무효 추진제란 무엇인가?

로켓에 탑재된 액체 추진제는 전량(100%)을 추진력 발생에 사용하는 것은 불가능하다. 아래와 같이 약간의 추진제가 역할을 못 하는 것은 불가피하다.

 

이륙 중인 델타 IV 헤비. 로켓은 액체 수소와 액체 산소 극저온 추진제로 완전히 연료를 공급받는다.

 

① 증발: 일부 액체 추진제는 리프트오프 전에 탱크에 충전된 직후부터 로켓이 비행할 때까지 증발한 기체는 탱크 상부의 통기밸브 등으로 방출된다. 극저온 추진제, 특히 액체수소의 증발량은 매우 많다.

 

② 가스 흡입 방지: 엔진 연소 종반에 잔량이 적어서 액체 추진제를 탱크에서 엔진으로 계속 보내면 탱크 바닥의 출구 부근에서 소용돌이가 발생하거나 액면의 요동으로 추진제 공급설비 배관에 탱크의 가압 가스가 흡입된다. 그러면 터보 펌프 파열이나 이상 연소가 일어나서 엔진의 손상을 초래한다. 이 문제점을 피하려면 산화제와 연료의 두 탱크 바닥의 조금 앞 벽면에 레벨 센서를 설치하고, 어느 한쪽의 감지기가 액면 통과를 검지했을 때, 추진제 공급을 멈추고 엔진 작동을 정지시킨다. 이것이 고갈 연소 정지이다. 또한 2단(상단) 로켓은 액면이 고갈 라인에 도달하기 전에 유도 지령에 따라 엔진 작동이 정지한다. 어떤 경우에도 탱크 내벽과 배관에 소량의 추진제가 남는다.

 

③ 1단 로켓의 연료 바이어스: 1단 로켓 엔진은 고갈 연소 정지가 원칙이지만 산화제와 연료 중 반드시 산화제 고갈로 연소를 정지시켜야 한다. 왜냐하면, 만약 연료가 먼저 고갈되고 나서 산화제(특히 액체산소)가 불씨가 남아있는 연소실에 들어가면 산화제는 주위의 금속 구조물과 급격한 연소 반응을 일으키면서 이상 연소하기 때문이다. 이런 위험성을 배제하려면 연료 탱크에는 미리 적정량보다 더 많은 연료를 주입한다. 이를 연료 편향이라고 한다. 이것도 무효 추진제이다.

 

④ 2단(상단) 로켓의 예비 냉각: 2단 액체로켓 엔진은 리프트오프에서 상당히 오랜 시간이 지나간 후에 점화된다. 재점화하는 경우가 많아 가동(연소)하지 않은 상태에서 대기하는 시간이 매우 길다. 그래서 특히 저온 추진제를 사용하는 엔진에서는 점화 직전의 짧은 시간 동안 일정량의 추진제를 배관에 흘려서 엔진 및 공급설비 배관을 미리 냉각해서 터보 펌프 안에 기화한 가스가 들어오는 것을 막는다. 이 예비 냉각 때문에 무효 추진제가 발생한다.

 

⑤ 무효 추진제의 양: 과거의 비행 결과에서 대략 산출하면 H-2 및 H-2A의 1단 로켓에 탑재된 액체산소/액체수소 중 ‘무효 추진제’는 1.2~1.3% 정도였다. H-2A 로켓 1단의 추진제 양은 약 100t이므로 무효 추진제 배출량은 1.2~1.3t이다. H-1 로켓 1단의 액체산소/케로신 추진제에서 무효 추진제는 약 0.7~0.8%였다. 액체산소/액체수소 로켓의 무효 추진제는 매우 많다.

 

추진제의 선택에서 무효 추진제 배출량을 충분히 고려해야 한다. 특히 액체산소/액체수소 엔진을 채용한다. 가까운 미래의 우주로켓 성능을 계산하면 1.5% 정도의 무효 추진제를 상황이나 조건을 가정하여 판정할 필요가 있다.

 

[우주로켓] 고체로켓의 구조