1. 개요
오베르트 효과(Oberth effect)우주 항해술에서 오베르트 기동은 우주선이 중력 퍼텐셜 안에 빠지면서 엔진을 가속하여 결과적으로 추가적인 속도를 얻는 기동인데 이 기동은 중력 퍼텐셜이 없을 때 가속하는 것보다 더 효율적으로 에너지를 얻을 수 있다. 즉, 속도가 빠를 때 가속하는 것이 느릴때 가속하는 것보다 더 효율적이라는 것이며, 이는 오베르트 효과로 설명된다. 이 효과의 이름은 1927년, 이 효과를 처음으로 고안한 오스트리아-헝가리 제국 헤르만슈타트[1] 출신 독일인 물리학자이자 현대 로켓 공학의 아버지인 헤르만 오베르트에게서 이름을 따왔다.
정석적으로 설명하자면, 우주선이 회전체 중심과 근점일 때, 즉 궤도 속도가 최대일 때 연료를 연소시키는 것이 가장 에너지 효율적이라는 것이다. 따라서, 오베르트 효과는 이온 엔진같은 가속이 느린 엔진들보단 액체 로켓같이 순간적인 가속이 빠른 엔진들에게 더 유용하다. 얼마나 유용한지 오베르트 효과를 위해 연료를 연소하면서까지 속도를 줄여서 중력장이라는 우물well 의 깊은 곳을 향해서 일부러 빠져들어가면서 가속할 정도. 다만, 지구 중력장의 영향권(Sphere Of Influence) 내에서 궤도비행만을 설계할때는 별달리 덕 볼것이 없고, interplanetary 미션을 설계 할때 극대화되는 효용성을 맛 볼 수 있을뿐이다. 어쩌면 십수년 후 일어날지도 모를 일이기도 하지만 서술하자면, 달의 남극지대에 구축된 발사 시설에서 탐사선이 출발하며 탐사 목적지를 타 행성에 맞추고서 미션을 설계한다면 일단, 달의 영향권을 서둘러 벗어나 지구를 향해 떨어지게끔 탐사선/로켓이 일련의 기동을 수행 한다. 약 3일 후엔 지구 지표면으로부터 200km 전후의 고도 영역을 스쳐 지나치면서 탐사선/로켓이 최대 속도를 가질때 가열차게 가속을 시켜주며 방향성을 잡는다면 흡사 역학적 에너지보존의 법칙을 위배하는듯이 운동에너지를 더 획득하게 되는 양상를 보이는 것. 엄밀히 계산하면 지구에서 달 남극지대로 재료를 운반하며 우주 화물선이 수차례의 가/감속 기동에 반영했어야만 했었던 에너지이기도 하다. [2] 어디서 공짜로 득만 볼순 없지 않는가?!
2. 가속도와 운동에너지 관점에서 오베르트 효과
로켓 기관은 추진제에서 가속을 받아 물리적 일을 한다. 추진제 분출 속도가 일정할 때, 일정한 양의 추진제가 주는 가속도도 일정할 것이다. 즉 같은 양의 추진제 당 속도 변화량이 같단 것이다.이때 운동에너지는
[math(\frac{1}{2}mv^{2})] 인데
로켓이 2kg이며 초기 속도가 1m/s이라 하자. 여기에 1m/s를 가속하면
운동에너지가 1J에서 4J로 총 3J이 증가하는 반면,
로켓의 초기속도가 10m/s라면, 운동에너지가 100J에서 121J로 총 21J이 증가한다.
여기서, 고속일 때 가속하는 것이 더 효율적이라는 오베르트 효과를 간단히 보여줄 수 있다.