(주제 통합) '로켓 엔진과 중력 추진'-지문 해설, 대비 38문제(2024 수능완성 실전 5 대비)

 

(가) 현재 지구에서 우주로 나가는 운송 수단은 로켓이 유일하다. 로켓을 우주로 보내기 위해서는 지구의 중력을 이겨 낼 만한 추력(推力)을 낼 수 있고 공기가 없는 우주 공간에서도 작동되는 로켓 엔진이 필요하다. 이러한 이유로 로켓은 연료와 산화제를 함께 싣고 다니며 엔진 내부에서 연료와 산화제를 같이 연소시키는 방식을 사용한다. 이때 로켓 엔진에 사용되는 연료와 산화제를 가리켜 추진제라고 한다.

 

로켓 엔진은 사용하는 추진제가 액체냐 고체냐에 따라 액체 로켓 엔진과 고체 로켓 엔진으로 나눌 수 있다. 먼저 ㉠액체 로켓 엔진은 추진제를 탑재하기 위한 연료통과 별도의 산화제 탱크를 설치해야 한다. 또한 추진제를 연소실로 보내기 위한 펌프, 밸브 및 파이프 등의 많은 부품이 필요하고 구조가 복잡하여 제작 비용이 많이 든다. 하지만 액체 로켓 엔진은 같은 질량 대비 추진제가 내는 추력의 효율이 더 높고, 발사 뒤에도 추진제의 공급을 조절하여 점화와 소화의 반복을 통해 추력을 제어할 수 있기 때문에 로켓의 자세 제어가 용이하다. 한편 ㉡고체 로켓 엔진은 연료와 산화제를 혼합하여 굳힌 고체 추진제만이 로켓 내부의 긴 원통형의 구조물에 들어가 있다. 고체 로켓 엔진에서는 이 구조물이 연소실을 겸하기 때문에 별도의 산화제 탱크와 추진제를 옮기기 위한 장치가 필요가 없다. 이는 고체 로켓 엔진의 구조를 간단하게 하고 고체 로켓 엔진의 무게를 가볍게 만들어 준다. 그러나 고체 로켓 엔진은 추력을 제어하는 데 어려움이 따른다. 고체 로켓 엔진의 추력은 추진제 중앙에 형성된 빈 공간의 표면 형상에 의해서 결정되는데 고체 추진제는 일단 제작이 되고 나면 형상을 조절하기가 어렵기 때문에 추력을 제어할 수가 없으며, 점화 후 연소 속도의 조절도 불가능하다.

 

(나) 1960년대 초반까지 모든 우주 발사는 태양, 행성, 우주선의 상호 작용을 고전적인 2체 문제로 ⓐ다루어 우주로의 이동을 위해 강력한 로켓의 힘으로 중력을 이기려고만 했다. 하지만 이러한 방법으로 달성이 가능한 우주 임무는 지구 궤도 안쪽으로는 금성, 지구 궤도 밖으로는 목성까지로 제한될 수밖에 없었다.

 

이러한 문제에 미국의 수학자 마이클 미노비치가 해답을 제시하였다. 미노비치는 우주선 발사체가 근접 비행으로 행성 부근을 통과하면 발사체의 운동 에너지가 행성 부근을 통과하기 전과 같을 수도 있고, 다를 수도 있다는 것을 발견했다. 그는 우주선 발사체가 행성에 접근하기 전의 운동 에너지와 근접 비행 후의 운동 에너지는 좌표계에 따라 다르게 보일 수 있다는 점을 주장하였다. 우주선 발사체가 지나는 행성을 기준으로 한 좌표계에서는 우주선 발사체의 운동 에너지는 변화가 없고 운동의 방향만 바뀐다. 하지만 태양을 기준으로 한 좌표계에서 보면 임의의 방향으로 움직이던 우주선발사체를 행성이 나포해서 끌고 다녔으므로 행성이 우주선 발사체에 대해 일을 했거나 또는 우주선 발사체가 행성에 대해 일을 한 것으로 볼 수 있다. 따라서 태양을 기준으로 한 좌표계에서 본 우주선 발사체의 운동 에너지는 달라질 수밖에 없다. 미노비치는 이러한 현상을 이용하면 우주선 발사체가 연쇄적으로 행성과의 근접 비행을 통해 우주선 발사체의 속도와 방향을 변화시킬 수 있다고 생각했으며 이를 중력 추진이라고 불렀다.

 

(가) 로켓 엔진의 종류와 특성

해제

이 글은 로켓 엔진의 일반적 특징에 대해 소개하고, 추진제의 종류에 따라 로켓 엔진을 액체 로켓 엔진과 고체 로켓 엔진으로 구분하여 각 엔진의 장단점과 연소 과정을 설명하고 있다. 액체 로켓 엔진은 구조가 복잡하고 제작 비용이 많이 들지만, 추진제가 내는 추력이 높고 발사 뒤에도 점화와 소화를 반복하여 추력을 제어할 수 있다는 장점이 있다. 한편 고체 로켓 엔진은 구조가 간단하고 무게가 가벼우나 추력을 제어하기가 어려우며, 점화 후 연소 속도 조절도 불가능하다.

 

 

주제 : 액체 로켓 엔진과 고체 로켓 엔진의 특징

구성

1문단 : 로켓 엔진의 일반적 특징

2문단 : 액체 로켓 엔진과 고체 로켓 엔진의 장단점

3문단 : 액체 로켓 엔진과 고체 로켓 엔진의 연소 과정

 

 

(나) 우주선 발사체를 이동하기 위한 중력 추진

해제

이 글은 우주선 발사체의 우주 임무 수행을 위한 기존의 이동 방법이 가진 한계를 제시하고, 이에 대한 해결책으로 미국의 수학자 마이클 미노비치가 제시한 ‘중력 추진’에 대해 설명하고 있다. 미노비치는 우주선 발사체가 근접 비행으로 행성 부근을 통과하면 발사체의 운동 에너지가 행정 부근을 통과하기 전과 같을 수도 있고, 다를 수도 있다는 것을 발견했다. 그는 이러한 현상을 이용하면 우주선 발사체가 연쇄적으로 행성과의 근접 비행을 통해 우주선 발사체의 속도와 방향을 변화시킬 수 있다고 생각했으며, 이를 중력 추진이라 불렀다. 중력 추진의 방법을 통해 외행성까지 우주선 발사체를 빠르게 보낼 수 있고, 태양계 바깥까지 멀리 보낼 수 있게 되었다.

 

주제 : 중력 추진을 통한 우주선 발사체의 이동 방법

구성

1문단 : 우주선 발사체를 이동하기 위한 기존 방법의 한계

2문단 : 미노비치가 발견한 중력 추진

3문단 : 중력 추진의 기본 원리

4문단 : 중력 추진을 활용한 우주선 발사체 이동의 의의

 

 

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(주제 통합) '로켓 엔진과 중력 추진'-지문 해설, 대비 38문제(2024 수능완성 실전 5 대비)

 

 

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