액체로켓과 고체로켓의 차이점

로켓이 날아가기 위한 추진력(추력)을 발생하는 장치를 추진 시스템(Propulsion system)이라고 한다. 화학 추진기관은 크게 두 가지로 나눈다. 로켓이 직접 탑재하는 추진제(산화제와 연료)가 액체 상태이면 ‘액체로켓’, 고체 상태이면 ‘고체로켓’이라고 한다. 추진기관의 기능은 추진제의 저장, 이송, 공급, 연소와 연소가스의 팽창과 배기이다. 액체로켓은 각각의 역할에 따라 추진제 탱크, 추진제 공급설비, 연소실과 노즐로 구성된다. 다음 그림과 같이 고체로켓은 하나의 연소실에서 저장에서 연소까지 모두 해결한다.

 

액체로켓 1) 액체 로켓 연료, 2) 산화제, 3)펌프는 연료와 산화제를 운반, 4) 연소실은 두 액체를 혼합하고 연소, 5) 연소 생성물 가스는 노즐목을 통해 노즐로 전달, 6) 배기 가스가 로켓에서 배출

 

고체로켓; 1) 고체 연료-산화제 혼합물(추진제 그레인)이 로켓에 포함되며 중간에 공간이 있다.2) 점화기는 추진제의 표면을 점화, 3) 추진제 안의 공간은 연소실 역할, 4) 배기 가스는 노즐목을 통해 노즐로 전달, 6) 배기 가스가 로켓에서 배출

 

액체로켓과 고체로켓은 추진제의 저장, 공급, 연소 등의 구조가 다르지만, 추진제가 가진 화학에너지를 열에너지로 바꾸고, 연소가스의 운동에너지로 변환하여 추진력을 만드는 기본 원리는 같다.

 

액체로켓과 고체로켓은 각각 장단점이 있다. 다음 표는 두 로켓의 특징을 대략 비교한 것이다. 대형 고체로켓은 매우 큰 추진력을 만들 수 있지만, 연소 시간이 매우 짧다. 그래서 로켓 기체가 받는 가속도가 크다. 액체로켓은 그 반대로 큰 추력을 만들 수 없지만, 장시간의 연소가 가능하다. 그만큼 기체가 받는 가속도도 완만하다.

 

액체로켓과 고체로켓의 비교

	액체로켓	고체로켓
구조	복잡	비교적 단순
구조 성능 (질량비)	보통 높다	대형 = 낮음, 소형 = 높음
엔진 성능 (비추력)	높다.	중간
추력 방향 제어	용이	가능
추력 중단	용이	불가능
재점화	가능	불가능
추진제 주입 후의 보존 기간	종류에 따라 단기간~장기간	장기간
발사 정비 작업 기간	단기간	단기간

 

고체로켓은 일단 점화하면 도중에 연소를 멈추고 추력을 중단할 수 없다. 하지만 액체로켓은 추력 중단이 가능하며, 다시 착화(ignition)할 수 있다는 장점이 있다. 우주로켓이나 위성 등을 특정 궤도에 투입할 때 재점화 기능이 필요할 수 있다.

 

액체로켓은 처음부터 추력 방향을 제어하고 기체 자세를 바꿀 수 있지만, 고체로켓은 원래 이 기능이 없었다. 하지만 최근 우주왕복선의 대형 고체로켓 부스터에 사용한 ‘가동 노즐(movable nozzle)’이 일반화되면서 고체로켓의 약점을 극복하였다. 현재 우주로켓은 액체와 고체로켓의 장단점을 서로 조합해서 이용한다.

 

하이브리드 로켓은 액체산소 등의 액체 산화제와 파라핀(paraffin) 등의 고체연료를 이용하여 액체로켓과 고체로켓의 장점을 이용하는 로켓으로 높은 안전성이 장점이다. 현재까지 많은 연구 개발로 일부 실용화되었지만, 아직 해결할 과제가 있어서 본격적인 우주로켓에 사용된 적은 아직 없다. 현재 우리나라의 이노스페이스가 하이브리드 로켓의 상용화에 도전하고 있다.

 

INNOSPACE

 

[우주로켓] 로켓 추력의 발생