인류와 속도(2부)

인류 : "뭐!! 공기가 희박해서 연소가 제대로 일어날 수 없다고?"

아이작 뉴턴

뉴턴의 F=ma,
사실 이 F=ma 공식은 처음에는 질량과 가속도의 곱으로 표현된 것이 아니었다.

처음에는 p=mv라는 질량과 속도의 곱, '운동량'
이라는 개념이 먼저 나왔지만, 물체의 시간에 따라 운동량이 변화하는 정도를 수학적으로 해석하다 보니

우리에게 익숙한 F=ma가 되어 버린 것이다.

그리고 이 운동량의 공식을 조금만 변형하면

엔진 연소로 인한 배기가스가 가지는 힘을 엔진 끝에서 한쪽 방향으로 집중해서 분사하면 그 힘이 비행기를 움직이는 추진력 F가 되어 비행기의 운동을 설명할 수 있게 된다.​

램제트는 마하의 속도를 돌파한 이후 그 이상의 속도를 뚫기 위해 고안된 제트엔진이다.

제트엔진은 더 많은 공기가 압축될수록 더 많은 연소가 가능하기 때문에 엔진의 효율을 위해 위의 그림과 같이 엔진 입구에서 많은 공기를 얻기 위해 압축 팬으로 공기를 압축시킨다.

하지만 비행기가 음속을 돌파하고 더 빨리 비행하면 너무나 빠른 속력 때문에 엔진 앞부분의 공기가
찌그러져서 압축이 되어버린다.

여기서 문제는 이 압축되는 정도가 압축 팬의 압축 능력보다 높아서 오히려 압축 팬이 공기 압축을 방해하는 역할을 해버리는 것이다.

그래서 이 압축 팬을 떼어버리고 압축 팬을
구동시켜주는 터빈도 제거해 버린 엔진이 바로
'램제트 엔진'이다.

램제트 마지막 부분의 노즐 모양은 확산형이다

하지만 램제트 엔진은 그 원리의 특성상 마하 이상의 속도에서만 효율이 나오기 때문에 아음속 비행에서는 사용하지 않는다.​

1부에서 사진으로 보았던 블랙버드의 경우 엔진이 초음속에서는 램제트 엔진으로 변형된다고 한다.

노즐은 관로를 좁게 해서 발사되는 유체 속도를 증가시켜 유체가 가지는 힘(mv)을 증가시켜 줄 수 있다.

예를 들어 우리가 입을 오므려 바람을 불면 센 바람이 나가고, 입을 크게 벌려 똑같이 바람을 불면 바람이 약하게 나가는 것과 같은 원리이다.

이 원리에서 속도가 증가하는 이유는
'유체가 단위시간 1초에 얼마나 흐르나'를 의미하는 용어를 '유량'이라고 칭하며 이 유량은 유체가 흐르는 단면적과 그 속도의 곱으로 나타낸다.​

유량 Q는 관로에 구멍이 나거나 유체가 사라지지 않는 이상 항상 일정해야 한다는 조건을 가진다.

위의 식에서 유량 Q는 일정하지만 단면적 A가 좁아지면 유량을 일정하게 하기 위해 결과적으로 유체의 속도 V가 증가하는 것이다.

이렇게 공기와 같은 유체가 좁아지는 노즐을 지나가게 되면 속도가 증가하게 되고, 그렇게 속도가 증가하다 보면 누군가를 만나게 되는데...​

마하(음속): "안녕?~ 또 만났네?"
​

인류 : "하.. 또 마하 너냐?"

노즐을 이용해 유체의 속도를 증가시킬 수는 있지만
음속에서 더 이상 속도가 올라가지 않았다.

마치 아무리 빨라도 빛의 속도를 넘지 못하는 것처럼.

그러던 중  스웨덴의 한 공학자가 굉장한 발견을 하게 된다.

스웨덴 공학자 : "노즐 끝부분에서 다시 유체를 확장시키니 유체가 엄청나게 팽창하면서 음속을 뚫어버리더라!!

그래! 이걸 연구하면 초음속, 우주 시대가 열릴 거야!"​

일반 노즐에서는 공기의 속도가 증가하지만 음속의 영역이 되면 더 이상 증가하지 않았다.

하지만 노즐 끝의 관로를 확장 시키면 폭발하듯 팽창하며 초음속으로 유체가 쏘아져 나가는 것이었다.​

그렇게 해서 개발된 것이 확장형 노즐,
일명 '로켓 노즐'이다.

이 로켓 노즐로 같은 양의 연료를 사용해 더 큰 추진력을 얻을 수 있게 되었다.​

다음은 재미 삼아 읽어주세요.

정부 : "그... 연구소 쪽에서 로켓 연구에 관한 결과물 넘어온 거 없어요?"

공학자들 : "아 예! 지금 그 해법을.. 지금 막 연구 중에 있습니다. 하하

그런데 ... 연구를 하다 보니 말입니다, 지구를 계속 돌려면 속도가 막 7.5km/s는 되어야 한다고 얘기를 합니다.

정부 : "아 그래요? 그럼 그 속도까지 올리는 방법 좀 알아봐 줘요"

공학자들 : "그런데 그... 속도에 관련해서는... 그렇게 갑자기 무지막지하게 올려버리면...
효율이 좀 떨어지는... 그런 경향이 있어요~​

정부 : "예 ~ 뭐 효율이 뭐 좀 떨어지면 어때요.
효율 신경 쓰지 말고 속도나 좀 올려봐요."

공학자들 : "ㅎㅎ 또 공학이라는 게 또 ㅎ그렇지 않기 때문에 ㅎ;;;"

정부 : "아.. 정부는 무식해서 로켓 공학을 이해를 못 한다..... 그래... 공학도가 기분 나빠하면 안 되지.."
아 내가 잘못했네.. 아 내가 아주 큰~~실수를 할 뻔했어.
우리, 우리 공학도님들 아주 대단하시네~
한나라의 일개 정부가 아주 정말 공학도들을 아주 불쾌하게 할 뻔했네.
내가!! 내가 아주 큰 실수를 할 뻔했구먼!
거 공학도 기분 나빠할 수 있으니까 다 하는 일 다 그만!

정부 : "내 얘기 똑바로 들어!
효율이 좋으면 그게 진리인 줄 알아요.
효율만 맞춰주다 보면 우리가 일을 못한다고.. 알았어요?
미국(소련)한테 지면 다 뒤지는 거야!"​
(여기서 말하는 효율은 기계적 효율뿐만 아니라 경제적인 모든 것을 아우르는 말)

공학자들 : "하... 만들러 가자.
어떻게든 우주로 띄워 올려!"