우주로켓의 골격

구조역학이나 재료역학을 설명하려면 전문용어를 사용해야 하므로, 이 장에서는 용어를 먼저 설명한다. 하중(Load)은 로켓의 동체에 작용하는 외력의 형태에 따라 인장력, 압축력, 전단력, 휨(bending) 등이 있다. 응력(Stress)은 하중을 받는 물체 내부에서 생기는 단위 면적당 저항력이고, 강도(Strength)는 하중을 받는 물체가 감당하는 능력이며, 구조 강도와 재료 강도가 있다. 강성(Stiffness)은 유연성의 반대말로 하중이 작용할 때 물체가 변형하기 어려운 성질이다.

 

1) 구조 시스템의 역할

우주로켓은 위성을 비롯한 엔진의 추진제 탱크, 페어링 등의 구조물, 유도 제어 및 계측 통신을 위한 전자 기기와 많은 추진제를 탑재하고 비행한다. 로켓의 구조 시스템은 사람의 골격에 해당하며, 3가지 기능이 필요하다.

 

① 추진제를 포함한 모든 부품을 탑재하므로 열, 진동 등의 외부 환경으로부터 모든 부품을 보호할 필요가 있다.

 

② 지상에서나 비행 중에 발생하는 외력을 견뎌야 한다. ‘외력을 견딘다.’라는 것은 최대 하중을 받아도 변형이나 파괴가 발생하지 않는다는 것이다.

 

③ 주요 기능은 엔진 추력을 코어 기체에 전달하고, 로켓 기체의 가속 비행을 유지하는 것이다.

 

우주로켓 발사 때의 전체 질량 중 구조 질량의 비율은 10~15%에 불과하다. 나머지는 대부분 추진제이다. 로켓의 기체는 이 정도의 경량 구조이지만 지상이나 비행 중에 받는 모든 하중을 견뎌야 한다. 당연히 기체 전체의 구조 설계와 재료의 선택은 특별한 주의가 필요하며, 설계의 타당성은 개발 과정에서 반드시 시험으로 검증해야 한다.

 

유해변형: 항공우주 분야의 구조 설계에서 ‘구조물의 기능을 상실시키는 변형’이다. 구체적으로 구조물이 인장 하중 또는 압축 하중을 받았을 때 0.2%의 영구 변형을 일으키는 항복(Yield)을 의미한다. 이 유해변형에는 재료의 항복이 없을지라도 여러 구조물의 상호 간섭을 일으키는 과대한 변형이나 변위를 포함할 수 있다.

 

2) 로켓의 형상과 구성

로켓 본체는 가늘고 얇은 원통 모양이며, 세장비(slenderness ratio)는 전체 길이와 동체 지름의 비율로 10~15 정도이다. 첨단 부분은 뾰족한 원뿔 모양도 있지만, 다단식의 우주로켓은 예외 없이 둥근 머리 형상이다. 또한, 기체 동체는 아래에서 １단, 2단으로 쌓는다.

 

 

로켓이 첨단(尖端) 부분을 제외하고, 원통형의 기다란 동체인 이유 중에서 첫 번째는 이 형상이 비행 중에 받는 큰 압축력과 추진제 탱크 내부의 압력을 견딜 수 있는 강도, 강성 특성이 뛰어나기 때문이다. 두 번째는 우주로켓이 발사 직후 한동안 수직에 가까운 자세로 비행하는데, 이때 기체의 공기저항을 되도록 작게 하여 빨리 대기층을 벗어나려면 세장비가 큰 형상이 가장 유리하기 때문이다. 세 번째는 다단식 로켓에서 임무를 마친 구조물을 순차적으로 분리하고 투기하려면 하단에서 상단까지 분리 순서대로 쌓기 때문이다.

 

 

대부분 대형 우주로켓은 액체로켓을 중심으로 2단 또는 3단으로 구성한 로켓이다. 기체는 추진제 탱크, 엔진부(엔진 추력을 핵심 기체에 전달하는 구조), 각 단을 연결하는 연결부, 위성 페어링, 전자 탑재부 등의 구조로 구성한다. 2단 기체에 위성 분리부를 설치하고, 여기에 위성과 탐사선을 탑재한다.

 

3) 코어 기체와 보조 로켓

‘코어(Core) 기체’는 각단 로켓 엔진의 추력을 직접 페이로드에 전달하고 가속하는 기체이다.

 

코어 기체는 각 단계 비행의 전체 추력과 공력 하중 등을 부담하는 기체가 비행을 가속하는 것으로 마지막에는 추력을 페이로드에 전달한다 . 특히 1 단 코어 기체는 상단 로켓과 페이로드를 가진 채 1 단 엔진의 추력과 보조 로켓의 추력을 전담하므로 대단히 큰 압축력을 버텨야 한다 . 여기서 ‘ 외부 부착 방식 ’ 의 보조 로켓은 자신의 발생 추력을 코어 기체에 전달할 뿐 다른 하중을 부담하지는 않는다 .

 

4) １ 단 액체로켓과 고체 보조 로켓의 조합

우주로켓은 부스터 단계에서 가장 큰 추력이 필요하다 . 보통 이 단계가 종료할 때까지 분리 , 투기하는 부분의 질량은 로켓 전체 질량의 약 90% 정도이다 . 그러므로 1 단과 고체 보조 로켓의 조합은 로켓 전체의 성격과 발사 성능을 결정한다 .

 

가장 단순한 형식은 하나의 액체로켓을 지상 점화 로켓 (1 단 ) 으로 이용하는 것이며 , 이 형식을 채용하는 경우가 많다 . 1 단 액체로켓의 주위에 몇 개의 소형 보조 로켓을 설치한 방식은 왕년의 델타 로켓 기술을 도입한 N-l, N-2 및 H-1 의 실용 로켓에서도 채용됐다 . 페이로드 질량이 일정 범위에서 증감할 때 , 보조 로켓의 수를 바꿔서 조정할 수 있는 이점이 있다 .

 

코어 기체인 1 단 액체로켓의 양옆에 한 쌍의 대형 고체로켓을 배치한 조합은 미국 공군의 타이탄 로켓에서 처음으로 실용화되었다 . 그 뒤 우주왕복선 , H-2 로켓 , 아리안 5 로켓으로 이어졌다 .

 

대형 고체 보조 로켓은 고체로켓 부스터 (Solid Rocket Booster: SRB) 라고 부르는 경우가 많다 . SRB 의 추력이 코어 기체의 추력보다 큰 경우라도 그 역할은 핵심인 １ 단 액체로켓의 추력을 보강하는 ‘ 보조 ’ 로켓이다 .

 

5) 위성 페어링

주요 구조물 중 ‘위성 페어링’은 단순히 페어링(pairing)이라고 하며, 코어 기체는 아니지만, 매우 중요한 구조물이다. 페어링은 로켓이 대기층을 비행할 때 공력 하중, 공력 가열 및 음향 진동 등으로부터 위성을 보호할 뿐만 아니라 공기 중에 포함된 물방울과 모래 먼지 등으로부터도 보호한다.

 

로켓은 보통 공기저항을 감소시키려고 머리와 아랫부분을 기체의 축 방향에 따라 유선형으로 제작한다. 이 머리 부분에 일정한 공간을 확보하고, 거기에 위성을 탑재한다. 위성을 탑재하는 이용자 측면에서 탑재할 수 있는 부피가 클수록 바람직하다. 그래서 페어링 지름이 코어 기체의 지름을 넘는 것도 있다. 대형 로켓의 페어링은 대형의 얇은 구조물이 아닐 수 없지만, 비행 중에 받는 공력, 엔진 추력, 음향 진동 등을 견딜 수 있도록 강도와 강성을 가지는 것이 필요하다. 또 비행 중에 변형이나 진동이 발생하여 위성이 페어링 벽면과 접촉하는 것을 피해야 하므로 위성의 최대 외경과 벽면의 사이에 일정한 틈을 유지하는 것도 필수 요건이다.

 

비행 중 로켓 선단(先端)에 유입되는 공력 가열을 제한하고, 페이로드를 일정 온도 이하로 유지해야 하므로, 페어링 머리를 둥근 형상으로 만든다.

 

로켓이 대기층을 뚫고 공기의 영향, 특히 공력 가열의 영향을 무시할 수 있는 고도에 이르면, 페어링을 열고, 위성을 분리해서 궤도에 투입하는 것을 대비한다.

 

현재의 페어링은 알루미늄 합금, 복합재료 등을 이용한 모노코크, 세미 모노코크, 또는 허니콤(honeycomb) 샌드위치 구조가 많다.

 

[우주로켓] 액체 추진제 탱크의 구조