고체로켓의 노즐

1) 노즐의 재료

고체로켓의 연소가스는 연소실 내에서 3,000℃ 이상의 고온이 된다. 게다가 연소가스 중에는 노즐 벽에 대한 침식 작용이 강한 알루미나(Al₂O₃)가 포함되어 있다. 그래서 노즐은 그 각 위치의 열 환경에 따라 여러 가지 복합재료(CFRP, GFRP 등)를 조합하여 제조하고, 삭마냉각을 이용하여 노즐 구조를 연소가스로부터 보호한다.

 

특히 열전달이 최대가 되는 노즐목(throat)은 고온 강도가 우수하고, 침식에 강한 흑연(Graphite)이나 탄소/탄소(모재)의 탄소와 강화제의 탄소 섬유로 구성된 복합재료) 등을 사용한다. 

 

노즐 내벽의 표면은 연소가스와 고온의 액체 상태인 알루미나의 침식 작용을 받아 시간이 지나면서 마모가 발생하고, 노즐 목의 단면적이 점차 확대한다. 연소 종료 시의 내벽 표면은 요철이 심해진다.

 

복합재료로 만든 노즐 벽은 연소 종료 후에도 일정 두께의 미반응 층을 남기고, 구조는 충분한 강도를 가져야 한다. 보통 침식의 영향을 가장 강하게 받는 노즐목의 단면적 증가는 최대 5% 이하로 억제하는 것이 바람직하다.

 

이런 격렬한 연소 특성에서 고체로켓의 노즐은 콘(cone) 형상으로 하는 것이 보통이지만, 구조물의 질량 증가를 억제하려면 팽창비를 너무 크게 만들 수 없다. 따라서 고체로켓의 비추력이 액체로켓과 비교하여 떨어진다.

 

새로운 고체로켓의 노즐을 설계할 때 여러 번 연소 시험으로 노즐 벽의 마모 데이터를 상세하게 분석, 평가해야 한다. 

 

2) 가동 노즐

현재 대형 고체로켓 자세 제어는 가동 노즐을 사용한 추력 벡터 제어방법을 사용한다. 금속판 및 합성 고무를 쌓아 적층 구조를 만들고, 이것을 노즐 외벽과 연소관 사이에 끼워 구동기로 노즐 벽을 움직이는 것이다. 실제 적층 구조를 노즐 외벽 주위에 설치하여 직교하여 2축 구동기를 작동시켜서 노즐 본체가 움직이게 한다.

 

 

[우주로켓] 고체 추진제 및 추력 패턴