3 2 1 발사 뒷마당에서 로켓 만들기

모형 로켓은 화약 추진체를 쓰는 작은 로켓이다. 수십 미터에서 수백 미터까지 올라간다. 크기는 작아도 적용되는 원리는 대형 발사체와 같다.

왜 앞으로 나아가는가

로켓은 공기를 밀어서 나아가는 것이 아니다. 뒤로 내뿜는 물질의 반작용으로 앞으로 간다. 그래서 공기가 없는 우주에서도 작동한다.

추진력은 내뿜는 물질의 질량과 속도의 곱에 비례한다. 같은 추진력을 얻으려면 많은 양을 천천히 내뿜거나, 적은 양을 빠르게 내뿜으면 된다. 연료 효율을 나타내는 비추력은 얼마나 빠르게 내뿜을 수 있는지를 나타내는 값이다.

두 개의 중심

모형 로켓에서 가장 중요한 설계 조건은 두 점의 위치 관계다.

무게중심은 로켓의 질량이 균형을 이루는 점이다. 로켓이 회전한다면 이 점을 중심으로 돈다.

압력중심은 비행 중 공기의 힘이 작용하는 점이다. 로켓이 기울어지면 공기가 옆면을 밀고, 그 힘의 합력이 이 점에 작용한다고 볼 수 있다.

압력중심이 무게중심보다 뒤에 있어야 안정하다. 이때 로켓이 기울어지면 공기의 힘이 꼬리를 밀어 원래 방향으로 되돌린다. 반대로 압력중심이 앞에 있으면 기울어짐이 커지며 뒤집힌다.

꼬리날개를 다는 이유가 여기에 있다. 뒤쪽 면적을 늘려 압력중심을 뒤로 보내는 것이다. 앞쪽에 무게추를 넣어 무게중심을 앞으로 옮기기도 한다.

안정 여유

두 점 사이의 거리가 너무 가까우면 안정이 부족하고, 너무 멀면 다른 문제가 생긴다.

지나치게 안정하면 로켓이 바람을 향해 고개를 돌린다. 이를 풍향추종이라 한다. 되돌리는 힘이 강해 바람이 불어오는 쪽으로 기울어 날아가 버린다.

일반적으로 두 점 사이 거리가 로켓 지름의 1~2배 정도일 때 적절하다고 본다.

내려올 때

올라가는 것보다 내려오는 것이 더 자주 문제가 된다.

추진체가 다 타면 로켓은 관성으로 더 올라가다가 최고점에서 속도가 0이 된다. 이 시점에 낙하산이 펼쳐져야 한다. 너무 일찍 펴지면 아직 빠른 속도 때문에 낙하산이 찢어지고, 늦으면 펴질 시간이 없다.

모형 로켓용 추진체에는 지연 구간이 들어 있다. 추진이 끝난 뒤 정해진 시간 동안 타들어 가다가 마지막에 역방향으로 화약을 터뜨려 낙하산을 밀어낸다. 이 지연 시간은 로켓의 무게와 예상 고도에 맞춰 골라야 한다.

안전

모형 로켓은 화약을 쓰므로 취급 규정이 있다. 발사 각도, 주변 안전 거리, 발사 장소의 조건이 정해져 있고, 나라마다 규제 내용이 다르다.

직접 추진체를 만드는 것은 위험하다. 화약의 조성과 다짐 정도가 조금만 달라도 연소가 폭발로 바뀔 수 있다. 사고 사례가 적지 않으며, 대부분의 동호회 규정이 상용 추진체만 쓰도록 정하고 있는 이유다.