[사이언스프리즘] 미사일의 과학기술

미사일은 유도장치로 목표 접근
화학연료 연소해 추진력 얻는데
압축공기 이용 일부 얻는 경우도
ICBM은 특수한 액체연료 사용

북한이 미사일을 또 시험 발사했다. 미사일은 현대 전쟁에서 가장 중요한 무기 중 하나로 폭탄을 운반하는 수단이다. 폭탄을 운반하는 수단으로 대포나 비행기가 있지만 폭탄 양, 운반 거리와 속도, 목표 정확도 등을 고려하면 미사일이 가장 효과적이라고 할 수 있다. 미사일이 일반 로켓과 구별되는 것은 목표물을 찾아가는 유도장치가 있다는 것이다. 미사일이나 로켓은 일반적으로 화학연료를 연소시켜 추진력을 얻는데, 공기총을 쏘는 원리인 압축공기와 같은 방법에 의해 추진력을 일부 얻는 경우도 있다.

물체가 날아가는 과정에 대해 일찍이 고대 그리스의 아리스토텔레스는 지속적으로 공기가 뒤에서 밀어주고 앞에서 공기가 열린다고 생각했다. 17세기에 뉴턴은 물체 운동에 대해 중요한 세 가지 역학 법칙을 정리해 지금 우리가 알고 있는, 날아가는 물체를 설명하는 방식을 확립했다. 상태를 유지하려는 관성에 의해 날아가는 물체는 지속적으로 힘이 가해지지 않아도 날아갈 수 있고 힘이 가해지면 가속이 된다는 것이다. 그리고 힘이 가해지는 방향으로 날아가기도 하지만 ‘작용·반작용’ 법칙에 의해 분사되는 힘의 반대 방향으로도 날아갈 수 있음을 알게 됐다.

전승준 고려대 교수·물리화학

무기로서 총알이나 포탄을 멀리 보내는 방법은 총과 대포 내부에서 화약을 폭발시키고, 폭발 순간 발생하는 순간적인 기체 팽창을 한 방향으로 일어나게 해 추진력을 발생시킨다. 이는 한번 가해지는 힘에 의해 앞으로 계속 나아가면서 목표에 도달한다. 반면 로켓은 날아가는 물체 내부에 화학연료를 연소시켜 발생한 기체를 한 방향으로 분사해 ‘작용·반작용’ 법칙에 의해 계속 추진력을 얻게 된다. 대포는 발사하는 부분만 폭발에 견디고 포탄은 던져진 물체가 자연이 만드는 궤적을 따라가기에 일찍부터 만들어져 사용됐다. 그러나 로켓은 화학연료를 지속적으로 연소시키기에 로켓 자체가 폭발에 견뎌야 하고 지속적인 추진력에도 균형을 유지하면서 비행하는 어려운 기술 때문에 20세기에 들어와서야 실전에 사용하는 로켓이 만들어졌다. 제2차 세계대전 당시 나치 독일이 로켓 V1과 V2를 만들어 사용한 것이 최초의 실전 로켓이다. 그리고 전후 미국과 소련은 독일의 개발 기술자로부터 기술을 전수받아 발전시켰고, 이 기술이 다른 나라에도 전수돼 로켓과 미사일이 개발됐다.

모든 무기는 최대 사거리, 정확도, 화력 등이 중요한 요소라고 할 수 있다. 미사일도 지속적으로 성능이 향상돼 핵폭탄을 운반하는 수단이 돼 가장 치명적인 무기가 됐다. 사거리를 늘리기 위해 추진력을 높이는 데 중요한 것은 연료의 형태와 그에 따른 엔진의 성능이다. 연료는 크게 액체 형태와 고체 형태가 있는데, 액체연료를 사용하면 일반적으로 로켓 설계가 복잡해지지만 강력한 추진력과 미세조정이 가능하다는 장점이 있다. 반면, 액체 연료를 발사 직전에 주입하거나 미리 주입하더라도 오래 보관하지 못한다는 단점이 있다. 고체연료는 대체로 액체 연료의 장단점과 정반대 된다. 이에 군사용으로는 고체연료를 사용하는 것이 일반적이나 대륙간탄도미사일(ICBM)과 같이 강력한 추진력이 필요한 경우 특수한 액체 연료를 사용한다. 비대칭 다이메틸 하이드라진(UDMH)과 같은 화합물은 오랫동안 보관이 가능한 액체연료로서 유엔에서 북한에 금수품으로 지정한 물질인데, 북한에서 자체적인 생산 가능성이 제기되기도 했다.

미사일은 유도장치가 있어 목표물에 정확하게 접근하게 된다. 유도장치는 회전 관성모멘트의 원리를 활용해 물체의 방위를 알아내는 자이로스코프를 사용하는 관성항법장치(INS)가 가장 기본적인 것으로, 초기 유도 로켓인 V2에서부터 사용된 것으로 알려져 있다. 또한 유도장치는 위성항법시스템(GPS), 레이더, 디지털 영상참조, 열 감지 등을 통해 정확도를 더욱 높이기도 한다.

북한이 개발했다고 주장하는 ICBM에는 최첨단 과학기술이 들어가 있다. 미사일을 처음부터 완전히 자체적으로 개발한 경우는 거의 없다. 최첨단 부품은 국제적으로 교역금지 물품으로 지정돼 있다. ICBM 개발은 우호적인 국가의 기술 전수와 천문학적 예산 없이는 불가능하다.

전승준 고려대 교수·물리화학