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 역할우주로켓은 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, 3가..

컴포지트 추진제는 대량의 과염소산암모늄(NH4ClO4)을 포함한다. 따라서 연소가스는 염화수소(HCl)를 발생시키며, 노즐에서 배출된 후 대기 중의 수분에 녹아서 염산으로 변한다. 그 양이 많을 때는 산성비가 발생하여 주변 환경에 악영향을 끼친다. 과거 구소련의 방송에서 이런 이유로 미국의 우주왕복선은 ‘대기오염의 원흉’이라고 비난한 적이 있다. 오래전의 이야기지만 미국 항공우주학회가 전 세계의 로켓 발사가 대기 환경에 미치는 영향을 평가한 적이 있다. 결과는 발사 빈도가 당시 수준으로는 좁은 지역에 한정된다는 것이었다. 현재의 발사 빈도는 당시와 별로 다르지 않지만, 앞으로 심하게 증가하면 지나칠 수 없는 지구 환경 문제를 초래할 것이다.현재 사용 중인 고체로켓에서 상당량(배출가스의 약 30%)의 알루..

세그먼트 조립과 일체 조립소형 고체로켓 모터에서 효율적으로 추진제를 충전하려면 구형 또는 구형에 가까운 형상으로 만들어야 한다. 대형 고체로켓은 긴 원통형이지만 제조 및 지상 운송이 어려우므로 여러 세그먼트로 나누어 생산하는 경우가 많다. 이 경우 그레인의 단면 형상은 세그먼트마다 다른 형태로 설계할 수 있다. 여러 세그먼트는 발사장에서 플랜지나 클레비스(Clevis; U자형 결합) 방식으로 결합한다. 한편, 일체형으로 제조하면 주입 작업은 대형화되지만, 발사를 위한 정비 작업은 쉽게 할 수 있다. 상단용 및 하단용 고체로켓의 구조 성능상단용 로켓은 최대한 경량화가 필요하다. 티타늄 합금 연소관을 이용한 소형 고체로켓은 과거 추진제 충전율이 약 95%라는 높은 구조 성능을 가졌다. 이것은 시판하는 맥주 ..

고체로켓의 추진제는 크게 더블베이스(double base) 추진제와 컴포지트(composite) 추진제로 분류된다. 더블베이스 추진제는 니트로셀룰로오스와 니트로글리세린이 주성분이며, 연소가스가 무연이므로 군용으로 많이 사용한다. 최근에는 안전성의 문제가 있으며, 우주에서는 사용하지 않는다. 컴포지트 추진제는 산화제와 연료인 금속 입자를 바인더라고 하는 고분자 수지의 결합재로 반죽하여 굳힌 후 경화시킨 것으로, 연소가스가 연기를 발생시키지만, 연소 성능과 안정성은 우수하다. 현재 대형 로켓 부스터, 소형 로켓 모두 컴포지트 추진제를 많이 사용한다.  1) 컴포지트 추진제과염소산 암모늄(Ammonium Perchlorate, AP, NH4ClO4)은 많은 산화제 중에서 성능의 안정성, 가공성, 비용 면에서 ..

1) 노즐의 재료고체로켓의 연소가스는 연소실 내에서 3,000℃ 이상의 고온이 된다. 게다가 연소가스 중에는 노즐 벽에 대한 침식 작용이 강한 알루미나(Al2O3)가 포함되어 있다. 그래서 노즐은 그 각 위치의 열 환경에 따라 여러 가지 복합재료(CFRP, GFRP 등)를 조합하여 제조하고, 삭마냉각을 이용하여 노즐 구조를 연소가스로부터 보호한다. 특히 열전달이 최대가 되는 노즐목(throat)은 고온 강도가 우수하고, 침식에 강한 흑연(Graphite)이나 탄소/탄소(모재)의 탄소와 강화제의 탄소 섬유로 구성된 복합재료) 등을 사용한다.  노즐 내벽의 표면은 연소가스와 고온의 액체 상태인 알루미나의 침식 작용을 받아 시간이 지나면서 마모가 발생하고, 노즐 목의 단면적이 점차 확대한다. 연소 종료 시의 ..

1) 연소관의 재료연소관은 고체 추진제의 저장 용기인 동시에 연소실이다. 연소관은 연소압력으로 발생한 하중을 견디는 압력 용기인 동시에 추력을 코어 기체나 상단에 전달한다. 연소관의 재료는 높은 비강도(인장 강도/비중)와 높은 강성을 가지는 것이 필요하다. 기존에는 고장력강이나 티타늄 합금 등의 금속 재료를 주로 사용했지만, 최근에는 무게를 줄이려고 복합재료를 많이 사용한다.  금속 재료는 복합재료와 비교하여 고온에서 사용할 수 있으므로 연소관의 단열재 두께가 얇다. 집중 하중이 발생하는 부분은 두께를 증가시킬 수 있다. 대형 고체로켓의 연소관은 가공성이나 비용을 고려하여 고장력강이 많이 사용되었다. 티타늄 합금은 비강도 및 내열, 내식성이 우수하지만, 가공이 어렵고, 소재가 비싸므로 구조 성능이 까다로..

고체로켓은 고체 추진제를 사용하는 로켓으로 오랜 역사를 가진다. 고체로켓 모터(Solid Rocket Motor) 또는 단순히 로켓 모터라고 한다. 고체 입자 모양의 산화제와 연료에 고분자 수지(결합재)를 넣어 혼합한 뒤 연소관 안에 주입하고, 경화시켜서 만든다. 연소관은 얇은 두께의 용기로 소형은 구형, 대형은 상하 양단이 반구형인 긴 원통으로 연결한다. 추진제의 중심부를 비우고, 이 추진제 표면에 점화하여 연소시킨다. 연소로 발생한 고온, 고압의 연소가스를 연소관에 연결된 노즐로 팽창, 가속하고 초음속 유동으로 배출하고 추진력을 얻는다. 고체로켓은 그림과 같이 연소관, 추진제 그레인(Grain), 점화기, 단열재(라이너) 및 노즐로 구성된다. 액체로켓보다 비교적 구조가 간단하고, 부품 수도 적어서 취..

로켓에 탑재된 액체 추진제는 전량(100%)을 추진력 발생에 사용하는 것은 불가능하다. 아래와 같이 약간의 추진제가 역할을 못 하는 것은 불가피하다. 이륙 중인 델타 IV 헤비. 로켓은 액체 수소와 액체 산소 극저온 추진제로 완전히 연료를 공급받는다. ① 증발: 일부 액체 추진제는 리프트오프 전에 탱크에 충전된 직후부터 로켓이 비행할 때까지 증발한 기체는 탱크 상부의 통기밸브 등으로 방출된다. 극저온 추진제, 특히 액체수소의 증발량은 매우 많다. ② 가스 흡입 방지: 엔진 연소 종반에 잔량이 적어서 액체 추진제를 탱크에서 엔진으로 계속 보내면 탱크 바닥의 출구 부근에서 소용돌이가 발생하거나 액면의 요동으로 추진제 공급설비 배관에 탱크의 가압 가스가 흡입된다. 그러면 터보 펌프 파열이나 이상 연소가 일어나..

로켓 추진제로써 갖춰야 할 특성에는 열화학적 특성, 연소 성능, 안전성 등 많은 요구 조건이 있다. 주요 특성을 요약하면 다음과 같다. ① 액체의 밀도가 큰 (비중이 큰) 것이 바람직하다. 추진제 탱크의 용량이 적어 로켓 기체 구조의 경량화에 이바지한다.② 높은 비등점, 낮은 응고점, 높은 열전도율, 낮은 증기압이 바람직하다. 또 온도 변화에 따른 물성의 변화는 작아야 한다. 이것은 탱크 안에서 저장 중 연소실로 이송하거나 재생냉각의 냉각제로써 필요한 특성이다.③ 연소 같은 화학반응에서 발열량이 많고, 연소온도가 높은 것이 좋다. 연소가스의 분자량이 작은 것이다. 이것은 엔진 성능의 요구 사항이다.④ 독성이 없고 폭발 위험성이 낮아야 한다. 안전성이 뛰어나고 탱크 배관 밸브 등의 구조 재료로 적합성이 양..