우주로켓의 구조 재료

현재까지 개발된 로켓 기체에 이용된 대표적인 재료를 소개한다.

 

① 알루미늄 합금: 로켓의 주요 구조물은 알루미늄 합금을 주로 사용한다. 그 이유는 경량으로 강도, 강성 특성이 뛰어나고, 비교적 저가로 입수할 수 있으며, 가공성이 뛰어나기 때문이다. 용접성이 뛰어난 알루미늄 합금은 액체로켓 탱크 제조에 사용한다. 고온에 약하다는 것이 단점이며, 150~170℃까지 사용할 수 있다. 온도가 더 올라가면 강도, 강성 특성이 저하되고, 구조물의 기능을 잃는다. 알루미늄 합금의 녹는점은 500~660℃이다.

 

우주왕복선 날개와 동체는 알루미늄 합금으로 제조되었지만, 대기권을 재돌입할 때 공력 가열로부터 기체를 보호하도록 모든 표면을 여러 종류의 내열 타일로 덮는다. 타일 일부가 탈락하면 표면이 고속, 고온의 공기 유동에 노출되어 구조 파괴에 이를 수 있다. 2003년 2월에 우주왕복선 콜롬비아의 사고에서 일어난 것이다.

 

알루미늄 합금은 극저온의 액체산소, 액체수소와 적합성이 좋아서 액체산소 온도(-183℃)와 액체수소 온도(-253℃)에서 부식하거나 변형이 일어나지 않는다.

 

② 스테인리스강: 강도, 강성 특성에 뛰어나고 중, 고온 환경에서 재료의 열화가 비교적 작다. 400℃ 정도의 사용에 적합하며, 녹는점은 약 1,500℃이다. 내식성이 좋으며, 극저온의 액체산소와 액체수소의 적합성도 양호하다. 액체 추진제 탱크와 배관 밸브 등에 사용하지만 알루미늄과 비교하면 경도가 높아서 가공성이 약간 나쁘다.

 

③ 고장력강: 인장 강도가 높고, 용접성이 뛰어난 강철을 고장력강이라고 부르며, 고체로켓 연소관에 사용한다.

 

④ 인코넬: 니켈 내열합금 중 하나로 니켈, 크롬, 코발트 등을 포함한다. 1,000℃ 정도의 고온 환경에서 사용할 수 있다. 단점은 재료 밀도가 높고, 경도가 높아서 가공성이 나빠 제조 현장의 부담이 크다. 특히 용접성이 나빠서 복잡한 형상의 구조물을 제조하려면 고도의 기술이 필요하다. 실제 LE-7 엔진의 개발 과정에서 용접을 잘못해서 폭발한 사고가 몇 번 일어났다.

 

⑤ 티타늄 합금: 비교적 가벼우면서 강도와 강성 특성에 뛰어나다. 고온에서도 사용할 수 있으며, 거의 600℃까지 사용할 수 있다. 녹는점은 약 1,700℃이다. 하지만 제작이나 가공이 매우 어렵고 비싸다. 고압 기체 압축기와 터보 펌프 등에 사용하지만 항공우주 분야에서 사용한 예는 한정적이다.

 

⑥ 알루미늄-리튬 합금: 1980년대 말 액체로켓 탱크 등의 새로운 경량 재료로 주목을 받았다. 알루미늄 합금보다 경량으로 강성 특성에 뛰어나고, 몇 % 이상의 경량화가 실현될 것으로 기대됐다. 미국의 재사용형 로켓 실험기의 탱크에 이용됐지만, 재료 특성 문제가 남아있고 경량화도 어려워서 최근 사용한 예는 드물다.

 

⑦ 복합재료: 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP), 유리섬유 강화 플라스틱(GFRP)으로 대표되는 복합재료는 모재인 합성수지에 보강 섬유를 넣어서 제조한 것이다. 경량이지만 강도와 강성 특성은 일부 금속보다 뛰어나다. 가공성과 성형성이 뛰어나고, 복잡한 형상도 쉽게 만들 수 있으며, 내식성도 양호하다. 최근 항공기의 주익과 동체에 CFRP를 이용하는 사례가 많아지면서 대형 로켓의 구조물이나 고체로켓 연소관에 사용한다. 다만 정상적인 강도를 유지할 수 있는 온도 범위가 비교적 낮다는 단점이 있다. CFRP를 금속 라이너(liner)와 조합해서 대형 탱크를 제조할 계획이 있었지만, 아직 성공한 적은 없다. 소형 공기탱크나 유압 탱크 등에 실용화되었다.

 

⑧ 카본/카본: 모재의 탄소(C)와 보강재의 탄소 섬유(C)로 구성된 복합재료로 양측 모두 탄소이므로 C/C라고 한다. 내열성이 뛰어나서 고체로켓 엔진의 노즐목에 사용한다. 우주왕복선의 기체 선단부 및 주익 전면부에 사용된 강화 C/C 재료는 대기권 재돌입 때 약 1,500℃의 고온에 견디는 것이 증명되었지만, C/C는 강도 특성이 떨어지므로 강도 부재로 사용할 수 없다는 것을 유의해야 한다.

 

 

* 항공우주 분야에서 티타늄 합금의 사용 예

주로 구조물에 티타늄 합금을 이용하여 성공한 유일한 예는 미국 공군의 초음속 정찰기 SR-71 블랙버드이다. 기체 구조의 약 85%가 티타늄 합금이며, 순항 고도는 약 26,000m, 순항속도 마하 3.2로 비행 중 동체 표면이나 날개 면의 온도는 공력 가열 때문에 300~350℃ 정도에 이르는 것으로 추정된다. 알루미늄 합금으로 만든 항공기가 비행할 수 있는 속도는 마하 2.2~2.3까지이다. 그것을 넘는 속도로 비행하는 항공기는 모든 표면에 우주왕복선처럼 내열 재료를 붙이거나 전면을 강제로 냉각해야 한다.

 

세계에서 유일한 초음속 여객기(Super Sonic Transport: SST)로 운항하던 콩코드 (Concorde)는 알루미늄 합금으로 순항 고도 약 16,000m, 순항속도 마하 2.02이며, 순항 중 기체 표면 온도는 100℃ 정도였다고 추정된다.

 

[우주로켓] 우주로켓의 분리 장치