미국과 소련이 처음으로 개발한 ICBM은 모두 액체로켓으로 추진되었다. 그러나 1960년 미국은 고체로켓으로 추진되는 잠수함 발사탄도탄 폴라리스를 배치했고, 1962년도 이후 ICBM을 점차 미니트맨Minueman 계열의 고체로켓으로 대체하기 시작하여 1987년 마지막 액체로켓 ICBM ‘타이탄Titan-II’가 퇴역함으로써 미국의 전략탄도탄은 전량 고체로켓으로 교체되었다. 하지만 소련은 계속해서 액체로켓 ICBM과 SLBM을 개발해왔다. 물론 중간 중간에 이동식 고체로켓 ICBM을 개발하기 위한 산발적인 노력을 계속했지만, 1985년에 도로 이동식 ICBM ‘토폴(Topol: SS-25)’을 배치하기 전까지는 소련에서 100기 이상의 대량 생산에 들어간 고체로켓 ICBM은 없었다.
_101쪽

추진실(Thrust chamber: TC)은 액체로켓엔진의 가장 중요한 부분으로 분무기, 연소실, 초음속 노즐 및 냉각 시스템의 4개 요소로 구성된다. 분무기는 연소실로 공급되는 추진제 양을 통제하고, 추진제를 연소실 안으로 뿜어 넣으며, 연료와 산화제를 안개 형태의 작은 물방울로 분쇄하고, 연소실 단면에 고르게 분포시켜 연소가 균일하게 일어나도록 하는 부품이다. 연소실은 그 내부에서 연소가 일어나며, 여러 가지 화학반응이 연쇄적으로 일어나 고온고압의 가스를 생산하는 용기를 말한다. 초음속 노즐은 연소실에서 생성된 고온고압가스를 한 방향으로 가속시켜 고온고압의 연소가스 속에 포함된 엔탈피를 한 방향으로 움직이는 가스 흐름의 운동에너지로 바꾸는 역할을 하는 TC의 중요한 요소다. _ 122쪽

고체로켓엔진은 관습적으로 고체로켓모터라고 한다. 고체로켓은 장기간 저장이 가능하고 발사를 결정하면 거의 즉시 발사할 수 있으며 동급의 액체로켓에 비해 크기가 작아 운용이 수월하고, 생산비와 운용비가 저렴하기 때문에 주로 SLBM과 ICBM으로 사용되었지만, 지금은 이륙 시 강력한 추력이 필요한 대형 우주발사체의 부스터 로켓으로 사용하는 것이 대세다. 하지만 고체로켓 기술 개발이 늦은 소련/러시아에서는 고체로켓 대신 액체로켓, 특히 저장 가능한 자동점화 추진제를 사용하는 액체로켓을 선호한다. _ 157쪽

로켓이 작동하는 무대는 대기권과 우주공간이다. 주변 환경에 적합한 소재는 로켓모터 내외의 온도, 압력, 정적?동적 스트레스, 화학적 부식, 방사선, 진공 등을 고려하여 선택해야 한다. 현재 주로 사용하는 모터 케이스 소재는 고장력 금속, 유리섬유 강화플라스틱(Filament-wound Reinforced Plastics: FRP)과 금속을 FRP로 보강하는 경우 등 세 가지로 나눌 수 있다. 고장력 금속은 고장력 강철, 알루미늄 합금 또는 티타늄 합금 등을 주로 사용한다. FRP에 사용되는 대표적인 필라멘트 물질로는 유리섬유(E-Glass), 아라미드 섬유(Aramid Fibers: Kevlar49), 탄소섬유 등이 있고, 결합제로는 에폭시Epoxy를 사용한다. _ 185쪽

현실적으로 1단만으로 구성된 로켓으로는 우주발사체나 ICBM에 필요한 델타브이를 낼 수가 없다. 그래서 고안한 것이 다단로켓 개념이다. 다단로켓Multi-stage Rocket은 2기 또는 그 이상의 로켓으로 구성된 ‘단段’ 또는 ‘스테이지Stage’로 구성된 로켓을 의미한다. 각 단은 자체 엔진과 추진제 및 조종장치를 갖추고 있으며 단의 배치방법에 따라 ‘직렬식 다단로켓(Serial Staging 또는 Tandem Staging)’과 ‘병렬식 다단로켓Parallel Staging’으로 구별한다.
_ 204쪽

발사된 로켓의 비행궤도는 로켓에 작용하는 힘의 종류에 따라 동력 비행구간Powered Flight Trajectory, 자유낙하 구간Free Fall Trajectory 및 재돌입궤도Reentry Trajectory 구간으로 나눌 수 있다. 로켓이 이륙하여 엔진이 연소종료될 때까지 비행구간을 동력 비행궤도 또는 상승궤도Ascent Trajectory라고 한다. 이 구간에서 로켓에 작용하는 주된 힘은 엔진의 추력이지만, 중력은 로켓을 지구 중심으로 끌어당기고, 속력이 증가함에 따라 공기저항도 속력을 감소시킨다. 로켓엔진의 연소가 종료될 시점에는 고도가 이미 수백 킬로미터에 이르고 공기밀도는 거의 0이기 때문에 공기저항은 무시된다. 따라서 고고도에서 엔진이 멈춘 로켓에 작용하는 힘은 중력뿐이며, 로켓이나 로켓에서 분리된 페이로드는 연소종료 시점의 위치와 속도를 초기조건으로 하는 자유낙하궤도를 따라 비행한다. 이러한 자유낙하궤도를 천문학이나 물리학에서는 케플러 궤도Kepler Orbit라고 한다. _ 229쪽

실제 지구는 액체로 이루어진 회전타원체처럼 매끄럽지도 않고 산과 계곡 및 바다로 이루어져 있다. 바닷속 해저에도 산맥과 깊은 계곡이 있으므로 지표면의 모양도 정확한 회전타원체가 아니고 실제 표면에 따른 퍼텐셜은 들쑥날쑥할 수밖에 없다. 하지만 회전타원체 모델은 평균적으로 정확하고 등퍼텐셜 곡면은 실질적인 중력장 모델로 가는 출발점을 제공한다. 이러한 이유로 회전타원체를 기준타원체Reference Ellipsoid라 하고 기준타원체의 표면은 중력 퍼텐셜의 값이 일정한 등퍼텐셜면을 형성한다. 기준타원체는 지구의 실제 모양인 지오이드를 잘 근사하는 매끄러운 곡면으로 수학적으로는 회전타원체로 정의되며, 지오이드 모델을 만들고, 관련 계산을 수행하는 데 필요한 기준좌표계로 삼기 때문에 붙인 이름이다. 역사적으로 수많은 타원체 모델이 지구 형상을 대표해 제시되었지만 지금은 WGS 84에서 정의한 기준타원체가 가장 많이 사용되고 있다. _ 266쪽

로켓의 페이로드는 탄두가 될 수도 있고, 인공위성이나 우주탐사체가 될 수도 있다. 탄두를 탑재한 로켓은 탄도탄(Ballistic Missile: BM)이라고 하고, 인공위성이나 우주탐사체를 탑재할 때는 우주발사체(Space Launch Vehicle: SLV)라고 한다. 로켓엔진의 목적은 탄도탄이나 우주발사체의 페이로드를 높은 속력으로 가속하는 데 있고, 유도조종장치의 목적은 로켓의 추진 방향을 조종하며 페이로드가 미션이 요구하는 속도에 도달할 때 로켓엔진을 즉시 중지시키는 데 있다. 로켓과 같이 짧은 시간만 대기 중에서 운동하는 물체에 대해서는 고도 100km 이상이 되면 공기마찰을 무시할 수 있다. 따라서 탄도탄이나 우주발사체의 페이로드가 미션 속도에 도달할 즈음에는 페이로드에 작동하는 힘은 지구 중력뿐이라고 가정할 수 있다. _ 308쪽

관성유도장치의 핵심은 관성계에 대한 회전을 감지하는 자이로와 관성계에 대한 선형가속도를 감지하는 가속도계와 같은 관성감지기다. 관성계에 대한 회전각속도를 측정하는 감지기는 크게 세 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 빠르게 회전하는 로터Rotor가 각운동량을 보존하려는 특성을 이용하는 방법으로 제일 오래되고 가장 보편적으로 사용해온 기계적인 자이로다. 둘째는 ‘사그낙 효과Sagnac Effect’를 이용한 방법으로 ‘링 레이저 자이로Ring Laser Gyroscope’와 ‘광섬유 자이로Fiber Optic Gyro’로 다시 나뉜다. 셋째는 회전하는 좌표계에서 움직이는 물체에 작용하는 힘인 ‘코리올리 효과Coriolis Force’를 이용하는 것이다. _ 345쪽

<b>달나라 공주들만 가능했던 달 여행, <br/>쥘 베른 키즈들의 노력으로 꿈을 이루다! </b><br/><br/>프랑스의 소설가 쥘 베른Jules Verne은『지구에서 달까지From the Earth to the Moon』라는 과학 공상소설을 발표하여 상상력이 풍부한 어린이들로 하여금 로켓에 대한 꿈을 심어주었다. 쥘 베른의 소설을 계기로 로켓 연구와 우주여행을 평생 목표로 택한 어린이들 가운데 구소련의 콘스탄틴 치올코프스키Konstantin Tsiolkovsky, 미국의 로버트 고다드Rober tH. Goddard와 루마니아의 헤르만 오베르트Hermann Oberth 등이 있었다. 이들 ‘제1세대 쥘 베른 키즈’는 로켓을 과학적 연구 대상으로 접근했으며, 이들의 연구 결과와 쥘 베른의 우주여행에 매료된 ‘차세대 쥘 베른 키즈’인 독일의 베르너 폰 브라운Wernher von Braun, 구소련의 세르게이 코로레프Sergei Korolev, 발렌틴 글루시코Valentin Glushko 등이 뒤를 이었다. 이들은 불꽃놀이 수단에 지나지 않던 로켓을 과학기술의 총집합체인 현대식 로켓으로 발전시켜 그때까지는 달나라 공주들만 가능했던 달 여행을 날개옷 없는 인간도 할 수 있다는 것을 보여주었다. <br/>이후 냉전시대의 미국과 소련은 탄도탄 개발과 우주계획을 최우선순위의 국가투자 사업으로 추진했고, 이에 따라 로켓과학 기술은 상식을 넘어선 속도로 빠르게 발전했다. 그 결과 냉전이 끝난 지금도 인류는 여전히 핵전쟁의 공포 속에 살아야 하지만, 또 한편으로는 통신위성, 기상위성, 방송위성, 항해위성, 정찰위성 등의 자원과 기술이 급속히 민수분야로 이전되면서 우주과학이 눈부시게 발전했으며, 인류의 생활은 날로 편해지고, ‘인공위성’은 우리 생활의 일부로 녹아들었다. <br/>전 세계 뉴스를 실시간으로 볼 수 있는 것도, 자동차 안에서 교통 지도를 보는 것도, 인터넷이 전 지구를 하나의 공동체로 연결하는 것 모두 다 로켓이라는 위성발사 수단이 개발되었기 때문이다. 로켓은 이 모든 것을 한순간에 파괴할 능력이 있지만, 동시에 무한한 편리함을 제공하고, 자연재해로부터 우리 인류를 보호하는 능력도 가지고 있다. <br/><br/><b>탄도탄과 우주발사체라는 이중성을 지닌 로켓,<br/>그 양면성을 깊이 이해하고 통제하는 것이 무엇보다 중요</b><br/><br/>양자역학에 입자-파동의 이중성이란 것이 존재한다. 비록 입자나 파동이 이중성을 가지고 있지만, 파동을 검출하도록 실험 장치를 준비하면 파동만 검출되고, 입자를 검출하도록 준비하면 입자만 검출된다. 로켓도 탄도탄과 우주발사체라는 이중성을 가지며, 인류의 미래는 탄도탄과 우주발사체 중 어느 것이 지배적이냐에 따라 결정될 것이다. 무엇이 지배적일지는 우리의 선택에 달렸으며 올바른 선택은 로켓의 양면성을 얼마나 깊이 이해하고 통제할 수 있는가에 달려 있다. <br/>2013년 성공적인 나로호 발사 이후 우리나라도 자체적인 로켓 개발, 달 탐사계획 등을 세우며 우주강국의 꿈을 키워나가고 있으며 중국, 일본, 인도를 비롯하여 많은 국가들이 우주발사체 개발에 뛰어들고 있다. 대부분의 우주개발 국가들은 은밀하게 또는 공개적으로 ICBM 능력을 동시에 키우고 있으며, 특히 한반도를 둘러싸고 일어나는 최근의 상황은 우리를 몹시 불안하게 만들고 있다. 우리나라를 위협하는 탄도탄에 가장 효과적으로 대처하고 우주개발 목표를 달성하기 위해서는 로켓, 우주발사체, 우주개발, 탄도탄 및 탄도탄 방어기술에 대한 과학기술은 물론, 군사외교적인 측면까지 면밀히 분석하고 연구하는 한편, 분야별로 장기적으로 지속가능하고 상호보완적인 계획을 수립하고 추진할 수 있는 인력 배양이 무엇보다 시급하다.<br/>이러한 시대의 요구에 발맞춰 국방과학연구소(Agency for Defence Development: ADD)에 들어가 30여 년을 근무하며 한국의 국방과학기술 선진화에 힘썼고, 이후 한국항공우주연구원(Korea Aerospace Research Institute)에서 로켓과 우주발사체를 연구한 정규수 박사가 젊은 과학기술자들이 앞서 언급한 모든 분야를 가로지르는 기본적인 과학기술을 모두 접해보는 것이 중요하다고 판단하여 로켓 과학에 관한 시리즈를 집필하게 되었다.<br/>이번에 발표한 로켓 과학 I은 로켓 추진체와 관성유도에 관한 물리학을 다루고 있고, 앞으로 계속 집필할 로켓 과학 Ⅱ는 우주발사체와 궤도 역학에 관한 내용이며, 로켓 과학 Ⅲ은 탄도탄의 사거리 계산, 표적 지정, 재돌입을 비롯해 탄도탄 방어 시스템에 대한 물리학을 다룰 예정이다.<br/><br/><b>로켓 연구를 시작하는 연구원이나 로켓 공학을 공부하는 이공계 학생에게 <br/>꼭 필요한 로켓에 관한 기본적인 과학기술을 담아내다</b><br/><br/>저자는 이 책을 집필하게 된 동기를 다음과 같이 말한다. <br/>“로켓과 우주개발에 관심이 있는 엔지니어들을 대상으로 로켓 과학과 로켓의 두 가지 중요한 응용분야인 우주발사체와 탄도탄의 과학기술을 소개하고자 한다. 다시 말해, 로켓 연구를 시작하는 연구원이나 로켓 공학을 공부하는 이공계 학생에게 로켓이 작동하는 이면에 어떠한 과학기술이 작용하는지 소개하고, 로켓을 유도하는 데 필요한 지식과 우주발사체와 동력 비행궤도 및 중요한 미션궤도에 대해 더 깊은 공부를 하는 데 필요한 예비지식을 키워주며, 탄도탄의 기본원리와 방어기술에 대한 기본적인 과학기술을 소개하기 위함이다.”<br/>로켓과 관성유도에 관한 제1권의 구성은 다음과 같다. 제1부에서는 로켓엔진의 구조와 불안정 연소, 노즐의 물리학, 고도에 둔감한 노즐, 추력과 비추력을 설명하고, 제2부에서는 액체로켓에 관한 내용으로 액체추진제의 종류와 특성, 액체엔진 사이클, 추진체 및 냉각 시스템에 대한 설명을 담고 있다. 제3부는 고체로켓의 역사와 모터 구조 및 고체추진제 종류와 특성을 다룬다. 제4부에서는 다단로켓의 필요성과 다단로켓의 구성에 대해 설명하고, 다단로켓을 연소종료속도 또는 페이로드에 대해 최적화하는 방법을 소개한다. 제5부는 우주발사체와 탄도탄 유도에 사용되는 관성유도의 기본 원리를 소개하고, 관성유도 계산에서 기준으로 삼는 기준좌표계를 도입하여 위치에 따른 지구 중력가속도 값을 구하는 방법을 설명한다.<br/>저자는 로켓엔진과 관성유도의 과학기술 및 우주발사체와 탄도탄 전반에 걸친 과학기술을 개략적이지만 폭넓게 소개함으로써 독자들로 하여금 로켓 과학 전반에 걸친 이해를 돕고자 했다. 이 책은 이공계 대학생과 대학원생 및 우주항공분야 연구를 막 시작하는 연구원들을 대상으로 썼지만, 로켓 및 우주개발에 관심이 많은 일반인들도 각 권의 전반부는 무난히 읽을 수 있으리라 생각한다.<br/><br/>