우주로켓의 화공품

로켓 기체 각 부분의 분리는 아주 짧은 시간에 안전하게 확실히 완료할 필요가 있으므로 보통 화공품을 이용한다. 화공품은 화약이나 폭약을 이용하여 순간적으로 발생하는 에너지를 이용하는 장치이며, 일반 산업용 외에 항공우주 분야에서 널리 이용하고 있다. 기계식, 유압이나 가스 압력 방식과 비교하여 구조가 단순하고 순간적으로 큰 에너지를 이용할 수 있어서, 장치가 소형이고 경량이며, 작동 전력이 작아도 가능하다. 우주로켓에 많이 사용하는 화공품은 안전성이나 신뢰성 측면에서 뛰어난 실적을 가지고 있다. 화공품을 이용한 로켓 분리 장치의 기능을 그림과 같다.

 

오리온 모듈의 폭발 볼트

1) 화약과 폭약

화공품은 화약과 폭약을 이용한다. 화약과 폭약은 열과 충격이 작용하면 급격한 화학반응을 일으키고 고에너지를 발생하는 화학 물질이다. 화약이 타는 화학반응을 연소라고 하며, 연소 속도는 아음속이다. 고체로켓 추진제도 화약이다. 폭약에서 급격히 일어나는 화학반응을 폭굉이라고 하며, 연소 속도는 초음속이다. 뇌관은 폭약을 금속용기에 충전한 기폭관이다.

2) 기폭관

기폭관(detonator)는 충전된 폭약을 전기에너지로 폭파하여 폭굉 에너지를 발생시키는 것으로 민감형과 둔감형이 있다. 안전 때문에 현재는 둔감형 기폭관을 표준으로 사용한다.

 

3) 도폭선

절단, 분리하는 부분에 기폭관을 직접 장착할 수도 있지만, 보통 기폭관에 도폭선을 연결하는 최종 작동 화공품에 폭굉 에너지를 전달하는 방식을 이용한다. 도폭선은 단위 길이 당 소량의 폭약을 금속으로 씌워서 폭파 기능을 막고, 기폭관에서 발생한 폭굉 에너지를 최종 작동하는 화공품까지 전달한다. 폭굉 신호는 도폭선 안에서 6,500~7,000 m/s의 고속으로 전달된다. 도폭선 자체는 안전성이 보증되는 것으로 로켓 기체 속을 전기 배선처럼 취급할 수 있다. 이 도폭선의 배선 전체를 ‘화공품 회로’라고 한다.

4) 안전장전장치

로켓 발사 전의 정비 작업에서 기체에 다수의 화공품을 설치한다. 정비 작업 중 1개의 화공품이라도 오작동하면 대형 참사가 일어난다. 그래서 높은 안전성이 필요한 분리 장치는 기폭관에 안전장전장치(Safe and Arm Device)를 설치한다. 이 장치는 ‘안전’ 상태에서는 기폭관의 발화나 도폭선에 출력을 저지하지만, ‘장전’ 상태에서는 점화 신호를 받으면 바로 도폭선에 폭발을 전달하는 장치이다. 지상에서 정비 작업 중에 ‘안전’ 상태로 설정하고, 리프트오프 전에 ‘장전’ 상태로 전환한다.

 

[우주로켓] 화공품의 동작 원리