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로켓이 발사되는 모습을 보면 엄청난 화염과 함께 빠른 속도로 치솟는 모습을 볼 수 있다.

이렇게 로켓이 발사되고 날아갈 수 있는 이론적 토대를 만든 사람은 바로 17세기 위대한 과학자였던 아이작 뉴튼에 의해서다.

만유인력을 발견한 뉴튼은 만유인력 외에도 고적 역학의 기본이 된 3개의 운동법칙을 발견했다.

제 1법칙은 관성의 법칙으로 모든 물체는 외부의 힘이 작용하지 않는 한 정지해 있거나, 진행방향으로 계속 움직이려는 성질을 말한다.

제 2법칙은 힘-가속도의 법칙으로 물체에 힘이 가해질수록 운동량의 변화는 그 힘에 비례해서 커진다는 법칙이다.

제3법칙은 작용 반작용의 법칙으로 모든 힘의 작용에는 크기는 같고 방향이 반대인 반작용 힘이 존재한다는 법칙이다.

로켓은 이 3법칙 가운데 제 3법칙을 이용한 것으로 로켓은 로켓 내부에 저장된 연료를 태우며 분사되는 분사력과 똑같은 힘에 방향만 반대인 힘을 가지고 우주로 비행하게 되는 것이다.

이외에도 관성의 법칙의 경우 중력이 거의 존재하지 않는 우주공간에서 가장 완벽하게 적용되는 법칙이기도 하다.

새처럼 하늘을 날겠다는 꿈과 달에 있다는 ‘토끼 떡집’이 사실인지 확인하려는 인간의 꿈은 모두 이루어졌다.

비행기를 타고 새보다도 높고 빠르게 날아다닐 수 있고 아폴로 11호가 달을 방문하여 달에 토끼도 떡도 없다는 것을 증명했기 때문이다.

둘 다 지구의 중력을 이겨내기 위한 인류의 노력이 맺은 결실이다.

비행기와 우주선 둘 다 지상을 떠나 하늘을 향하는 기기라는 점에서 같지만 날아가는 방식은 완전히 다르다.

공중을 나는 비행기에는 날개에서 생기는 양력과 엔진에 의하여 생기는 추진력, 그리고 비행기 무게에 해당하는 중력, 전진속도에 따라 달라지는 공기의 항력 등 4가지 힘이 복합적으로 작용한다.

그러나 우주선은 전혀 다른 원리에 의해 날아간다.

비행기와는 달리 지구 중력에서 완전히 탈출할 수 있을만한 커다란 힘이 필요하기 때문이다.

우주 공간에는 공기가 없어서 양력이나 항력이 생기지 않는 것도 이유다.

고무풍선에 공기를 후후 불어넣고 손을 놔보자.

풍선은 뒤로 공기를 뿜어내며 앞으로 날아간다.

만약 풍선이 계속 공기를 뿜어낼 수 있다면 한없이 날아갈 수 있다.

이것이 뉴턴이 밝힌 운동의 제3법칙 ‘작용과 반작용’의 원리다.

우주선, 정확히 말해 우주선을 우주로 보내는 ‘로켓’이 날아가는 힘은 바로 이 원리를 이용한 것이다.

작용과 반작용의 원리는 일상생활에서 자주 볼 수 있다.

자동차나 선박도 연료를 태워 뒤로 밀어 보내는 힘을 만든 뒤 반작용을 이용해 전진한다.

로켓이 날아야 하는 우주공간은 공기가 없는 진공 상태나 마찬가지이기 때문에 로켓 내부에서 연소가스를 계속 분사해야 한다.

즉 고무풍선이 공기가 빠지는 힘에 대한 반작용으로 전진하는 것처럼 로켓도 우주선 안에 분출되는 공기를 갖고 있는 것이다.

로켓이 비행기보다 훨씬 빠른 속도로 날 수 있는 이유는 로켓의 운동량이 크기 때문이다.

어떤 물체가 움직일 때 그 물체가 움직이는 방향으로 힘을 가하면 속도는 그만큼 증가하고 반대 방향으로 힘을 주면 속도가 줄어든다.

로켓에 오래 힘을 작용하면 속도는 얼마든지 증가할 수 있다는 얘기다.

로켓이 우주로 나가기 위해서는 지구의 중력을 이겨내야 한다.

중력을 벗어날 수 있는 속도를 탈출속도라 하는데 지구의 경우 초속 11.2km다.

이 속도로 계속 가면 1시간에 4만320km나 달릴 수 있다.

초음속여객기 콩코드가 최고 속도로 날아도 1시간에 2900km를 가는 것이 고작이니 로켓의 속도가 얼마나 빠른 지 알 수 있을 것이다.

이 정도로 빠른 속도를 내려면 엄청나게 많은 양의 가스를 뒤로 뿜어야 한다.

그래서 로켓에는 두 가지의 특수한 연료를 사용한다.

고체연료와 액체연료다.

액체연료란 탄소와 수소와 같은 연료 성분이 산소와 아주 빠르게 화학반응을 일으키는 종류다.

우주선을 발사하기 직전까지 탱크에 따로 보관했던 액체연료와 영하 183도로 냉각한 액체산소를 필요한 양만큼 가압펌프를 이용해 연소실에다 알맞게 뿌려준다.

둘이서 화학반응을 일으켜 불타오르면 노즐로 속도를 증가시켜 가스를 공중에 내뿜는다.

이 반작용의 힘으로 로켓의 속도를 점점 올리는 것이 로켓 추진체의 역할이다.

연소실에서 얻어진 고온·고압 가스를 되도록 고속으로 분사시키기 위해 특별한 노즐이 사용된다.

우주선에서는 주로 나팔 모양의 노즐을 사용한다.

좁은 부분을 빠른 속도로 통과한 가스가 나팔의 앞부분에 해당하는 넓은 부분에서 급격하게 팽창하며 초고속이 되도록 만든 것이다.

탱크의 용량을 크게 해 순식간에 많은 연소가스를 내뿜으면 원하는 속도를 얼마든지 낼 수 있다.

일반적으로 1000km 이상 비행하는 3단 로켓은 액체연료를 사용한다.

고체연료는 연소시간이 짧은 단점이 있으므로 온도와 압력이 높은 연소가스를 계속 발생시키는 데는 액체연료가 유리하기 때문이다.

그러나 액체연료 개발은 극히 어려울 뿐만 아니라 값 또한 상상할 수 없을 정도로 비싸다.

가장 큰 문제는 고체연료보다 안정성이 떨어진다는 것.

우주선 발사가 연기되는 대부분의 이유가 액체연료에 문제가 생기기 때문이다.

따라서 액체 추진 로켓은 강한 힘을 내야 하는 핵탄두를 장착한 대륙간 탄도 미사일이나 인공위성, 우주선을 쏘는 데만 사용되고 있다.

우주로켓이 지상에서 발사되면 단 몇 분 사이에 1~3단