비행 단계와 추진 시스템

우주로켓이 지상에서 저고도 위성 궤도에 도달하는 비행은 2단계가 있으며, 각각 뚜렷한 특징을 가지고 있다. 2단계의 특징과 그 단계에 적합한 추진 시스템을 비교한 것이다.

비행 단계/작동 로켓의 단		부스트 단계 /1단 및 보조 부스터	수평 가속 단계 /상단(2단, 3단)
각 단 추진 시스템의 역할		로켓 기체를 지상에서 실질 대기층을 넘는 고도까지 올린다.	2단 이상의 로켓 기체를 궤도속도까지 올린다.
비행 단계의 특징	비행 상하각	크다.	작다.
	중력 손실	크다.	작다.
	공기 손실	크다.	거의 제로
바람직한 추진성능	추력	크다.	작다.
	비추력	중간 정도 (높은 비추력이 필요 없음)	높다.
	추진제 밀도	크다.	특히 제약 없다.
	질량비	크다.	크다.
최적 로켓(최적화 추진제)		· 고체로켓 · 액체로켓(액체산소/케로신)	· 액체로켓(액체산소/액체수소)

 

 

1) 부스트 단계의 추진 시스템

부스트(Boost) 단계의 비행은 중력과 공기의 저항으로 손실이 크므로, 추력이 크고, 구조물의 부피가 작은 추진 시스템이 가장 좋다. 다시 말하면, 가속 성능이 가장 중요하고, 비추력이 높은 엔진이 필수는 아니다. 고체로켓은 추진제 밀도가 높아서 단시간에 큰 추력을 만들 수 있으므로 부스트 단계에서 가장 적합한 추진 시스템이다. 액체로켓에서는 액체산소/케로신이 최적이다.

 

액체산소/액체수소의 조합은 1단 로켓 엔진에 적합하지 않다. 왜냐하면, 액체수소는 비중이 0.07(케로신의 약 1/11)로 매우 가벼운 액체이므로, 비추력은 높지만, 추진제 탱크의 부피와 질량이 커지기 때문에 탱크의 질량은 액체산소/케로신보다 약 세 배이다. 가령 1단으로 액체수소/케로신을 이용한 H-1 로켓 전체의 질량비는 페이로드 없이 10.0이지만 1단계에 액체산소/액체수소를 이용한 H-2A 로켓의 전체의 질량비는 7.5이며, 구조 성능이 매우 나쁘다.

 

한편 우주왕복선, 아리안 5 로켓, 일본의 H-2 계열의 로켓처럼 1단에서 액체산소/액체수소 엔진을 이용하는 사례가 많은 것은 엔진 비추력이 높은 것 외에 배기가스가 깨끗하다는 이유가 있을 수 있다. 어쨌든 앞서 언급한 우주로켓은 모두 고체로켓 부스터를 보조로 사용하여 액체산소/액체수소 엔진의 단점을 보완하였다.

 

 

2) 수평 가속 단계의 추진 시스템

상단 로켓에서 사용하는 수평 가속(Sustain) 단계의 비행은 공기저항으로 생기는 손실이 매우 작다. 이 단계는 비추력이 높은 추진 시스템이 적합하다. 그래서 액체산소/액체수소 엔진이 가장 좋다.

 

Explanatory graphic of Falcon 9's first stage barge landing

 

3) 미래의 1단 로켓 추진제

다른 관점에서 장래의 우주로켓에서 채용할 액체 추진제와 고체로켓을 생각해보자. 고체로켓은 비행하면서 대량의 염산과 알루미나(산화알루미늄: Al₂O₃)를 공기 중에 배출할 수 있다. 환경 문제 때문에 우주 수송 시스템에서 고체로켓을 사용하지 않고, 모든 단계에 액체로켓을 이용하는 방안이 우세하며, 1단 액체로켓의 연료는 액체수소보다 케로신이 적합하다.

 

발사체 비교

 

[우주로켓] 액체로켓 엔진이란?