이원(Bi-propellant) 액체로켓 추진 시스템

시스템 개요

우주로켓에 사용하는 이원(bi-propellant) 액체로켓 추진 시스템은 산화제와 연료를 서로 다른 탱크에 저장하여 엔진 연소실로 공급하는 방식이다. 주요 구성 요소는 다음과 같다.

• 추진제 탱크 — 산화제 탱크와 연료 탱크
• 추진제 공급 시스템 — 탱크에서 연소실까지 추진제를 전달
• 연소실 — 분사기, 점화기, 냉각장치 포함
• 노즐 — 연소 가스를 고속으로 분출

이 중 터보 펌프(추진제 공급 시스템의 일부), 연소실, 노즐을 합쳐 엔진(Engine) 이라고 부른다.

엔진과 노즐의 정의

용어 혼란을 피하기 위해 엔진과 노즐의 정의를 명확히 할 필요가 있다.

• 좁은 의미의 엔진: 연소실과 노즐을 통틀어 지칭
• 노즐: 연소실 출구에서 노즐 출구까지 이어지는 수렴관 → 노즐목 → 팽창관이 결합된 구조물

실제 하드웨어에서는 노즐목 약간 하류부, 즉 팽창비가 비교적 작은 부분까지는 연소실로 제조하고, 그 이후의 팽창관 부분을 별도로 체결하는 방식을 취한다.

액체로켓의 특성

액체로켓은 고체로켓에 비해 구조가 복잡하고 부품 수가 많아 발사 정비 작업이 오래 걸리는 단점이 있다. 그러나 로켓 규모가 커질수록 구조 성능이 크게 향상되는 장점이 있다.

 

또한, 추진제 탱크는 단순한 저장 용기를 넘어 로켓 기체의 주요 구조물로서 다양하고 핵심적인 기능을 수행한다.

추진제 탱크의 주요 기능

1) 재점화 기능

액체로켓은 비행 중 연소를 중단하여 추력을 끊었다가, 필요한 순간에 다시 점화하여 추력 비행을 재개할 수 있다. 이 기능은 두 가지 상황에서 특히 유용하다.

• 정밀 궤도 투입: 목표 궤도 조건이 충족되는 순간 즉시 연소를 정지하여 페이로드를 목표 궤도에 정확히 투입하는 '연소 중단' 기동
• 정지위성 발사: 적도에서 떨어진 위도의 발사장에서 정지위성을 발사할 때, 재점화 기능이 진가를 발휘하여 다단계 궤도 전이를 수행

2) 로켓 비행 방향 변경 — 추력방향제어(TVC)

우주로켓은 페이로드를 목표 궤도에 정밀하게 투입하기 위해 유도 제어 기능으로 시시각각 기체 자세를 바꾸며 비행 방향을 조정한다. 이를 위해 엔진의 추력 방향을 자유롭게 변경할 수 있어야 하는데, 이것이 바로 추력방향제어(Thrust Vector Control, TVC) 장치이다.

 

다양한 TVC 방식이 개발된 가운데, 현재는 짐발(Gimbal) 방식이 표준으로 자리 잡았다. 이는 로켓의 동력 구조물을 짐발 기구로 지탱하고, 연소실 머리 부분의 짐발점을 중심으로 회전시켜 추력 방향을 바꾸는 구조이다.

3) 짐발 추력방향제어의 원리

액체로켓에 사용되는 2축 짐발 기구는 동력 구조물과 로켓 기체 본체가 직교하며, 두 축 방향으로 자유롭게 회전할 수 있도록 설계된 기계 구조이다.

구동 방식	설명
유압 구동기	유압을 이용해 2축 방향으로 회전
전기 구동기	전기 모터를 이용해 2축 방향으로 회전

 

구동기가 짐발점을 기울이면 엔진 추력 방향이 변하고, 로켓 기체는 다음 두 가지 회전 모멘트를 얻는다.

• 피치(Pitch): 기체의 상하 회전
• 요(Yaw): 기체의 좌우 회전

이를 통해 2축 방향 자세 제어(수평 유지 자세 제어) 가 가능하다.

 

이 방식은 추진제 공급 배관을 유연하게 설계하여 동력 구조물의 움직임을 방해하지 않도록 해야 하지만, 구조가 간결하고 비교적 큰 각도까지 TVC 제어가 가능하여 널리 채용된다.

롤(Roll) 제어

기체 주축 회전인 롤(Rolling) 제어는 짐발 방식만으로는 어렵기 때문에 별도 수단을 사용한다.

• 기체 양옆에 장착한 한 쌍의 고체로켓
• 기체 경계부에 설치된 한 쌍의 소형 액체 보조 로켓

이 두 가지 방식 중 하나로 롤 방향 자세를 독립적으로 제어한다.

 

움직이는 다축 추력 벡터링 엔진 노즐