로켓 노즐은 어떤 모양인가?

노즐의 기능은 고온, 고압의 가스를 효율적으로 팽창시키는 것이다. 노즐 성능을 높이려면 팽창비를 되도록 크게 하는 것이 바람직하지만, 당연히 노즐은 구조물의 강도, 강성, 크기, 구조 질량 등의 제약이 있다. 또, 1단 로켓처럼 지상에서 점화되는 엔진의 노즐은 외부 압력과 노즐 출구 압력의 관계에 따라 제약이 있으므로 팽창비를 함부로 키울 수 없다.

 

보통 로켓의 노즐 단면적은 원형이며, 유동은 축대칭이지만, 직사각형이라도 상관없다. 지금까지 고안, 개발된 대표적인 노즐 형상은 다음과 같다. 현재 가장 많이 사용하는 것은 ‘콘(cone)’형과 ‘벨(bell)’형이다.

(1) 콘형 노즐

콘형 노즐은 형상이 단순하고 제조하기 쉽지만, 같은 팽창비를 확보하려면 노즐의 길이가 벨형보다 길어지므로 구조 질량이 증가한다. 적절한 노즐 반각은 12°~18°이다. 노즐 안쪽 벽의 단면이 축 방향으로 직선으로 확대되는 형상이므로, 출구의 가스 유동은 중심축에서 바깥쪽으로 발산한다. 그래서 발생 추력에 2% 안팎의 손실이 생긴다. 하지만 제조가 단순하므로, 대형, 소형 로켓을 불문하고 고체로켓 노즐에 많이 사용한다. 그 이유는 고체로켓이 연소하면서 생기는 다량의 고온 액체 상태인 알루미나(산화알루미늄)가 노즐 벽을 침식하고, 표면에 요철을 만들기 때문에, 단면 형상이 복잡한 벨형 노즐을 사용해도 성능이 별로 올라가지 않기 때문이다.

(2) 벨형 노즐

벨형 노즐은 ‘드 라발(de Laval) 노즐’이라고도 한다. 노즐목의 직후 팽창관의 반각을 30°~60°까지 크게 하고, 가스를 급속히 팽창시킨다. 이후 각도를 점점 좁히고, 출구의 가스 유동을 노즐의 중심축과 거의 평행하게 한다. 벨형 노즐은 유동이 팽창하면서 생기는 손실이 작아서 효율이 매우 높으며, 팽창비가 같은 노즐을 사용할 때 벨형 노즐의 길이는 콘형 노즐보다 무려 20~30% 짧아진다. 그만큼 경량 구조이므로, 현재 대부분의 액체로켓 엔진은 벨형 노즐을 사용한다.

 

Test firing of Space Shuttle main engine

(3) 플러그 노즐 (스파이크 노즐)

고리 형태로 만든 연소실에서 고온, 고압의 가스를 중심부 금속관의 외벽을 따라 배출, 팽창시키는 형태이다. 우주개발 초기에는 이론적으로 가스를 완전히 팽창시켜 고성능을 얻으려고 많은 연구개발이 진행됐지만, 구조 질량의 증가 등 아직 문제가 많이 남아있다. NASA는 민간 기업과 공동으로 SSTO 실험기로 X-33의 개발을 시작했는데, 이때 채용한 것이 플러그 노즐을 변형한 선형 스파이크 노즐이었지만, 이 계획 자체가 중단되었다. 현재 플러그 노즐이 실용화된 적은 없다.

 

XRS-2200 linear aerospike engine for the X-33 program

 

노즐 내부에서 연소가스의 화학반응이 일어나면서 팽창하는 노즐의 내부 유동은 너무 복잡해서 완벽하게 파악할 수 없다. 가장 단순한 동결류라고 가정하여 노즐의 기체 역학을 계산한다.

 

로켓 노즐에서 외기 압력의 영향은 다음과 같다. 1단 로켓과 보조 부스터 등 공기 밀도가 높은 대기층에서 작동하는 로켓 엔진의 노즐은 외기 압력의 영향을 받기 때문에 팽창비가 클 수 없다. 노즐 안의 가스는 출구로 흐르는 과정에서 속도는 증가하고, 압력은 떨어지는데 이때 팽창비가 한도를 넘어 커지면, 외기 압력 때문에 가스 유동이 노즐 안에서 분리되고, 복잡한 비정상 진동이 발생한다. 때로는 노즐 구조물이 손상을 일으키기도 한다. 다만 노즐 출구 직전의 가스 압력이 외기 압력보다 조금 낮다고 바로 박리가 일어나는 것은 아니다. 유동 박리는 매우 복잡한 유체역학 현상이다.

 

이런 이유로 대기압을 받는 지표에서 점화하는 엔진 노즐의 팽창비는 너무 크게 만들 수 없으며, 그만큼 추진성능도 제약을 받는다.

 

우주로켓이 리프트오프 상승 비행할 때, 지상에서 점화된 엔진의 추진성능(추력, 비추력)은 고도에 따라 변화한다. 지표(해수면 위)의 엔진 성능은 진공 상태의 성능과 비교하면 약 20% 떨어진다. 성능 감소율은 엔진 회사마다 다르지만, 보통 우주로켓에서 비슷한 성능 감소는 불가피하다.

 

[우주로켓] 비행 단계와 추진 시스템