액체로켓 엔진이란?

우주로켓에 사용하는 이원(bi-propellant) 액체로켓 추진 시스템은 산화제와 연료를 서로 다른 탱크에서 엔진 연소실에 보내는 것으로 추진제 탱크(산화제 탱크와 연료 탱크), 추진제 공급 시스템, 연소실(분사기, 점화기, 냉각장치를 포함) 및 노즐로 구성된다. 여기서 추진제 공급 시스템의 일부(터보 펌프), 연소실, 노즐을 합쳐서 엔진(Engine)이라고 한다.

 

RS-25 engines

 

RS-68 engines

 

여기서 혼란을 피하려면 엔진과 노즐의 정의와 실제 하드웨어의 차이를 확인하는 것이 필요하다. 좁은 의미에서 연소실과 노즐을 통틀어 ‘엔진’이라고 한다. 노즐은 연소실에서 노즐 출구까지 수렴관, 노즐목, 팽창관을 결합한 구조물이다. 실제 하드웨어는 노즐목 약간 하류부의 노즐 팽창비가 비교적 작은 부분까지 연소실로 제조하고, 노즐의 팽창관을 체결한다.

 

보통 액체로켓은 고체로켓보다 구조가 복잡하고 부품 수가 많아서 발사 정비 작업이 오래 걸리지만, 로켓이 커질수록 구조 성능이 향상된다.

 

 

또한, 추진제 탱크는 액체로켓의 주요 구성 부품이며, 추진제의 저장뿐만 아니라 로켓 기체의 주요 구조물로서 다양한 기능이 있다.

 

1) 재점화 기능

액체로켓은 비행 중에 연소를 중단하고 추력을 중단할 수 있으며, 필요에 따라 다시 점화해서 추력 비행할 수 있다. 가령 비행 중인 로켓이 목표 궤도 조건을 충족하면 바로 연소를 정지하고 페이로드를 목표 궤도에 정확하게 투입하는데, 이것은 ‘연소 중단’으로 가능하다. 또한, 재점화 기능은 적도에서 어느 정도 떨어진 위도의 발사점에서 정지위성을 발사할 때 그 진가를 발휘한다.

 

V2 로켓 엔진의 이중벽 구조

 

2) 로켓 비행 방향 변경

우주로켓은 탑재한 페이로드를 목표 궤도에 정확하게 투입하려고 유도 제어 기능을 이용하여 시시각각 기체 자세를 바꾸고 비행 방향을 변경한다. 그래서 로켓 엔진 추력 방향을 자유롭게 변경해야 한다. 이것이 추력방향제어(Thrust Vector Control: TVC) 장치이다. 지금까지 다양한 TVC 방식을 고안하고 개발했지만, 현재는 짐발(Gimbal) 방식이 일반적이다. 로켓의 동력 구조물을 짐발 기구로 지탱하고, 연소실 머리 부분의 어떤 점(짐발점)을 중심으로 회전하여 추력 방향을 바꾸는 구조이다.

간단한 3축 짐벌 세트

 

3) 짐발 추력 방향 제어

액체로켓에 사용하는 2축 짐발 기구는 동력 구조물과 로켓 기체 본체가 직교하고, 2축 방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 조합한 기계 구조이다. 유압이나 전기 구동기를 사용하여 2축 방향으로 회전시키면, 엔진은 기체 주축을 기준으로 어떤 지점으로 짐발점을 기울어지면서 엔진 추력 방향이 바뀐다. 그러면 로켓 기체는 중심 방향의 피치(Pitch, 상하 회전) 및 요(Yaw, 좌우 회전)의 모멘트를 얻고, 기체의 2축 방향으로 자세를 바꾼다. 이것을 수평 유지 자세 제어라고 한다. 이 제어방법은 추진제 탱크에서 연소실로 이어지는 추진제 공급 시스템의 배관을 유연하게 하고 동력 구조물의 움직임을 방해하지 않도록 할 필요가 있지만, 간결하고 비교적 큰 각도까지 추력방향제어(TVC)가 가능하므로 많이 사용한다.

 

움직이는 다축 추력 벡터링 엔진 노즐

 

한편 기체 주축 회전의 롤(Roll, 롤링) 제어는 기체 양옆에 장착한 한 쌍의 고체로켓 또는 기체 주축으로부터 떨어진 기체 경계부에 설치된 한 쌍의 소형 액체 보조 로켓으로 제어한다.

 

[우주로켓] 추진제의 이송과 공급