임무는?

나로호에 탑재된 나로과학위성은 1년 동안 지구 위 300∼1500km 높이의 궤도를 하루에 14바퀴 돕니다. 태양활동 측정, 지구 표면 적외선 촬영 같은 임무를 수행합니다.

인공위성은 지구 위 일정한 높이에서 일정한 속도로 도는 물체를 인공적으로 만든 겁니다. 달이 지구 주위를 도는 것과 같은 원리죠.

뉴턴은 달이 지구로 떨어지지 않고 계속 지구 주위를 도는 이유는 달이 지구 주위를 돌 때 생기는 힘, 즉 원심력이 달에 작용하는 지구의 만유인력과 같기 때문이라고 생각했습니다. 그러니까 어떤 물체라도 충분한 속도만 주어진다면 땅으로 떨어지지 않고 계속하여 지구 주위를 돌 수 있다고 했죠. 인공위성이 되기 위한 물체의 속도는 지구 중심으로부터의 거리에 따라 달라집니다. 지상 800km의 고도에서 지구 주위를 돌게 하려면 초속 8km 정도의 속도가 돼야 합니다.

위성은 사용 목적이나 고도, 궤도의 모양에 따라 다양합니다. 과학위성은 지구와 지구 주변의 환경을 관측하고 우주과학 실험을 수행합니다. 항법위성(GPS위성)은 위치정보를 담은 전파를 발사해 비행기 자동차는 물론이고 개인의 현재 위치까지 정확히 알려줍니다. 스마트폰이나 자동차 내비게이션에서 많이 사용합니다.

지구 표면과 대기 및 해양 관측을 목적으로 사용하는 위성은 원격탐사위성입니다. TV 신호나 음성 신호를 한 지점에서 다른 지점으로 보내주는, 우주 전파중계소의 역할을 하는 위성은 통신위성입니다. 기상 관측을 주목적으로 발사된 위성은 기상위성이라고 합니다.

고도에 따라서는 2000km 이하 상공을 도는 저궤도 위성과 3만6000km 높이의 정지궤도 위성, 그 사이의 중궤도 위성으로 구분됩니다.

궤도 모양을 기준으로 하면 △높은 해상도를 위해 일정한 각도를 유지하는 원형궤도 △고도의 차이가 나는 타원궤도 △러시아 등 높은 위도 지역 국가에서 선호하는 고고도 타원궤도가 있습니다.

나로과학위성은 크기 100kg의 소형 위성으로, 지구 위 300∼1500km 높이를 하루에 14바퀴씩 도는 저궤도, 타원궤도, 과학 위성인 셈입니다.　　　

○ 로켓을 보고 우주인 체험을 하려면?

나로호를 직접 보지 못했다면 경기 과천과학관을 찾으세요. 옥외전시장에 나로호를 높이 33m, 직경 3m, 거의 실물 그대로 복원했습니다.

또 통신위성인 무궁화위성 1호와 2호를 싣고 발사한 델타로켓을 38m 크기의 발사체와 41m 크기의 발사대로 만들었습니다. 첨단기술관에서는 유인조종장치에 직접 탑승하고, 우주센터에서 하는 여러 가지를 체험할 수 있습니다.

대전 유성구의 국립중앙과학관에서도 인공위성을 보고 우주체험을 할 수 있습니다. 이곳의 첨단과학관에는 세계 최고 수준의 1m급 고해상도 원격탐사위성인 아리랑 2호 모형이 있습니다.

우주체험관을 찾으면 지구 중력이 작용하지 않는 우주에서의 의식주 생활체험이 가능합니다. 우주공간에서 필요한 고도의 방향 감각을 익히는 우주유영도 할 수 있고요.

고희정 작가