고체로켓의 연소관

1) 연소관의 재료

연소관은 고체 추진제의 저장 용기인 동시에 연소실이다. 연소관은 연소압력으로 발생한 하중을 견디는 압력 용기인 동시에 추력을 코어 기체나 상단에 전달한다. 연소관의 재료는 높은 비강도(인장 강도/비중)와 높은 강성을 가지는 것이 필요하다. 기존에는 고장력강이나 티타늄 합금 등의 금속 재료를 주로 사용했지만, 최근에는 무게를 줄이려고 복합재료를 많이 사용한다.

 

 

금속 재료는 복합재료와 비교하여 고온에서 사용할 수 있으므로 연소관의 단열재 두께가 얇다. 집중 하중이 발생하는 부분은 두께를 증가시킬 수 있다. 대형 고체로켓의 연소관은 가공성이나 비용을 고려하여 고장력강이 많이 사용되었다. 티타늄 합금은 비강도 및 내열, 내식성이 우수하지만, 가공이 어렵고, 소재가 비싸므로 구조 성능이 까다로운 상단의 소형 로켓에 사용하였고, 대형 로켓에서는 사용하지 않는다.

 

 

탄소섬유강화 플라스틱(CFRP) 등의 복합재료는 금속보다 비강도가 높아서 대형 로켓 연소관의 경량화에 공헌하였다. 한편, 열에 약하고, 고온 내성(사용할 수 있는 온도 범위)은 금속보다 상당히 낮다. 현재 많이 사용되는 에폭시 계열의 CFRP는 유리전이온도가 100~150℃로 낮아서 온도 범위를 넘어가면 강도 특성이 저하되어 구조물로 사용할 수 없다. 또한, 강성이 너무 낮아서 고압으로 연소할 때, 연소관이 변형하는 단점도 있고, 집중 하중에 약한 것도 약점이다.

 

 

유리전이온도: 플라스틱은 저온에서는 딱딱한 유리 형태의 중간체지만, 가열을 계속하면, 좁은 온도 범위에서 갑자기 유동성이 증가하고 연질의 고무가 된다. 이 상태의 변화가 유리 전이이며, 이 변화가 일어나는 온도가 유리 전이 온도이다. 이같이 고분자 화합물은 녹는점과 끓는점 외에 유리 전이점을 가지고, 유리 전이 온도보다 높아지면 강도 부재의 기능을 잃게 된다.

 

2) 단열재와 라이너

연소관은 연소실이고, 연소실의 내부는 연소가스 때문에 고온, 고압이 된다. 따라서 연소관의 열전달을 제한해서 온도 상승을 억제하려고, 추진제와 연소관 사이에 일정한 두께의 단열재를 넣는다. 연소관과 단열재 사이에는 라이너(Liner)를 붙여서 서로 접착을 더 공고히 할 수 있다.

 

단열재와 라이너는 난연성으로 열전도율이 낮고, 접착성이 좋은 합성 고무 등의 고분자 재료를 사용한다. 고체 추진제, 단열재, 연소관 내부의 각층 사이에 틈이 있으면 그곳에 화염이 들어가서 이상 연소를 유발할 수 있으므로 라이너는 좋은 접착력이 필요하다. 최근에는 접착성이 우수한 단열재가 실용화되어 고체로켓에서 라이너를 이용하지 않는 경우가 많아졌다.

 

3) 점화장치

점화장치는 여러 유형이 있지만, 대표적인 것은 화공품이다. 전기에너지로 발열하여 기폭하면 1차 점화약, 이어서 주 점화약이 연소하고, 연소가스의 분출로 고체로켓 본체는 그레인 표면에서 연소를 시작한다. 보통 점화장치는 연소관 전방에 장착하지만, 소형 고체로켓은 구조 성능을 높이려고 노즐 부근에 설치할 수도 있다.

 

파이로젠 점화기

 

[우주로켓] 고체로켓의 노즐