펌프 방식의 추진제 공급 방식을 이용하는 엔진은 소량의 추진제로 중·저온의 연소가스를 이용하여 터빈을 구동하고 펌프를 작동한다. 이때, 터빈을 구동한 후 연소가스의 처리 방법에 따라 엔진의 기능과 성능에 큰 차이가 발생한다. 이 공급 시스템의 전체 메커니즘을 엔진 사이클(Engine cycle)이라고 한다. 몇 가지 방식이 있는데, 여기에서는 2개의 대표적인 방식인 개방형(Open Cycle)과 폐쇄형(Closed Cycle)에 초점을 맞추고 액체산소/액체수소 엔진을 예로 들어 두 사이클의 특징을 설명하였다.1) 가스발생기 사이클 (개방형)가스발생기 사이클은 추진제 일부를 가스발생기에 보내고, 거기서 발생한 중·저온(500~600℃ 정도)의 불완전 연소가스로 터보 펌프를 구동한 후 가스를 버린다. 버리는..

우주로켓에 사용하는 이원(bi-propellant) 액체로켓 추진 시스템은 산화제와 연료를 서로 다른 탱크에서 엔진 연소실에 보내는 것으로 추진제 탱크(산화제 탱크와 연료 탱크), 추진제 공급 시스템, 연소실(분사기, 점화기, 냉각장치를 포함) 및 노즐로 구성된다. 여기서 추진제 공급 시스템의 일부(터보 펌프), 연소실, 노즐을 합쳐서 엔진(Engine)이라고 한다. RS-25 engines RS-68 engines 여기서 혼란을 피하려면 엔진과 노즐의 정의와 실제 하드웨어의 차이를 확인하는 것이 필요하다. 좁은 의미에서 연소실과 노즐을 통틀어 ‘엔진’이라고 한다. 노즐은 연소실에서 노즐 출구까지 수렴관, 노즐목, 팽창관을 결합한 구조물이다. 실제 하드웨어는 노즐목 약간 하류부의 노즐 팽창비가 비교적 작..

우주로켓의 추진 시스템인 액체로켓이나 고체로켓은 3,000℃ 이상의 연소가스를 다루므로, 고도의 기술이 필요하다. 추진 시스템에서 노즐은 특별한 역할을 담당한다. 로켓 노즐은 수축관과 팽창관을 이어서 연소실 출구에 설치한 부품이지만, 추력 발생에 큰 효과를 발휘한다. 연소가스가 노즐 안을 통과하면서 팽창, 가속하여 초음속 유동이 되고, 노즐 출구에서 배출된다. 로켓 추력은 노즐 출구에서 배출되는 가스 속도의 제곱에 비례하므로, 배출가스의 유동을 최대한 고속으로 하는 것이 바람직하다. RD-107 로켓 엔진의 세로 단면 그림과 같이 연소실에 원형의 구멍을 만들고, 수축관으로 연소가스를 배출하는 음속 노즐보다 초음속 노즐로 배출할 때 추진 성능(추력($F$), 비추력($I_{sp}$))이 더 향상된다. 화학..

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

1) 로켓 발사 방위‘지구 중심 관성 좌표계’에서 관찰할 때 지구는 서에서 동으로 자전하므로 관측자의 지표면도 그 지점의 위도에 따라 동쪽으로 관성속도를 가진다. 그래서 로켓을 동쪽으로 발사할 때 지구의 자전 때문에, 이득이 생겨서 로켓 발사 능력이 향상된다. 그래서 지구관측위성을 제외하고 특별한 이유가 없다면 우주로켓은 지구상의 어떤 지역에서 발사하더라도 항상 동쪽으로 발사한다. 2) 중력과 대기에 의한 속도 손실지표면에서 발사한 로켓은 궤도속도까지 올라가면서 상승 비행을 계속하지만 주로 지구 중력과 대기 때문에 속도가 떨어진다. 이것을 ‘속도 손실’이라고 하고, 특히 중력에 의한 속도 손실을 ‘중력 손실’이라고 한다. 이제 고도 약 200 km의 저고도 원 궤도에 위성을 발사할 때 우주로켓이 실제로 ..

통신, 지구 관측, 행성 탐사 등의 우주 활동을 임무(Mission)라고 한다. 이 임무를 수행하려면 위성 등의 페이로드가 각 임무에 적합한 궤도를 자연법칙에 따라 장기간 비행하는 것이 필요하다. 우주로켓의 역할은 단순히 일정 질량의 페이로드를 우주 공간에 두는 것이 아니라 각 임무에 적합한 목표 궤도에 정확하게 진입시키는 것이다. 그래서 우주로켓은 페이로드의 크기, 형상, 질량이나 투입 궤도 등의 조건이 필요하다. 이것을 ‘임무’라고 한다. ‘인공위성’은 지구 중력 범위 안에서 지구를 돌면서 통신, 천문 관측, 지구 관측, 과학 실험 등의 임무를 수행한다. 한편, 우주 탐사선은 지구 중력의 영향을 벗어나 태양의 중력 범위 안으로 들어가고 나서 최종 목표로 하는 행성과 소행성으로 비행을 계속 유지하는 것..

우주 공간은 거의 ‘진공’ 상태이다. 추진 원리와 같이 로켓은 대기나 진공 상태에서도 비행할 수 있다. 지상에서 상공을 향해 로켓을 수직으로 쏘았다고 생각해 보자. 추진제가 모두 타버리고, 마침내 최고 고도에 도달하면 로켓은 그대로 지상으로 떨어진다. 대형 로켓을 만들어서 추력이 아무리 커도 같은 일이 벌어질 것이다. 그러면 인공위성은 어떻게 지구 주위를 ‘무동력’으로 주회할 수 있는 것일까? 뉴턴은 17세기 말에 “산과 공기가 방해하지 않는 높은 위치에서 물체를 일정한 속도로 지구 표면에 수평으로 던지면, 이 물체는 지구 주위를 영원히 돌 것이다.”라면서 인공위성의 가능성을 말했다. 여기서 ‘일정한 속도’란 궤도속도나 지상에서 고도에 따라 정해진 관성속도를 의미하는데, 이것은 대지속도가 아니라는 것에 ..

비행기와 로켓은 20세기 초에 출현하였고 과거 100년 동안 엄청난 발전을 이루었다. 비행기는 어떻게 공기 중을 날 수 있을까? 그 후에 나타난 로켓도 마찬가지로 하늘로 날았다. 로켓은 비행기와 어떻게 다른 것일까? 그림은 비행기와 로켓이 비행 중에 받는 외력을 나타낸 것이다.   1) 비행기에 작용하는 힘제트기의 추진 원리는 로켓과 같이 ‘작용·반작용의 법칙’에 따른 것으로, 제트엔진이 연소가스를 후방으로 분출하고, 그 반작용으로 추진력을 얻는다. 다만 제트기는 연료만 탑재하고, 연소에 필요한 산화제는 공기로부터 얻는다. 이때 공기의 성분 중에 불활성기체인 질소가스도 고온 상태로 후방에 분출되면서 추진력을 얻는 데 도움을 준다. 비행기는 공기 중을 비행할 때 엔진 추력이 있으므로 자중을 감당할 필요가 ..

1957년 10월 4일 소련은 세계 최초의 인공위성 ‘스푸트니크 １호’를 발사하자 전 세계의 사람들, 특히 미국 사람들에게 큰 충격을 주었다. 미국은 이듬해인 1958년 1월에 바로 ‘익스플로러 １호’의 발사에 성공했고, 이때 지구 주위를 고리 모양으로 둘러싼 방사선 입자의 띠를 발견했다. 1958년 7월 미국 항공 우주국(NASA)을 신설하였고, 우주개발을 위한 새로운 체제를 갖추었다. 이후 미소 양국은 국위를 건 ‘우주 경쟁(space race)’을 시작했다.  소련은 유인 우주 비행, 우주 유영, 무인 달 연착륙 등 새로운 우주 기술에서 항상 미국을 한발 앞섰다. 미국도 막대한 국가 예산을 걸고, 행성 탐사체나 인공위성 발사 계획을 강력히 추진했다. 또한 유인 우주 계획인 머큐리계획, 제미니계획에 ..