‘펑∼펑∼’’쐐∼애액∼’ 며칠 전 독일월드컵 프랑스와의 경기. 박지성이 극적인 동점골을 작렬시키자 현지 경기장은 물론 서울 광화문 등 한반도 곳곳에서 축하 폭죽이 연달아 터지며 하늘을 오색빛으로 수놓았다. 극적인 순간 분위기를 한껏 고조시키는 축하 폭죽과 불꽃놀이용 미니 로켓. 이들은 어떤 원리로 하늘 높이 솟구치는 걸까. 또 요즘 북한과 관련돼 뜨거운 감자로 떠오른 장거리 미사일 등의 발사 원리와는 어떤 공통점과 차이점이 있을까.

●땅을 박차 오르는 ‘작용·반작용 원리’

폭죽이 하늘로 날아오르는 원리는 17세기 영국 과학자 아이작 뉴턴이 발견한 ‘작용·반작용의 원리’로 설명된다. 모든 힘은 서로 짝을 이뤄 작용한다. 물체에 어떤 힘이 가해져 ‘작용’이 생기면 크기는 같으면서 방향이 정반대인 ‘반작용’이 생긴다는 것이다.

예컨대 풍선에 바람을 불어넣었다가 놓으면 바람이 입구를 통해 빠져나오는 반대 방향으로 날아가는 것을 들 수 있다.

불꽃놀이용 폭죽이나 초대형 미사일의 작동 원리는 모두 같다. 내부에 담긴 고체나 액체 등 연료 물질이 연소되면 급격하게 팽창하는 가스가 만들어진다. 이 팽창가스의 압력은 폭죽이나 미사일 내부의 모든 방향으로 똑같이 작용하게 된다. 하지만 아래쪽에 노즐 등 ‘틈’이 있으면, 압력과 균형이 깨져 압력차가 발생한다. 압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르기 때문에 내부보다 압력이 낮은 노즐 쪽으로 가스가 뿜어져 나오게 되는 것이다. 이때 추진력이 발생해 위로 솟구치게 된다. 다시 말해 노즐을 통해 밑으로 뿜어지는 가스는 뉴턴의 운동법칙에서 말하는 ‘작용’이고, 로켓을 미는 추진력이 ‘반작용’인 것이다.

이때 추진력, 즉 ‘분출 운동량’은 가스의 총 질량에 의해 좌우된다. 분출 운동량은 ‘가스의 질량에 가스가 로켓에서 빠져나가는 속도를 곱한 값(추진력=가스 질량×속도)’이 된다. 때문에 로켓의 추진력을 높이기 위해서는 분출하는 가스의 질량을 높여주면 된다. 아니면 노즐의 구멍을 좁혀서 분출되는 가스의 속도를 빠르게하면 추진력을 높일 수 있다.

●대륙간탄도탄과 순항미사일의 차이

미국이 미사일 요격 시스템을 ‘실전모드’로 전환한다고 호들갑을 떨면서 국제적 관심이 집중된 북한미사일 ‘대포동2호’는 이른바 대륙간탄도미사일(ICBM)이다. 발사된 뒤 목표물을 향해 날아가는 것은 여느 미사일과 같지만, 말 그대로 대륙을 가로질러 수천㎞를 날아간다.

무엇보다 대륙간탄도미사일의 가장 큰 특징은 대기권을 뚫고 위로 올라가 한참을 비행한 뒤 다시 내려오는 궤도를 그린다는 것이다. 공기 저항을 없애 속도를 높이고 연료를 줄여 먼 거리를 날아가기 위해서다.

때문에 기존 항공기나 단거리 미사일 등에서 사용하는 엔진 시스템으로는 추진력을 얻을 수 없다. 왜냐하면 대기권 밖에는 연료를 태울 수 있는 산소가 없기 때문이다. 이에 우주선이나 인공위성을 실어나르는 대형 로켓처럼 연료와 함께 산소를 내장하는 시스템을 적용한다.

반면 걸프전이나 이라크 전쟁에서 높은 적중률로 이름을 날린 ‘순항미사일(Cruise missile)’은 이와 다르다. 자동적으로 목표물을 찾아 지형의 굴곡에 맞게 저공비행하는 순항미사일은 발사 초기에는 대륙간탄도미사일과 같이 ‘로켓 추진’을 한다.

하지만 일정 속도에 달하면 터보제트 엔진 등으로 전환해 항공기처럼 양력(揚力)을 이용해 비행한다. 연료만 내장한 채 연소시키는 데 필요한 산소는 비행 중 빨아들이게 된다. 때문에 만일 대기권 밖으로 나가게 된다면 무용지물이 되고 만다.

이영표기자 tomcat@seoul.co.kr