[우주로켓] 우주로켓의 비행 단계와 추진 시스템

Explanatory graphic of Falcon 9's first stage barge landing

 

우주로켓이 지상에서 저고도 위성 궤도(LEO)에 도달하는 과정은 크게 두 가지 비행 단계로 나뉘며, 각 단계는 전혀 다른 물리적 환경과 요구 조건을 가진다. 따라서 각 단계에 최적화된 추진 시스템도 달라진다.

비행 단계별 특성 비교

항목	부스트 단계 (Boost Phase)	수평 가속 단계 (Sustain Phase)
작동 로켓	1단 및 보조 부스터	상단 (2단, 3단)
역할	지상 → 실질 대기층 이상의 고도	궤도 속도까지 가속
비행 상하각	크다	작다
중력 손실	크다	작다
공기 저항 손실	크다	거의 제로
필요 추력	크다	작다
비추력(Isp)	중간 수준	높아야 함
추진제 밀도	높아야 함	특별한 제약 없음
질량비	크다	크다
최적 추진 시스템	고체로켓, 액체산소/케로신	액체산소/액체수소

1. 부스트 단계 — 추진 시스템

핵심 요구 조건

부스트 단계는 중력과 공기 저항으로 에너지 손실이 매우 큰 구간이다. 이 단계에서 가장 중요한 것은 짧은 시간에 강한 추력을 내는 것이며, 비추력(연료 효율)은 상대적으로 덜 중요하다. 또한, 기체 부피를 줄이기 위해 추진제의 밀도가 높아야 한다.

최적 추진 시스템

• 고체로켓: 추진제 밀도가 높고, 단시간에 막대한 추력을 낼 수 있어 부스트 단계에 가장 이상적이다.
• 액체로켓 (액체산소 + 케로신): 밀도가 높은 케로신은 탱크 부피를 최소화하며 충분한 추력을 제공한다.

액체산소/액체수소가 1단에 불리한 이유

액체수소는 비중이 0.07로 케로신의 약 1/11에 불과하다. 비추력은 높지만, 부피와 탱크 질량이 크게 늘어나는 문제가 있다.

실제 사례 비교 H-1 로켓 (1단: 액체산소/케로신) → 전체 질량비: 10.0
H-2A 로켓 (1단: 액체산소/액체수소) → 전체 질량비: 7.5 ← 구조 성능 불리

예외 사례 — 그럼에도 액체수소를 쓰는 이유

우주왕복선, 아리안 5, 일본 H-2 계열 로켓은 1단에 액체산소/액체수소 엔진을 사용한다. 그 이유는 다음과 같다.

1. 높은 비추력 (연료 효율이 좋음)
2. 배기가스가 깨끗함 (수증기만 배출)

단, 이들 로켓은 모두 고체로켓 보조 부스터(SRB)를 추가하여 액체수소 엔진의 낮은 추진제 밀도라는 단점을 보완하고 있다.

2. 수평 가속 단계 — 추진 시스템

상단 로켓이 담당하는 수평 가속 단계에서는 이미 대기권을 대부분 벗어났기 때문에 공기 저항 손실이 거의 없다.

 

이 단계의 핵심은 비추력(Isp)을 최대화하여 연료를 효율적으로 사용하는 것이다. 따라서 비추력이 가장 높은 액체산소/액체수소 조합이 최적의 선택이다.

3. 미래의 1단 로켓 추진제 — 환경적 관점

고체로켓은 연소 시 대량의 염산(HCl)과 알루미나(Al₂O₃)를 대기 중에 방출하여 환경 오염 문제를 야기한다. 이에 따라 미래의 우주 수송 시스템 설계에는 다음과 같은 방향이 유력하게 논의된다.

• 고체로켓 사용을 지양하고 전 단계 액체로켓화
• 1단 액체로켓의 연료로는 액체수소보다 케로신이 더 적합

스페이스X의 팰컨 9(Falcon 9) 역시 1단에 케로신(RP-1) 기반의 멀린 엔진을 사용하며, 1단 부스터를 회수·재사용하는 방식으로 경제성과 환경성을 동시에 추구하고 있다.

요약

부스트 단계  →  추력 우선  →  고체로켓 / 액체산소+케로신
수평 가속 단계 →  효율 우선  →  액체산소+액체수소
미래 방향     →  환경 고려  →  전 단계 액체로켓 + 1단 케로신