액체 추진제 탱크의 구조

보통 우주로켓 본체의 구조 질량 중 추진제 탱크가 대부분을 차지한다. 그래서 로켓 전체의 구조 성능을 향상하려면 탱크의 경량화가 필수이다.

 

1) 일체형 탱크

현재 우주로켓의 추진제 탱크는 원통 형상의 탱크 벽이 내압 하중과 비행 하중을 모두 부담하는 형태로 일체형 탱크(Integral Tank)라고 부른다. 탱크는 주로 구조물의 일부로서 추진제를 저장하는 공간을 제공할 뿐만 아니라 다양한 외력으로 발생하는 하중을 견디는 동시에 엔진 추력을 코어 기체의 상단에 전달한다. 현재 일체형 탱크의 구조 성능(질량 대비)은 매우 뛰어나며, 사용 재료의 강도, 강성 특성은 거의 한계에 가깝다. 추진제 탱크는 몇 기압의 하중을 받는 용기이므로 기밀성도 필요하다. 액체산소와 액체수소 등의 탱크에서는 비행 중에 상당량의 액체가 기화한 가스를 탱크 꼭대기의 배기 밸브에서 기체 외부로 배출하고, 탱크 안의 압력을 일정하게 유지하면서 동시에 액체 추진제의 온도 상승을 막는다.

 

2) 산화제 탱크와 연료 탱크

일체형 탱크의 구조는 얇은 원통에 상하 양쪽 끝에 반구형 돔을 씌우고 접합하는 형태가 보통이지만, 산화제 탱크와 연료 탱크를 격벽을 이용하여 조합하는 방식으로 ‘독립’ 격벽과 ‘공통’ 격벽으로 크게 구별한다. 우주로켓의 １단 로켓 등 대형 액체로켓은 보통 독립 격벽형 탱크를 이용한다.

 

한편 공통 격벽형 탱크는 자체 질량이 줄이는 장점이 있으므로 발사 능력 향상에 대한 기여도가 큰 상단 로켓에 이용된다. 하지만 보통 산화제와 연료의 액체 온도가 달라서 서로 열전달이 발생하므로 격벽에 단열을 조치해야 한다. 이것은 끓는점이 다른 산화제와 연료가 얇은 금속 벽 한 장으로 나누어져 있을 때, 열의 이동이 일어나 저온의 액체가 증발하여 고온의 액체가 응고하는 등의 현상이 일어나는 것을 피하려는 것이다. 또 양측 탱크에서 압력의 차이로 격벽이 ‘유해변형’ 또는 ‘좌굴’이 발생하지 않도록 주의해야 한다. 그러므로 로켓 발사 전의 추진제 주입 작업 때는 두 탱크의 압력 차이를 정확하게 조절할 필요가 있으므로 작업 현장의 부담이 매우 크다. 최근에는 상단 로켓에도 독립 격벽형 탱크를 이용하는 경우가 많아졌다.

 

3) 탱크의 구조

모노코크형 탱크는 달걀 껍데기처럼 껍질 (Skin) 만으로 하중을 견디는 모노코크 (Monocoque) 방식이 있으며 , 소형 탱크에 많이 이용한다 . 탱크에 작용하는 하중 중에서 압력 하중이 가장 클 때 경량화 관점에서 모노코크형이 가장 유리하다 . 또 비교적 저가로 강도 특성이 뛰어난 스테인리스강 판재 1 장을 가공 ( 성형 및 용접 ) 할 수 있지만 긴 원통 형상인 대형 탱크에서는 불리하므로 보통 사용하지 않는다 . 대형 탱크는 초기 아틀라스 로켓의 1 단 탱크에서 사용했다 .

 

세미 모노코크 (Semi-Monocoque)형 은 외판에 다른 강도 부재를 추가 배치한 것으로 대형 탱크를 비롯하여 항공우주 분야의 구조물에 널리 이용된다 . 이 양식은 다시 다음의 양식으로 분류할 수 있다 .

 

① 스킨 스트링거 프레임 (Skin-Stringer-Frame) : 외판 ( 스킨 ), 스트링거 및 프레임으로 구성되며 , 각각 역할을 분담하고 , 하중이 할당된 구조이다 . 외판은 내부 압력 때문에 발생한 인장 하중을 , 스트링거는 압축 하중을 분담하고 , 프레임은 단면 형상을 유지한다 . 이 형식은 많은 대형 액체로켓 탱크에서 사용한다 . 항공기의 동체 구조는 기본적으로 이 방식을 이용한다 .

 

② 와플 (Waffle) : 삼각형 또는 사각형 격자의 외측에 얇은 외판을 배치한 것으로 , 문틀과 비슷한 구조이다 . 일체 절삭 기계 가공으로 제작한다 . 최근 사각형 와플 구조를 사용하는 사례는 사라졌다 .

 

③ 아이소 그리드 (Isogrid) : 와플 구조이지만 , 격자 모양이 정삼각형인 것을 아이소 그리드라고 부른다 . 미국에서 실용화된 것으로 , 델타 로켓에서는 40 년 이상 1 단 탱크에 사용했다 .

 

4) 탱크 구조의 선택

탱크의 구조 양식으로, 모노코크나 세미 모노코크 중에서 하나를 선택해야 할 때 로켓이 받는 하중의 종류와 크기에 근거하여 경량 구조와 제조 난이도에 중점을 두고 결정한다.

 

보통 로켓 기체가 비행 중에 받는 하중은 내압 하중 이상으로 ‘축 방향의 압축력’이나 ‘휨’이 크며, 이 경우 경량화 관점에서 세미 모노코크 방식이 가장 유리하다.

 

우주개발 초기 미국의 아틀라스 로켓은 탱크의 내압을 올려서 ‘내압 하중’이 ‘압축력 + 휨’보다 크도록 설계하고, 1단 탱크에 모노코크 양식을 채용했다. 얇은 스테인리스강 바깥의 판 두께에 (하중의 크기에 거의 비례하고) 하부로부터 위쪽으로 향하도록 제작했다. 테이퍼를 붙이고 모노코크 양식으로 만들어서 비어있는 상태에서는 좌굴이 발생하거나 파손하진 않지만 ‘자립’하지 못한다. 작업 중에는 항상 탱크 안에 불활성 가스를 채우고 내압을 걸어 둔다. 그래서 ‘가압 안정형 탱크’로 불리며, 미국이 우주개발 전성기에 경량화의 극치를 추구한 ‘걸작’이었다.

 

그 무렵은 세미 모노코크를 일체 절삭하는 기계 가공 기술이 아직 미숙했다는 것을 고려해야 한다. 하지만 가압 안정형 탱크는 공장이나 발사장에서 작업이 몹시 어려웠고, 운용비용도 매우 많이 들었다. 전체적으로 걸작인지 아닌지는 전문가 사이에서도 평가가 엇갈렸다. 2002년부터 운영에 들어간 아틀라스 5 로켓의 1단 탱크는 알루미늄 합금의 아이소 그리드 양식을 사용했다.

 

현재 와플 구조에서는 거의 예외 없이 아이소 그리드가 이용되고 있다. 이것은 강도, 강성 특성이 균형성을 더 하는 장점 때문이다. 응용 범위가 넓고 로켓의 탱크뿐만 아니라 아폴로계획 종료 후 1970년대 초기에 발사된 미국 최초의 우주 실험실 ‘스카이랩 (Skylab)’ 내부에도 이용되었다.

 

 

탱크 외의 구조물 구조 양식은 하중의 종류와 크기에 따라 다르지만, 제조가 쉬운 스킨 스트링거 프레임 양식을 많이 선택한다.

 

4) 탱크 제조법

아이소 그리드형을 사용한 대형 액체로켓 탱크를 제조할 때 ‘알루미늄 합금을 일체 절삭하는 세미 모노코크 가공 기술’을 이용한다. 우선 일정한 두께를 가진 알루미늄 합금의 평판에서 컴퓨터 제어로 정삼각형 패턴의 격자와 얇은 표피(외판부)를 남기고 깎아 낸 뒤 판에 일정한 곡률로 붙인 뒤 여러 장을 원주 방향으로 용접 접합하고 탱크 원통을 만든다. 이 원통의 상하 방향에서 반구형 돔을 접합하고 탱크를 완성한다.

 

저온 추진제 탱크의 외부 표면에 단열재를 붙이고, 외부에서 유입되는 최대한 열을 막는다. 왕복선 외부 탱크들은 발포 플라스틱 단열재를 탱크의 외면에 불이고 마무리한다. 그래도 비행 중에 상당량의 극저온 액체, 특히 액체수소가 증발하는 것은 불가피하다.

 

액체로켓 추진제 탱크를 만들 때 구조물은 용접으로 결합한다. ‘유출’하면 안 되기 때문에 용접성이 뛰어난 알루미늄 합금을 사용한다. 한편 항공기의 날개나 동체는 강도 특성이 뛰어난 알루미늄 합금을 사용하지만, 이 합금은 용접성이 좋지 않아 리벳으로 결합한다.