, 액세서리에 대한 내용은
로켓(장신구)
문서
참고하십시오.1. 개요
| 언어별 명칭 | |
| 영어 | Rocket |
| 일본어 | ロケット |
| 중국어 | 火箭(huǒjiàn, 화전) |
| 문화어 | 로케트 |
| 독일어 | Rakete |
| 러시아어 | ракета |
| 이탈리아어 | Razzo |
| 아랍어 | صاروخ |
1.1. 정의
뉴턴의 운동법칙 중 세 번째인 ‘작용-반작용의 법칙’으로 운동하는 모터 중에서, 자체 탑재된 추진제만을 이용하여 추력을 얻는 모터를 로켓이라 부른다.넓은 의미의 로켓(Rocket)은 기체나 액체 같은 유체를 분출해 그 반작용으로 추력을 얻는 비행체를 의미하므로, 간단한 물로켓부터 아마추어 실험 로켓, 우주발사체, 미사일까지 모두 로켓에 포함된다. 우리가 흔하게 보는 우주발사체나 군용 미사일 급의 대형 로켓은 대부분 화학 연료 연소를 통해 고온·고압의 가스를 분출하는 화학 엔진이 탑재된다. 현재의 기술력으로는 화학 연료 엔진이 지상 발사에 가장 적합하기 때문에 주로 채택되고 있다. #
NASA에서는 최초의 로켓은 1232년 중국에서 화살에 화약을 달아 비거리를 늘린 것을 기원으로 보고 있다. #
로켓 특히 화학 엔진 로켓은 외부로부터의 별도의 물질 유입 없이 자체 연료와 산화제만으로 추진이 가능하기 때문에, 로켓은 진공 상태의 우주에서도 추진력을 얻을 수 있다.[1] 일찍이 1903년(!)에 러시아의 치올코프스키가 이것이 가능함을 논문[2]으로 입증했고 미국의 고다드가 이를 받아들여 액체연료 로켓을 처음으로 개발해냈다. #
외부의 공기나 물과 같은 유체를 앞부분에서 빨아들여 뒷부분으로 내뿜는 제트 엔진 계열( 제트 엔진, 워터제트, 램제트)은 로켓이 아니다. 로켓 엔진은 제트 추진(Jet Propulsion)의 한 종류이며, 제트 엔진이나 램제트 같은 항공기에 주로 쓰이는 엔진들은 덕트 추진(Duct propulsion)으로 구분된다.
총탄과 포탄 역시 로켓이 아니다. 이들은 내부의 추진제만 소모한다는 점에서 로켓과 비슷하지만, 한번에 모든 추진제를 소모하고 연료통(탄피)과 발사체(탄두)가 분리된 채 발사체만 날아간다. 반면 로켓은 발사체와 연료통이 일체화되어 지속적으로 가속한다.
|
|
| 로켓의 어원인 실감개의 모습 |
로켓 모터는 반작용 질량인 추진제(propellant)를 내장하고 있기에 진공의 우주공간에서도 작동한다.[4] 때문에 모든 우주선에는 로켓 모터가 장착되어 있다.[5][6] 또한 로켓 모터는 초기 가속이 그야말로 폭발적이기 때문에, 미사일이나 사출좌석처럼 급가속이 필요한 곳에도 널리 사용된다. 자동차 중에도 로켓 모터가 장착된 것이 간혹 있다.[7] 물론 실용적인 탈 것으로 만들어진 것은 아니며 기록 갱신에 도전하기 위해 만들어진 특수 차량들이다.
현재 주로 사용되는 로켓 모터인 화학연료 로켓은 폭발적인 가속력과 진공에서도 추력을 얻을 수 있다는 장점 외에는 단점밖에 없는 모터로, 모든 모터 중 효율이 가장 낮으며 가동 시간도 짧다.[8] 추력의 제어도 힘든 편이며 심지어 한번 점화하면 추진제가 전소할 때까지 모터를 중지시킬 수조차 없는 종류도 많다(고체연료 로켓). 때문에 미사일 중에도 장거리를 안정적으로 비행해야 하는 종류는 로켓이 아니라 제트엔진을 사용한다( 크루즈 미사일 등).
흔히 "냉기체 추진"이라 부르는 질소 분사 모터 등은 인공위성의 추진이나 우주선의 자세전환용으로 널리 이용되며, 이름대로 기체의 고압 분사의 반작용을 이용하는 방식이다.
추진기관인 로켓 모터 외에도, 이런 로켓 모터를 장비한 발사체(launch vehicle) 자체를 로켓이라 부르는 경우도 많다. 발사체라는 명칭은 뭔가를 (주로 우주로) 쏘아올리기 위해 사용하는 비행체라는 의미로, 대개 꼭대기 부분에 인공위성이나 유인 우주선, 핵탄두 등이 실려 있다.
로켓 발사체를 분류하는 방법은 여러 가지가 있는데, 일단 생김새에 따라 분류할 수 있다. 로켓 본체 주변에 4개의 보조로켓을 나란히 세우는 묶음식 로켓과 2, 3단계로 계단 쌓듯이 쌓는 단계식 로켓이 있다. 묶음식 로켓은 화력이 강한 대신 출력의 균형을 맞추기가 어려워서 사장되는 추세였으나 제어 기술이 발달하면서 2010년대 후반 이후로 개발되는 발사체는 다시 묶음식이 늘어나고 있는데, 특히 경제성을 따질 수밖에 없는 민간기업의 경우 거의 전부 묶음식이다. 아무래도 강력한 엔진보다 적당한 출력의 엔진을 개발하는 편이 개발비 자체도 적게 들고 규모의 경제를 통해 비용을 낮추기도 유리하기 때문.
2. 추진기관으로서의 로켓
|
|
| 지구가 감옥인 이유와 탈옥하는 법 |
우리가 “로켓”이라 부르는 대상은 사실 두 가지다.
- 발사체(launch vehicle): 지구에서 우주로 나가기 위한 로켓
- 추진기(thruster): 로켓 모터 그 자체
반면 추진기는 작용-반작용 원리에 따라, 아무리 약한 추진력이라도 반드시 그 반작용이 발생한다. 중력도 공기도 없는 진공의 우주공간에서는, 추진력이 0.1뉴턴인 로켓으로도 20톤짜리 우주선을 전진시킬 수 있다. 다만 가속력이 아주 낮을 뿐이다. 새턴 V의 1단계 로켓은 추진력이 3500만 뉴턴이고 하야부사 탐사선의 이온 로켓은 0.008 뉴턴이지만 그 물리학적 원리는 똑같으며(작용-반작용의 법칙) 둘 다 로켓이라 부른다.
기본적으로 공기저항을 이겨내고 비행하기 위해서는 공기역학적 설계와 추진력을 충분히 제공하는 추진체 기술(엔진 등 추진기관)이 필요하다. 여기서 잘못되면 로켓이 날다가 포물선을 그리며 떨어지거나, 연료 효율이 떨어지거나, 예정된 궤도를 벗어나 엉뚱한 궤도로 날아가버리기 때문이다.
로켓이 추진력을 얻기 위해서는 로켓의 연료인 추진제가 연소관이라 부르는 일종의 통 안에서 타는 것에서부터 시작된다. 이 연소관 내부에서 연료가 타면 고온고압의 대량의 가스가 발생한다.(당연히 물질은 고온 고압 상태에서 연소, 화학반응이 잘 일어나고, 밀도가 낮은 기체상태에서는 액체나 고체에 비해 부피가 커지며, 밀폐공간 안이라면 압력이 높아진다.)이 고압의 가스는 압력이 낮은 쪽으로 나가려 하는데 로켓추진기관의 꽁무니에는 노즐이라 불리는 구멍이 있다. 즉 좁아터진 공간에서 대량의 가스가 꽉꽉 담겨있다가 빠져나갈 공간을 찾아 다들 우루루 몰려 나가게 되는 것. 이렇게 가스를 뒤로 내뿜으면 그 반작용으로 로켓 자체는 앞으로 나가게 되는데 이것이 로켓의 원리다.[9] 더욱 쉽게는 가스 자체가 로켓을 밀어내는 것인데, 가스의 입자 모두가 망치를 들고 로켓을 위로 때리며 나아간다고 생각하면 편하다. 평소에는 아무런 작용이 없다가 연료가 연소되면 앞서 말한 고온고압의 가스 발생으로 인해 비로소 작용이 생기므로 그에 따른 반작용으로 나아가는 것.[10]
추진 기관으로서의 로켓은 추진 공학이라는 별도의 학문에서 다룰 정도로 매우 복잡한 기관이지만, 원리 자체는 제트 엔진 기관의 기본 원리를 그대로 따른다. 한편 제트 엔진과 비슷하지만 다른 점 하나는 바로 외부로부터 공기를 공급받지 않는 다는 점이다. 제트 엔진은 기본적으로 외부의 공기를 빨아들이는 과정에서 다수의 압축기 블레이드(compressor blade)로 공기를 압축하며, 여기에 연료를 섞어 연소시킨 다음 더 큰 압력으로 만들어서 뒤로 내뿜는다. 이와는 대조적으로 로켓은 외부로부터 공기를 빨아들이는 과정이 없으며, 이 때문에 제트 엔진에 비해서 대체로 구조가 비교적 간단하다.[11] 또한 공기흡입 문제로 속도에 상한선 제한이 걸려 있는 제트 엔진에 비해 고속을 내는 것도 훨씬 자유롭다.[12]
대신 외부로부터 공기를 빨아들이지 못하고 순전히 자신이 가진 연료와 산소를 함유한 산화제만으로 뒤로 내뿜는 가스를 만들어야 하기 때문에, 비추력[13] 면에서는 제트엔진에 비해 떨어진다. 따라서 이는 경제적인 관점에서 로켓의 능력을 크게 제한하는 요인으로 작용할 수밖에 없는데, 일반적인 탄화수소 계열 연료는 연소하기 위해 그 중량의 2-3배가량의 산소를 필요로 하며, 로켓 연료로 각광받는 메테인의 경우 3-4배, 수소의 경우 연료가 무려 6~9배의 중량에 달하는 산소를 필요로 하기 때문이다.[14] 비행하는 비행기가 굳이 복잡하고 가격도 비싼 제트 엔진을 쓰는 것도 이러한 맥락에서다.[15]
다만 로켓이 그 동작에 있어서 어떠한 외부 산화제도 필요로 하지 않는다는 점은 우주 비행과 같이 제한된 환경에서 동작하는 추진 기관을 제작하는 데 있어서 큰 이점으로 작용한다. 또한 모든 로켓 엔진은 제트 엔진과 비교했을 때 짧은 동작 시간이지만 자신의 중량 대비 훨씬 큰 추력을 낼 수 있고, 여기에 제트 엔진과 달리 고체 로켓 모터 등의 일부 로켓 엔진은 그 구조가 복잡하지도 않으므로 값싸면서도 큰 힘을 낼 수 있는 추진기관으로서 미사일이나 후술할 로켓 무기 등의 추진기관으로 널리 쓰이고 있다. 다만 추력을 발생하기 위해 엄청난 양의 추진제를 소모해야 하기 때문에 분사시간이 우주발사체의 경우 6~8분, ICBM처럼 수천 km를 날아가는 미사일도 4~6분 정도가 고작이며 그 이후에는 관성(혹은 종류에 따라 관성과 중력)에 의해 속도를 유지한다.[16] 한편 이는 우주 공간에서 주로 사용되는 이온 추진 엔진의 경우 오히려 정 반대가 되는데, 우주 공간에서는 물체의 운동을 방해하는 저항이 거의 없다는 사실에 의거하여 제작된 이온 엔진은 극히 적은 양의 불활성 기체를 전자기력으로 가속하여 단 수십 밀리뉴턴의 추력을 짧게는 수일, 길게는 수년 동안 발생하며 우주선을 초속 수십 킬로미터에 이르는 엄청난 속력으로 가속시킨다.
로켓 추진 기관에는 많은 종류가 존재하며 이는 화학 추진 로켓, 전기 추진 로켓, 저온 가스 추력기 등 다양한 형태가 존재하는데, 일반적으로 '로켓 추진 기관'이라 함은 지상에서 강력한 힘을 내기 위해 사용하는 화학 추진 로켓을 주로 의미한다. 이러한 화학 추진 로켓에서는 추진제의 연소로 발생한 가스를 노즐로 분사하여 그 반작용에 의한 힘을 활용한다. 대부분의 로켓 노즐이 채택한 공통적인 구조는 뒤로 갈 수록 구멍이 점점 좁아지는 구조이다(수축 노즐; contraction nozzle). 이는 가스가 지나는 관의 직경을 줄이면 줄일수록 속도가 빨라진다는 베르누이의 정리에 기인하는데, 가스의 속도가 빨라질수록 가스에 의해 발생하는 반작용, 즉 로켓의 추진력이 증가하게 된다는 것으로 설명할 수 있다.
한편 단면적을 줄이는 것만으로 배기 노즐을 만드는 것에는 한계가 있다. 압축성 유체가 지나는 관의 단면적을 일정 수준 이상으로 줄이면 유체의 속도가 음속(M=1)에 도달해 더이상 빨라지지 않고 연소관 내부의 압력만 증가하기 때문이다. 이렇게 더이상 수축 노즐로 속도를 높일 수 없는 유체의 흐름을 질식 유동(chocked flow)이라고 한다. 수축 노즐의 한계점을 극복하기 위해 고안된 것이 데 라발 노즐(de Laval nozzle)(스웨덴의 발명가 구스타프 데 라발의 이름에서 나왔다.)인데, 데 라발 노즐의 경우 수축 노즐의 끝에 확장 노즐이 달려 있는 형태이다. 질식(chocking) 상태에 도달한 음속 유동을 다시 확장시킬 경우 가스의 속도는 임계 속도를 넘겨 초음속 유동이 되는데, 로켓은 이를 통해 추진제의 연소 에너지를 더 효율적으로 추력으로 변환할 수 있게 된다. 오늘날 절대 다수의 로켓 엔진들이 채택하고 있는 노즐 또한 이러한 데 라발 노즐이다. 나머지 소수는 무엇인가 하면 노즐 꼬깔 무게조차 아쉬운 우주탐사체들이 쓰는 단순한 원통형 직사 노즐과 해수면과 우주공간에서 큰 증감 없이 고른 비추력을 내주는 에어로스파이크(Aerospike) 엔진이다.[17]
이 로켓용 노즐은 고압과 고열을 버텨야 할 뿐만 아니라, 로켓의 엄청난 진동과 추력을 버틸 수 있는 것이어야 한다. 일반적인 금속으로 만들어도 로켓에서 발생되는 기체가 온도가 상온이라면(압축은 고려 안하고) 충분히 버틸 수 있는 것이지만, 로켓 배기 플륨은 연소관 내부에서 연소된 기체로 구성된 만큼 매우 고온이다. 금속은 고온이 되면 물성이 현저하게 떨어진다. 또한 배기 플륨의 열유속(heat flux)은 웬만한 금속을 삽시간에 녹는점 이상으로 가열시킬 정도다. 이 때문에 흔히 로켓 엔진은 "날아가는 고압 용광로"에 비유된다. #
따라서 현대 로켓 엔진에서는 연소실과 노즐에 대해 다음과 같은 냉각 방식이 단일로, 혹은 복합적으로 적용된다:
1. 복사 냉각: 연소 가스의 열유속이 크지 않은 경우 노즐이 견딜 수 있는 열(온도)보다 더 높은 열을 전달한다면, 노즐 바깥으로 복사 방출한다.
2. 삭마 냉각: 고열에 노출될 경우 표면에 다공성 탄소 매트릭스(carbon matrix)를 남기며 비교적 낮은 온도의 가스를 만드는 재질로 연소실과 노즐을 만든다.
3. 재생 냉각: 연소실과 노즐을 2중 금속 벽으로 만들고, 그 사이로 추진제가 지나가며 벽으로 방출되는 열을 흡수하도록 한다.
매우 간단한 형태의 모형 로켓을 취미로 즐기는 사람들도 많은데 보통 밑에 설명할 간단한 구조의 고체추진 방식이다. 전기신호 등으로 점화시키면 발사대를 따라 수직으로 슝-하고 날아오르는데, 로켓이 다 타버리면 위쪽으로도 순간적으로 높은 압력의 가스를 분출하도록 되어있다. 그러면 로켓 앞쪽 머리 부분으로 가스가 분출되면서 뚜껑 형태의 머리 부분이 분리되고, 그 안에 낙하산이 바깥으로 빠져나와 펼쳐져 낙하산을 타고 로켓이 내려온다.[18][19]
어린이 용으로 모형로켓이 유행이다. 주로 미국에서 사용하는 모형로켓은 일회용 고체연료엔진을 사용해서 300m 정도 상공으로 발사를 한다.
거의 대부분의 로켓은 연료와 산화제를 반응·연소해서 얻는 가스로 추진력을 얻지만 물로켓 방식처럼 미리 높은 압력의 가스나 액체 등을 저장해 두었다가 필요하면 이를 분출하여 추진력을 얻는 방식도 실제로 쓰이기도 한다. 이를테면 우주선의 자세제어용 로켓들이다.
주로 상대적으로 작은 미사일 등에 쓰이는 로켓은 대충 제작하면 되지만[20] 장거리 탄도 미사일인 ICBM이나 우주선, 인공위성, 혹은 사람이 탑승하는 우주발사체의 경우 매우 정교하게 제작해야 된다. (특히 사람이 탔는데 극심한 포고 현상에 빠지면 승무원은 요단강 익스프레스) 또 로켓 기관이란 것 자체가 (간단하게 말하면) 폭발중인 상황에 연료와 산소를 계속 공급하는 것이기 때문에 잘못 제작하면 그대로 저 하늘의 별이 되는 수가 있다. 최악의 경우에는 자폭장치마저 제어불능이 된 채 도시에 떨어져 폭발, 최소 수백 명이 사망하는 참사가 일어나기도 한다.
(대표적인 사례가 중국의 창정 3호 참사)
무기로서의 로켓 이외에도 인공위성이나 우주인 등을 우주로 쏘아올리는 것도 흔히 로켓이라 하는데, 이는 실질적으로 현재 인류가 가진 기술로는 우주로 무언가를 쏘아올리는 방법으로는 로켓 추진기관이 유일하기 때문. 다만 로켓 자체는 추진기관을 일컫는 말이므로, 로켓 추진 기관을 포함하여 전체 시스템을 일컫는 말로 우주발사체(Space launch vehicle)라는 단어가 있다.
러시아의 수학자인 콘스탄틴 치올코프스키가 고안한 로켓 방정식은 로켓의 무게와 연료의 무게를 계산해 목표한 궤도에 올리는 데 사용된다. 또한 단계식, 묶음식 로켓과 같이 여러개의 엔진을 통합하거나 무게를 줄이는 방식을 구상하기도 하였으며, 때문에 로켓을 실제로 만든 적은 없음에도 로켓 연구 역사에 빼놓을 수 없는 인물이 되었다. 그리고 최초로 액체연료로켓을 개발해서 발사에 성공한 사람이 미국의 과학자 로버트 고다드로 현대로켓의 아버지(Father of Modern Rocket)라고 불린다. 이들의 업적을 이어받아서 R-7 로켓으로 세계 최초로 인공위성 스푸트니크 1호를 발사하여 우주 시대의 문을 연 구 소련의 세르게이 코롤료프, 인류 역사상 가장 거대한 새턴 로켓으로 인간의 달착륙을 실현시킨 베르너 폰 브라운이 유명하다. 최근에는 최초로 로켓의 재사용을 가능하게 만든 스페이스X의 창립자 일론 머스크가 주목받고 있다.
로켓엔진들을 비교하는 좋은 수치는 추력과 비추력이다. 위 그래프에서 가로축은 추중비[21]이며 세로축은 비추력, 다른말로 연비이다. 두 수치는 에너지 밀도라는 상수를 공유하기 때문에 서로 반비례 관계를 가져 현 과학기술로는 SF에 나오는 고추력 고효율 엔진은 불가능하다.[22] 또한 위 그래프의 붉은색 영역은 화학로켓이나 이온 엔진과 같이 현실에서 운용되는 기술성숙도가 높은 로켓기술을 의미한다. 주황색은 핵분열 추진이나 레이저/태양열 엔진[23] 등 어느정도 성과를 보이고있는 개발중인 기술들이다. 노란색은 연속적인 핵융합 추진이나 반물질과 같은 증명되지 않은 컨셉 기술들을 의미한다.
현존하는 대부분의 로켓은 화학반응을 이용하고 이는 다시 연료와 작동방식에 따라 고체, 액체, 하이브리드식, 그리고 램로켓으로 분류할 수 있다. 화학반응이 아닌 핵융합이나 핵분열을 이용하는 로켓 시스템도 연구된 바 있고 실제 테스트까지 된 바 있으나 ( 플루토 계획 문서 참조) 현재 기술로 가능한 수준의 개방형 원자력 로켓엔진은 방사능을 풀풀 뿌리고 다니기에 핵 만능주의 시대 이후 연구되고 있지 않고 폐쇄식 원자력 로켓엔진은 엄청난 기술력이 필요하기에 최소한 인류가 태양계를 벗어날 필요성이 있어야 개발될 것으로 보인다. 이외에도 이온로켓이 개발되었고 광자로켓과 전자기추진로켓이 연구 중이다.
2.1. 고체 로켓(SR)
가장 오래된 형태의 로켓이라고도 할 수 있다. 연소관 안에 마치 화약 같은 고체로 된 연료를 넣어두고, 이 연료에 불을 붙이는 것으로 끝. 화약은 그 화학성분 내에 이미 산소를 가지고 있기 때문에 주변에 별도의 산소가 없어도 일단 불만 붙으면 알아서 타들어가며 대량의 가스를 만들어내므로 이것을 응용하여 신기전 같은 고체로켓을 과거에도 이미 만들 수 있었다.현대의 고체로켓 연료는 당연한 이야기지만 화약과는 다른 성분의 것들을 사용 중이다. 특히 현대의 폭발용 화약은[24] 폭발하면 말 그대로 연소가 아니라 폭발을 해버리기 때문에 지나치게 타들어가는 속도가 빨라서 연소관이 순간적으로 급격히 올라간 압력을 이기지 못해 폭발해 버린다.
고체로켓은 보통 연소관 안에 고체추진제를 채워 넣는데 때로는 이 추진제 안에 알루미늄 분말 등을 추가로 넣기도 한다. 이는 알루미늄의 높은 반응성 때문인데, 알루미늄이 빠르고 고온으로 연소되면서 연소 속도를 올리기 때문이다. 어느 정도로 반응성이 좋냐 하면 이를 얼음에다가 잘 섞은 것도 ALICE라고 하는 나름 친환경(?) 연료로 쓴다. 알루미늄 분말 역시 폭탄 제조에 사용되는 물질이기 때문에 법적 제제가 심하다. 절대로 불순한 목적으로 사용하면 안된다. 코렁탕을 들이킬 수도 있다. 다만 알루미늄 분말은 대량의 흰 연기를 만들기 때문에 미사일이나 로켓 무기에는 잘 사용하지 않기도 한다. 적이 로켓에서 발생하는 대량의 연기를 보고 미사일/로켓의 접근 사실을 미리 눈치채거나 심지어 발사 지점을 역으로 눈치채고 발사대나 발사요원들을 역으로 공격할 수도 있기 때문.
연소관 자체는 보통 고온/고압에 잘 견디는 금속 합금을 사용하였으나 최근에는 무게를 줄이기 위해 열에 강하면서도 튼튼한 복합소재(이를테면 특수 탄소섬유 복합재 같은 것)를 이용하는 경우도 있다. 이 연소관 안에는 다시 일종의 단열재로서 고무 재질 비슷한 것들이 도포된다.
일반적으로는 연소관을 미리 만든 다음 이 안에 아직 굳지 않은 고체추진제를 채워 넣는다. 추진제는 보통 일정 수준의 열을 가하면 굳지만[25] 추진제의 종류에 따라서는 오히려 일정 수준의 열을 가하면 녹일 수 있는 것도 있다. 한번 굳은 추진제를 녹일 수 있는 것들의 경우에는 무기체계에 많이 쓰이는데, 오랫동안 쓰지 않고 저장해 둔 로켓탄의 경우[26] 신뢰성에 의심이 가므로 대대적인 정비를 할 때 추진제 역시 녹여서 일단 꺼낸 다음 새 추진제를 채워 넣거나 할 수 있다.[27]
고체로켓의 큰 장점은 로켓을 만들어 둔 상태에서 장기 보관이 가능하다는 점이다. 밑에 설명될 액체로켓은 미리 연료와 산화제를 넣어두면 얼마 안가 내부 도관들이 부식될 수 있기 때문에 발사 직전에 연료를 주입해야 하는데, 민간용 로켓은 상관없지만 언제 발사해야 할지 모를 군사용 로켓 병기와 미사일 용도로서는 부적합한 면이 있다. 만들어 두고 언제든 버튼만 누르면 발사되는 고체로켓은 군사용으로 매우 적합하다.
그러나 고체로켓의 단점이 있는데 일단 불을 붙이면 제어가 사실상 불가능하다는 점. 고체 추진제는 한번 타들어가면 혼자 끝도 없이 타들어가며, 이를 제어하기는 매우 어렵다. 필요에 따라 불을 껐다가 다시 켜거나, 혹은 추력을 줄였다가 다시 올리거나 하기가 어려운 것. 이 때문에 엄청나게 먼 거리를 날아가서 정확히 목표지점에 도달해야 하는 우주발사체나 ICBM에는 고체로켓을 사용하는 데 어려움이 있다. 다만 몇 가지 꼼수 비슷한 것을 통해 고체로켓도 어느 정도 불을 끄고 다시 켜거나, 추력을 제어하는 것이 가능하다.
불을 껐다가 다시 켜는 가장 간단한 방법은 다중 로켓이 있다. 즉 아예 고체로켓 추진 로켓을 여러 개를 가지고 있다가, 필요하면 하나 다 쓰고 그 다음엔 관성과 중력으로 날아가다가 다시 어느 정도 속도가 줄어들었다 싶으면 또 쓰는 식. 이때 이미 써 버린 연소관은 필요 없으므로 버리는 편이 더 좋으며, 이런 방식의 대표적인 방법이 단분리다.[28]
연소관을 여러 개 별도로 만드는 대신, 연소관 내부에 추진제를 여러 개 넣어두는 방법도 있다. 대표적인 방법으로 다중펄스 방식. 로켓 안에 두 개 이상의 추진제 뭉치를 넣어두는 대신 그 뭉치 사이에는 격벽을 둔다. 첫 번째 로켓을 점화시키면 같은 연소관 내부에 있더라도 첫 번째 추진제만 타들어가고 두 번째 추진제는 격벽에 막혀 열이나 압력의 영향을 받지 않으므로 그대로 있게 된다. 이렇게 첫 번째 추진제가 다 타고 난 다음에는 앞서의 경우처럼 일정 거리를 날아가다가 속도가 너무 줄었다 싶으면 다시 격벽 뒤의 두 번째 추진제를 점화시키는 방식이다. 이때 두 번째 추진제가 만드는 가스의 압력에 의해 격벽이 깨져나가고, 두 번째 추진제의 가스는 깨진 격벽을 넘어 노즐을 통해 바깥으로 빠져 나간다. 이것을 추진제를 두 개를 이용하면 이중 펄스 로켓, 여러 개를 쓰면 다중 펄스 로켓이라 한다. 현재 주로 미사일의 사거리 늘리기 용도로 쓰이는 방식.[29] 이 기술의 어려움은 첫 번째 추진제 작동시에는 격벽이 깨지지 않지만 두 번째 추진제 작동시에는 확실히 격벽이 깨져야 한다는 점이다.
다중펄스 방식보다 좀 더 쉬운 방식으로는 그냥 추진제를 두 종류를 넣어두는 것이다. 보통 로켓[30]에 있어서 가장 큰 힘이 필요한 것은 초기 가속 단계이며, 일단 속도를 얻고 난 다음에는 상대적으로 약간 더 적은 힘이 필요하다. 그래서 추진제를 두 종류를 넣어두는 것. 일단 연소관 내부의 외곽쪽, 앞쪽으로 연소속도가 느린 추진제를 넣은 다음 굳히고, 다시 그 안쪽 중심부, 외곽 쪽에 연소 속도가 빠른 추진제를 넣어둔다. 고체추진제는 중심부, 그리고 노즐에서 가까운 뒤쪽부터 타들어가게 되므로 중심부의 연소속도가 빠른 추진제가 먼저 타서 큰 힘을 만들고, 일단 최고속도로 가속될 때 즈음 외곽 쪽의 연소속도가 느린 로켓 추진제가 타들어가면 결과적으로 속도를 어느 정도 유지하면서도 더 오랜 시간 탈 수 있다. 흔히 이를 가속-지속(Boost-Sustain) 방식이라고 한다.
좀더 복잡한 방법으로 갈 경우, 전기제어 고체추진제(ECSP)를 이용할 수도 있다. 파이로일렉트릭 효과에 의해 인가된 전압에 따라 연소율이 변하는 현상을 이용한 것.
|
|
| 고체 로켓 추진제 형상에 따른 시간별 추력 그래프 |
고체 로켓의 경우 추진제의 형상이 매우 중요하다. 똑같은 추진제라 하더라도 타들어가는 면적이 넓으면 가스생성율이, 즉 연소가스 발생량이 많아져 연소실 압력이 커지고 추력이 세진다. 그래서 중심부 안쪽을 별모양이나 기타 복잡한 모양으로 만들어서 표면적을 넓히는 것. 이를테면 별모양의 경우 표면적이 넓으므로 빨리 타들어가겠지만, 이 별 모양은 추진제가 타들어감에 따라 그냥 원형으로 뭉개져갈 테고 그러면 표면적이 줄어들어서 가스발샹량이 자연스럽게 작아진다.
추력조절이 매우 힘들다는 단점을 해결하기 위해 산화재와 연료가 섞여 있는 고체 연료에서 산화제를 빼고 대신 액화 산소를 사용하여 연소를 조절하는 방법이 있다. 하이브리드 방식인데 다만 효율이 매우 낮다는 치명적인 단점이 있다.[31]
무기가 아닌 우주탐사 관점에서 고체 로켓의 단점은 추력 조절이 매우 어려워서 발사체의 세밀한 조종이 거의 불가능하고 비추력(효율)이 낮다는 것에 있다. 연소가스의 속도가 작아 같은 연료대비 큰 속도변화를 낼 수 없다는 뜻이다. 후술할 액체 로켓이 민간에서 자주 쓰이는 큰 이유.
민간 분야에서 사용하는 모형로켓은 고체 로켓의 일종이다. 그 외에도 대학생들의 취미로 만들어지는 경우가 많다. 국내의 경우 전국대학생로켓연합회에서 매년 발사대회를 연다.
국내에선 웬만하면 군사용이라는 그 특성상 고체로켓은 정부기관이 아닌 대학 연구실에서 연구주제로 다루는 일이 거의 없다. 국내 항공우주공학과 연구실 중 고체추진을 연구 분야로 다루는 곳은 2022년 현재 인하대학교가 유일하며 그마저도 우주발사체보다 군사무기 분야에 훨씬 가까운 상황이다.
2.2. 액체 로켓
액체 로켓은 말 그대로 연료가 액체인 로켓이다. 물론 연료 뿐만 아니라 산소를 공급하는 산화제 역시 액체이다.처음으로 액체 로켓이 쓸 만하다는 것을 밝힌 것은 미국의 과학자 로버트 H. 고다드다. 고다드는 수차례 성공적으로 발사시켰으나 생전에는 그다지 인정받지 못했고 정작 나치 독일에서 베르너 폰 브라운[32]이 그의 연구 결과를 잘 활용해서 V2를 개발한다. 1926년에 발사된 고다드의 로켓은 단순한 형태로 2.5초 동안 56m를 올라간 수준이었으나 현대 액체 로켓이 가진 기본적인 구조는 전부 가지고 있었다. 그리고 이걸 베껴서 시작한 베르너 폰 브라운의 V2는 1942년 발명되어 최초로 우주로 나간 인공 물체라는 타이틀을 따고 있을 정도로 엄청나게 발전했다.
한편 페루의 공학자인 페드로 파울레트(Pedro Paulet, 1874 ~ 1945) 역시 1895년에 액체 로켓을 제조했고 1900년에 최초의 근대적 로켓 추진 장치를 제조한 사례가 있었으나, 당시의 기술적 한계 등으로 실제 비행까지 가진 못했던 일이 있었다.[33]
(페드로가 실험한 'Avion Torpedo'의 설계도.)
현재 가장 널리 쓰이는 연료는 케로신, 즉 등유이며[34] 이 외에도 하이드라진이나 액체수소도 쓰이지만 두 물질은 폭발위험이 높고 특히 액체수소는 보관이 어렵고 히드라진은 맹독성물질이다.
산화제로는 사산화 이질소, 플루오린, 질산, 과산화수소, 액체산소가 쓰인다. 그러나 플루오린은 부식성이 너무 높아서 산화제 탱크나 도관이 녹아버릴 위험이 있고 질산은 그 자체가 강산이다. 액체산소는 말 그대로 산소를 액체화 시킨 것인데 온도가 영하 183 이하가 되어야만 가능하므로 유지에 어려움이 있고(우주로켓 발사 장면에서 로켓 표면에 간혹 얼음 덩어리 같은 것들이 덮고 있는 것이 이 때문이다.) 또한 액체산소 그 자체로도 폭발성이 제법 강하다. 나로호의 경우에는 1단 로켓의 연료로 케로신을, 산화제로 액체산소를 썼다.
액체인 연료와 산화제를 실제 연소가 이뤄지는 연소실로 제대로 보내려면 연료와 산화제의 압력이 높아야 한다. 이 때문에 주로 펌프를 사용하는데, 연료와 산화제를 안정적으로 공급하는 펌프를 만드는 일도 꽤 어려운 기술 중 하나. 보통은 터빈을 이용한 터보펌프를 많이 사용한다. 터빈이란 쉽게 말해 일종의 풍차 같은 것이며, 고속으로 이동하는 가스에 의해 이 터빈이 돌아가면 거기에 축으로 연결되어 있는 펌프가 돌아서 산화제와 연료를 연소실로 보내게 된다. 이 터빈을 돌리기 위해서는 다시 고압의 가스가 필요한데 과거에는 별도의 연료를 또 넣어서 고온/고압의 가스를 만들어서 터빈을 돌렸다. 그러나 이는 너무 비효율적이므로 이후 추진기관 자체가 만들어내는 연소 가스 중 일부는 노즐로 빠져나가지 않고 터빈을 돌리는 쪽으로 되돌아오도록 하게 만들었다. 처음에는 이 터빈을 돌린 가스는 그대로 다른 곳으로 빠져나갔으나 최근에는 다시 연소실로 되돌아가도록 하여 효율을 극대화하고 있다.
액체 로켓의 최대 장점은 연료와 산화제의 양을 밸브로 조절하여 추력을 조절하거나 혹은 아예 껐다가 다시 켜는 것이 가능하다는 점이다.[35] 물론 기술적 한계로 대부분 액체 로켓은 최저추력이 존재하며[36], 재점화가 불가능하거나 몇번으로 제한된다.[37] 아무튼 이 때문에 고체 로켓에 비하여 상대적으로 정밀하게 움직이기 좋고 그래서 우주선이나 인공위성을 쏘아 올리는 데 적합하여 현재도 상업용 발사체는 대부분 액체 로켓을 쓰고 있다. 다만 우주왕복선의 경우 최초 상승 단계에서 추력을 추가로 얻기 위해 고체 로켓 부스터를 함께 사용하였다. 우주왕복선을 보면 양 옆에 가는 로켓이 두 개 더 붙어 있는데, 이것이 고체 로켓 부스터다.
액체 로켓의 최대 단점은 연료와 산화제가 변질되기 쉽거나, 강한 부식성을 가지고 있거나 하기 때문에 미리 넣어둘 수 없으며, 보통 로켓 발사 직전에 연료와 산화제를 주입해야 한다. 그래서 일단 만들어 놓은 다음에는 점화신호만 내리면 바로 발사되는 고체로켓과 달리 발사전에 연료와 산화제를 집어 넣는 준비시간이 필요하다. 군사용으로 사용되는 미사일류는 발사 버튼을 누르는 그 순간 적을 공격할 수 있어야 하는데 연료와 산화제를 집어 넣으려면 시간이 걸리는 방식은 그리 좋다고 할 수는 없다.[38] 게다가 대형 ICBM은 연료를 주입하는 과정을 적이 인공위성으로 관측, 정찰 할 수도 있으므로 이쪽이 미사일 발사 준비를 하고 있다는 것을 사전에 알 수도 있다.(ICBM이 지하의 사일로(silo)에 들어가 있는 이유 중 하나다. 지하에서 발사준비 작업을 하면 적이 알 수 없다. 또 하나는 적군이 만약 핵공격을 해와도 지하에 숨어서 그 공격을 피해내고 반격하기 위해서이다.) 또한 여러 이유로 연료와 산화제를 주입한 상태에서 로켓 발사가 취소되면 이 연료와 산화제를 도로 뽑아내야 하므로 이것도 일이다. 또한 고체로켓에 비하면 펌프가 필요하는 등, 기계적으로 복잡하여 대체로 액체로켓이 만들기 더 까다롭고 요구하는 기술도 더 많다. 더불어 같은 추진력이면 고체에 비해 액체가 부피가 더 크므로 액체로켓이 부피가 더 크며 이 부피를 유지하기 위한 탱크와 펌프 등을 고려하면 결과적으로 액체로켓이 고체로켓에 비하여 부피가 더 커지고 무게도 더 무거워진다. 특히 액체수소는 분자밀도도 낮고 영하 218.78 이하로 유지할 단열과 증발한 수소를 재포집할 수 있는 복잡한 시스템이 필요하다. 게다가 수소분자가 워낙 작아 금속 사이로 침투하여 찢어버리는 '수소 취성' 특성이나, 웬만한 밀봉을 뚫고 외부로 조금씩 유출되는 boil-off 현상 등 고려해야 할 사항이 늘어난다.
추가로, 현 액체 로켓은 비추력(효율) 관점에서 한계에 도달했다 보기도 한다. 70년대에 개발하여 미국의 우주왕복선에 탑재된 RS-25 액체수소-산소 엔진의 진공 비추력은 452.3s 임으로 수소-산소 화학반응에서 만들수 있는 이론상 최대 비추력인 528.8s의 86%가량 도달하였기 때문이다. 여러 기술적인 문제를 고려할 때 수소-산소 로켓엔진은 발전할 구석이 많지 않은것.
현대화학 이론상 가능한 최대 비추력은 542s 정도로 리튬, 플루오린과 수소 삼중연료가 필요할 것이라 예측된다. 출처 리튬과 플루오린의 큰 반응성을 고려했을 때 기술적으로 힘들지만 그만큼 개선될 효율이 크지않아 실현될 가능성은 적다. 특히 후술할 원자력 로켓이 효율도 훨씬 좋고 이미 70년대에 구현된적 있으니 더더욱 메리트가 떨어진다.
차세대 엔진으로 기대받고있는 스페이스X의 랩터 엔진의 진공 비추력이 378s임을 보면 한동안 화학기반 액체로켓은 효율보단 재사용여부 및 연료보급 문제 등 다른방향으로 발전할 것으로 보인다.
우주발사체용 액체로켓 기술 보유 국가 (볼드체는 유인우주선 개발 국가)
위 국가들은 모두 ICBM급 사거리를 가진 미사일 개발할 기술을 보유한 국가들이다. ICBM을 제작하는 데 필요한 기술과 인공위성을 발사할 때 필요한 기술이 같다. 매우 큰 로켓을 만들어서 인공위성을 실어서 쏘아올리면 인공위성 로켓이고, 탄두를 실어서 타 국가 영토에 떨어뜨리면 ICBM이 되는 것이다. 북한이 ICBM 실험을 하고서 인공위성 발사했다고 둘러대는 이유가 바로 이것이고 미국과 러시아도 퇴역했지만 수명이 남은 ICBM을 인공위성 발사체로 전용한 사례가 있다. 우주발사체는 우주로 올라가면 끝이지만 ICBM은 그 화물(즉, 탄두)가 다시 대기권에 재돌입 할 수 있는 기술이 필요하다. 물론 이 재돌입 기술은 ICBM뿐만 아니라 유인 우주발사체에서도 쓴다. 달 탐사나 우주정거장에 간 우주인이 다시 지구로 귀환하려면 대기권 재돌입이 필요하기 때문이다.
다만 한국은 애매한 것이 안보 위기를 느낀 중국 및 러시아[41]의 내정 간섭 및 압박으로 인해 타국의 안보에 영향을 주는 대기권 재돌입 기술은 개발하지 않겠다고 선언했다.
물론, 미국, 러시아, 중국, 일본, 유럽, 인도처럼 당장 ICBM으로 전용하지 못한다는 것 뿐이지 기술적으로는 언제든지 개발하려고 하면 개발할 수는 있다. 하지만 일단 한국은 최소 2040년 전까지는 유인 탐사 및 유인 우주선 개발을 하지 않기로 결정했으므로 당장은 필요 없는 기술이기는 하다. 2030년대에 예정된 한국형 달 탐사선의 경우도 무인 궤도선과 무인 착륙선으로 탐사하고 재돌입 캡슐은 회수 없이 대기마찰로 태워서 폐기해 버리는 쪽으로 결정했다. 유인우주선이나, 무인이더라도 실험 시료나 광물 채취를 하여 물체를 지구로 가져오려는 목적인 경우 재돌입 캡슐이 내열소재 등의 개발으로 불타오르지 않고 적절하게 감속하여 착수 또는 착륙하는 식으로 만들어 회수하게 된다. 한국은 이 기술을 개발하지 않은 것.
재돌입 기술 및 재돌입체 회수 기술은 장래에 유인 탐사를 추진할 때나 개발될 가능성이 높다. 물론, 그때도 중국과 러시아가 ICBM 만드려는 거 아니냐고 훼방을 놓는다면 유인 우주선의 발사 및 한국인 우주비행사를 우주로 보내고 궤도를 돌거나 달이나 화성에 갔다가 지구 궤도로 돌아오는 것은 한국 우주선으로 하되 지구 귀환 직전 제일 마지막 단계에서 ISS 등에 도킹시켜 사람과 물자만 빼내서 지표면 귀환은 미국이나 러시아 우주선으로 하고 그동안 타고 다녔던 빈 한국산 유인우주선은 대기 마찰로 태워버려 폐기하는 방안도 고려는 해 볼 수 있다. 달과 화성의 경우 대기가 희박해 재돌입 기술 및 내열처리가 되지 않은 통상적인 캡슐으로도 불타지 않고 이착륙할 수 있다고 한다.
2.3. 하이브리드 로켓
고체로켓과 액체로켓의 장점을 섞은 로켓. 보통 추진제는 고체를, 산화제는 액체를 사용하는 방식을 많이 쓴다.[42]즉 액체(혹은 기체) 산화제의 양을 조절하여 로켓의 추력을 조절하거나 아예 꺼버릴 수 있으며, 그러면서도 액체로켓에 비하면 가격도 저렴하고 최소한 연료주입에 필요한 시간과 노력도 아낄 수 있다. 물론 고체로켓에 비하면 더 복잡하고 무거우며, 액체 로켓에 비하면 추력의 조절기능이 아주 매끄럽지는 않다. 게다가 액체인 산화제와 고체인 추진제가 잘 섞이면서 연소과정이 이뤄지도록 하는 것도 기술적으로 관건.
미국의 민간인 우주관광용 발사체인 버진 갤럭틱에서 이 추진제를 처음 사용하였다.
한국에선 이노스페이스 스타트업이 한빛-TLV로켓으로 하이브리드 로켓을 개발, 브라질 알칸타라 발사센터에서 한국시간 2023년 3월 20일 02시 52분 성공적으로 발사하였다.
2.4. 램 로켓
이것은 엄밀히 말하자면 로켓이 아니라 램제트 기관에 속한다. 그래서 램로켓 보다는 고체추진 램제트라 부르는 경우가 더 많기도 하다.(혹은 '덕티드 로켓'이라 불리기도 한다.) 추진제는 고체추진제를 사용하는데, 산화제를 넣는 대신 램제트 방식을 응용하여 공기를 외부로부터 받는 것. 이 때문에 공기흡입구가 필요하며, 우주에서는 쓸 수 없다. 이 방식은 외부에서 공기를 끌어들여 압축한 다음 내보내므로 일반 로켓에 비하여 제트 엔진에 가까울 정도로 효율이 훨씬 좋아진다. 게다가 공기를 연소실로 들여보내는 양을 조절하면 하이브리드 로켓처럼 추력을 조절할 수도 있다.단점으로는 일단 별도의 부스터가 필요하다는 점. 램로켓 역시 램제트의 일종이므로 공기의 압축은 초음속 비행 중 발생하는 충격파를 응용한다. 바꿔 말하면 초음속 이하의 속도에선 제대로 작동하지 않는다는 소리. 이 때문에 보통 초기 가속단계에는 진짜 로켓(주로 고체로켓)을 부스터로 사용한다.
램제트 방식의 또 다른 단점은 공기의 흡입양과 질이 매우 중요하다는 점. 가만히 똑바로 날아가는 상태라면 상관 없지만 미사일처럼 중간에 경로를 급격히 바꾸거나 할 경우에는 공기의 흡입량이 순간적으로 변하거나, 혹은 아예 공기가 제대로 들어오지 않거나 할 수 있다. 이 경우 산소의 공급이 원활하지 않아서 연소가 불안정해지거나 아예 불이 꺼져버릴 수 있다. 불꽃만 튀기면 다시 불이 붙는 액체로켓과 달리 고체 추진제는 일종의 작은 화약인 별도의 점화 장치가 필요한데, 이것은 1회용이므로 결과적으로 점화기를 미리 여러 개 만들어 두지 않는 한 한번 불꽃이 꺼지면 되살리는 것은 불가능.
이를 위해 최근에는 2단계 연소 방식을 사용한다. 즉 아주 약간의 산화제를 함유한 추진제에 일단 불을 붙인다. 보통 이 부분을 가스발생기(gas generator)라 부르는데, 여기서는 일단 연소과정이 이뤄지지만 제대로 연소가 다 이뤄지지 않고 불완전 연소가 된 가스가 발생하게 된다. 하지만 산화제가 기본적으로 소량이나마 함유되어있으므로 공기 흡입이 원활하지 않아도 어쨌거나 연료가 꺼지지는 않는다. 이렇게 만들어진 불완전 연소된 가스는 다시 주연소실로 가서 외부에서 흡입된 공기와 만나 완전 연소가 된다. 이 방식은 공기 흡입이 제대로 되지 않았을 때, 순간적으로 추력이 약해질 지언정 아예 꺼져버리는 것은 막을 수 있다.
현재는 주로 미사일들의 사거리 늘리는 용도로 쓰이고 있으며 대표적인 램로켓 방식 미사일로 SA-6나 미티어 등이 있다.
2.5. 원자력 로켓
화학작용 대신에 원자력을 에너지원으로 사용하는 로켓엔진이다. 물론 원자력 자체만으로는 아무 추진력을 발생시킬 방법이 없고 추진제는 별도로 싣고 다녀야 한다. 단지 화학로켓처럼 연소를 시키지 않아 산화제가 필요없을 뿐 어떤 식으로든 추진제는 사용된다.가장 간단한 방식으로는 고온의 원자로에 추진제를 통과시켜 가열, 팽창시킨 후 그 압력으로 분사하는 열핵 로켓(Nuclear Thermal Rocket)이 있다. 일반적인 원자로를 사용하는 방식은 이미 1950~70년대에 미국과 소련에서 개발되었고 가동실험도 했으며 거의 실제 사용이 가능한 단계 직전까지 갔다. 프로젝트 로버 (pdf 자동 다운로드 링크)나 NERVA(네르바) 엔진 등이 개발되었으며, 특히 네르바 엔진은 지상실험에서 비추력 841s을 가지며, 이는 모든 화학로켓을 압도하는 효율이다. 해당 실험에서 1680초동안 최대출력으로 가동하며 가능성을 보였다. 미국에서 화성 유인탐사용으로 사용할 계획이었지만 원자력이 민감한 문제다 보니 실제 쓰이지는 못했다. 추가적인 정보는 나사의 발표자료 (pdf 자동 다운로드 링크)를 참조하자. 헌데 그 원리상 대기 중에서 공기를 가열하게 바꾸면 제트엔진으로 쓸 수도 있다. 그 대표적인 예가 프로젝트 플루토.
단순히 추진제가 열로 인해 팽창되는 방식이지만 원자로를 사용하니만큼 일반 화학로켓보다 효율이 더 좋다. 특히 추진제로서는 쉽게 데워서 잘 팽창하는 물질이면 대부분 쓸 수 있는데, 외계 행성에서 액화메탄이나 물 등 추진제를 수급하는 것도 가능하다. 하지만 가장 이상적인 것은 수소로써, 무게가 가볍기 때문. 왜 수소가 이상적인가를 이해하려면 로켓의 원리에 대해서 잠시 생각을 해 보아야 하는데, 작용 반작용의 법칙을 사용하므로 운동량 보존의 법칙에 따라 추진제를 빠르게 밀어낼수록 로켓의 효율이 좋아진다. 물론 추진제의 무게가 가벼우면 추진력은 떨어지겠지만 이는 효율과는 아무 상관이 없다. 그런데 열핵 로켓은 추진제로 가장 가벼운 수소를 쓸 수 있으니 그만큼 빠르게 분사가 가능하고 무거운 산화제와 연료를 사용하는 화학 로켓에 비해 더욱 효율이 좋아지는 것. 물론 더 무거운 액화메탄 등을 사용해도 화학 로켓보다는 어느 정도 효율이 더 좋다.
단점으로는 원자로를 써야 하는 만큼 가격과 관리 면에서 상당히 골치아프다는 것. 게다가 원자로의 무게가 무겁다 보니 중력을 이기고 날아올라야 하는 지상 발사시에는 쓰기 어렵고 우주 공간에서 쓰기 더 좋다. 또 연료인 수소의 경우 밀도가 낮아 무게 대비 부피가 크고 보일오프 현상으로 증발하므로 관리가 어렵다. 게다가 추진제를 뜨겁게 가열할수록 효율이 더 좋아지므로 열 효율을 높이기 위해 현존 원자력 발전소 등과는 달리 개방식이다. 즉 열교환기 등을 쓰지 않고 원자로 내부에 그대로 연료를 통과시키므로 방사능도 신나게 나오게 된다. 굳이 원한다면 효율 감소를 감안하고 폐쇄식으로 할 수도 있으며, 방사능은 어차피 우주에서 쓸 것이면 별 상관은 없는 문제지만.
이 방식은 효율을 높이기 위해서는 원자로의 온도를 높여야 하는데, 그러다보면 핵연료가 고열을 버티지 못하고 녹아서 노심용융이 일어나기 때문에 한계가 있다. 그런데 여기서 막장급의 발상이 나오는 것이 우주공간에서는 방사능 걱정이 없으니 일부러 노심용융을 일으킨 상태에서 가동시키는 액체노심 방식으로, 액체 핵연료에 그대로 추진제를 섞어 가열한 뒤 원심분리기 등을 사용해 추진제만 따로 분리해 분사하는 것이다. 초고온의 핵연료를 직접 담아둘 방식이 없으니 보다 낮은 온도의 추진제로 감싸서 반응로 안에 담아두고 데워지자마자 노즐 밖으로 내보내는 식의 아이디어가 제시되고 있는데, 이 경우 추진제가 충분히 가열될 만큼 핵반응을 유지시키고 연료가 새어나가지 않게 하는 것이 기술적으로 대단히 어려운 일이다. 때문에 이론적으로는 효율이 훨씬 더 좋지만 실현시키기는 매우 어려울 것으로 보고 있다. 현존하는 용융 핵분열 로켓 디자인으로 NASA의 Liquid Annular Reactor System (LARS)가 존재한다.
또한 말이 안 되는 아이디어가 있다. 노심 온도를 수십만 도, 즉 기체가 될 때까지 올리는 것이다. 효율이 더욱 올라가지만 액체 노심 방식도 만들 수 있을지가 의문인 상황이니 더욱 가능성이 희박한 방식이다. 핵연료가 녹아서 엄청난 고압 고온의 가스 상태가 되는데 이를 용기 안에 붙잡아둘 방법은 현재로서는 존재하지 않는다. 어떻게 되기만 한다면 핵연료를 석영유리에 가둬놓고 거기에서 나오는 방사선을 쪼여서 추진제를 데우는 핵 전구 컨셉도 있다. 1968년 NASA에서 핵 전구와 개방형 와류 안정화 가스 핵 로켓을 연구한 적이 있다 Bauer, H. E., & Mc Lafferty, G. H. (1968). Studies of specific nuclear light bulb and open-cycle vortex stabilized gaseous nuclear rocket engines (No. NASA-CR-1030). NASA.
헌데 여기서 발상을 조금 달리해 핵 연료를 굳이 분리하지 않고 쓰는 방식이 있다. 임계밀도의 우라늄염 수용액을 사용하여 연속적인 핵분열을 일으키는 원자력 염수로켓이다. Robert Zubrin 박사가 1990년대에 제안하였다 Nuclear salt water rockets - High thrust at 10,000 sec I(sp). 고순도 우라늄은 임계질량 이상이면 스스로 핵분열을 시작하는데, 이 로켓은 이를 막기 위해 고순도 우라늄염 수용액을 중성자 차폐구조의 탱크에 저장해 뒀다가 우주선 뒤로 분사하는 방식으로 즉 핵연료가 섞인 물이 그대로 반응하면서 추진제가 되고 반응되는 상태로 그대로 분사된다. 기술적으로는 단순하지만 임계밀도의 물건을 싣고 다니고 별도의 제어가 어려우니만큼 잘못하면 연쇄반응으로 우주선이 날아가버릴 수 있는 위험도가 매우 높은 방식으로 간주되고 있다.[43] 게다가 개방 사이클이다 보니 우라늄을 노즐에 그대로 분사하여 매초마다 체르노빌 원자력 사고에 준하는 방사능 오염을 일으킬 수 있다.[44][45] 그래도 만약 실현 가능하다면 현존 화학 로켓의 효율을 십수 배는 능가하고 추력도 어마어마해서 SF에나 나오는 우주선을 실제로 만들 수 있는 방법이기도 하다.
현실적으로 구현 가능한 다른 방법으로는 추진제가 실린 핵폭탄을 우주선 뒤에서 지속적으로 터트려 반발력으로 날아가는 오리온 프로젝트, 혹은 핵 펄스 추진방식(Nuclear Pulse Propulsion)이 있다. 문서를 참조하면 알겠지만 우주선 뒤에 거대한 완충장치가 달린 방어판을 달아서 충격을 흡수하며 날아간다. 변형으로 메두사란 것도 있는데 이는 우주선 앞에 거대한 돛을 달고 여기에서 핵폭탄을 터뜨리는 방식으로 방어판보다는 가볍고 충격 흡수에 유리할 것으로 보고 있다. 이쪽은 성능이 넘사벽으로 우수하고, 무거운 원자로도 없으므로 추력도 타 로켓과 비교도 되지 않게 높다. 게다가 스케일을 키운다면 더 높은 수율의 핵폭탄이나 수소폭탄을 사용할 수 있어 다른 방식에 비해 커질수록 효율은 오히려 올라가는 장점이 있다. 물론 단점은 어쨌건 핵폭탄이 우주선 바로 앞뒤에서 터지고 있다는 것이다. 게다가 흔히 생각하는 로켓처럼 꾸준한 궤도 수정이 불가능하고 핵 하나 터질 때마다 급가속되다 보니 조종 면에서도 어려움이 생긴다. 무엇보다 이게 사고로 대기권에서 폭발하기라도 했다간 뉴클리어 아포칼립스를 생각해야 할 판인지라 원자력 연료를 달이나 화성 등에서 수급하고 조립도 우주에서 하는 방식이 아니라면, 적어도 이 모든걸 싸들고 지상에서 발사되는 방식으로 만들어지기는 힘들 것으로 보인다.
1990년대 들어서는, 반물질을 점화장치로 사용하는 ACMF 역시 우주 탐사방식으로 연구되고 있다.
핵 펄스 추진방식의 원자력 로켓은 아직까지는 너무 높은 위험성 때문인지 개발이 재개되지 않고 있지만, 위험성이 상대적으로 낮고 기술적으로도 만만한 열핵 로켓 방식의 원자력 로켓의 경우에는 미국을 중심으로 개발이 재개되고 있으며 향후의 유인 화성 탐사 계획에서의 사용이 검토되고 있다고 한다. 결국 유인 화성 탐사를 하려면 원자력 말고는 답이 없다는 결론이 나온 모양.
2023년 1월 25일, DARPA가 NASA와 열핵로켓 개발협력을 발표하였다. 빠르면 2027년까지 시연할 계획. NASA 발표 네이버 뉴스 이는 기존 NASA가 BWXT사와 협력하여 개발중이던 저농축 열핵로켓 프로젝트와 DAPRA의 Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations (DRACO) 프로젝트간의 큰 유사도 때문에 중복투자를 막기위해 통합된 것으로 보여진다.
21세기의 독자들은 잘 모르는 물건이지만 20세기 중반의 고전 SF에서는 이런 원자력 로켓이 굉장히 많이 등장했다. 대표적으로 SF의 대가 로버트 하인라인만 해도 최초의 원폭이 투하된지 불과 2년 뒤인 1947년에 토륨 원자로를 동력원으로, 아연을 추진제로 쓰는 우주선으로 달탐사를 하는 소설(Rocket Ship Galileo)을 썼다. 당시에 이미 실용화될 물건으로 연구되고 있었고 실제로도 실용화 직전까지 갔으므로 SF 작가들이 눈여겨본 것은 당연. 이런 물건을 지상에서 사용해서 발사장이 방사능 오염으로 격리된 시설로 나오는 뭔가 막장스런 묘사도 많았다.[46] 21세기엔 좀 더 미래적이거나 그냥 과학적 설명을 포기한 요상한 물건이 더 많이 나온다.
2.5.1. 핵융합 로켓
핵융합으로 만든 열로 추진체를 데운 뒤 팽창하는 것을 분출시켜 추진하는 방식의 로켓. 기본적으론 열핵 로켓이며 대기 중에서 공기를 가열하게 바꾸면 제트엔진으로 쓸 수 있다는 것도 마찬가지이지만, 핵분열 원자로가 아닌 핵융합 원자로를 이용한다는 것이 다르다.핵융합의 효율은 핵분열보다 높기 때문에, 훨씬 적은 추진체로 가속할 수 있다. 다만 핵융합을 돌릴 수 있는 방법이 수소로 제한되기에 행성에 따라선 연료를 조달할 수 없다.
관련 연구로는 NASA에서 토카막 중수소-헬륨3 핵융합로를 사용한 목성/토성 유인탐사선 시스템 설계가 있다. Williams, C. H., Dudzinski, L. A., Borowski, S. K., & Juhasz, A. J. (2002). Realizing" 2001: A space odyssey": Piloted spherical torus nuclear fusion propulsion. Journal of spacecraft and rockets, 39(6), 874-885.
한편 상기한 열핵 로켓 방식의 핵융합 로켓과는 별개로 핵 펄스 추진방식의 핵융합 로켓도 이론상으로는 역시 있다. 이쪽은 핵 펄스 추진방식이지만 핵폭탄으로 원자폭탄 대신 수소폭탄을 사용하는 방식.
건담 시리즈에 등장하는 기체들의 추진방식이 대부분 이 방식이다. 시리즈마다 미노프스키 드라이브, 보와튜르 뤼미에르, GN드라이브 같은 특수한 추진장치가 나오거나 대기권 내에서만 운용하는 기체는 열핵 제트 엔진을 달고 나오기도 하지만, 따로 설정이 안 붙어 있는 기체는 대부분 열핵 로켓 엔진이라고 볼 수 있다.
마크로스 시리즈에 등장하는 기체들의 추진방식인 열핵 터빈 엔진 역시 이 방식이다.
2.6. 전기추진 로켓
장거리 우주항행이나 우주 비행체의 자세 변경 등에 사용하는 로켓 모터 중에는 연료를 연소해 추력을 얻는 방식이 아닌 것들이 있다. 우주탐사선 하야부사에도 사용된 이온 엔진은 이온을 전자기적으로 가속하는 로켓이며, 효율이 엄청나게 좋아 장시간 가속에 최적이다. 진공상태의 우주에선 자연적으로 속도를 감속시키는 요소인 대기나 중력 같은 게 없어서 가능하다. 실제 이온엔진의 추력은 100~300밀리뉴턴(mN) 정도인데 이걸로는 종이 한 장 못 들어올린다.[47] 하지만 그만큼 연료소모가 미세할 만큼 연비가 좋고 한번 시동 걸면 4~5년 동안 가속이 가능하므로 시간이 흐르면 흐를수록 일반화학 로켓 따윈 씹어먹는 속도가 나온다. 가속도는 시원찮지만 장시간 켜놓기 때문에 엄청난 속도를 낼 수 있는 것이다.VASIMR(가변 비추력 자기 플라즈마 로켓, Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket) 엔진은 플라즈마를 가열하여 가속하는 엔진으로, 이온 엔진의 일종으로 분류되지만 일반적인 이온 엔진과는 달리 자기장으로 플라즈마를 단단히 가둔 상태에서 분사하기 때문에 일반적인 이온 엔진보다 내구성이 좋고 구조가 간단하며 높은 가속력을 기대할 수 있다 한다.[48] RF방식으로 연료를 가열하며[49], 이는 현재 핵융합로에서 사용되는 가열법중 일부이기 때문에 핵용합 조건온도까지 가열하지 않을뿐 대략적인 시스템은 핵융합 로켓과 유사하다. 아직은 실용화되지 못한 실험적 로켓이다. 실험 논문 기술적으로는 실현이 불가능하진 않지만, 일반적인 이온 엔진에 비해 보다 대량의 전력을 필요로 하는 관계로 원자로의 탑재가 필요하다는 점 때문에 현실적으로는 상당한 위험부담이 있어 아직 실용화가 되지 못하고 있다.
2.7. 기타 추진방식
해당문단은 Atomic Rockets 하드SF 사이트를 참고하였다.위에서 서술한 일반적인 로켓 이외에 어떻게든 추진하기 위해 여러 컨셉들이 제안되고 있다.
|
|
|
|
|
|
그 이외에도 태양광이 아닌 방사능 물질에서 뿜어나오는 방사선 그 자체를 추진력으로 삼는 Fission Sail 이나,
수소 분자 (H2)가 아닌 단수소 (H)를 금속수소에서 뽑아내서 비추력을 더욱 높인 준안정 금속 수소 로켓,
핵융합/핵분열 펠렛을 고속으로 충돌시켜 운동에너지로 임계질량 미만의 펠렛도 반응시키는 충격 점화식 마이크로 핵융합/핵분열,
반물질을 텅스텐 코어에 투하해 일부 물질-반물질 소멸로 발생한 감마선과 열로 수소를 가열하여 추진하는 반물질 고체코어 추진기 등 상상력의 한계에 도전하는 여러 컨셉이 존재한다. 출처: NASA Technical Memorandum 107030 AIAA–87–1814 (1.5MB PDF 자동 다운로드)
3. 무기체계에서의 로켓
로켓 병기 문서 참조.4. 로켓 수송차량
로켓만큼 유명한 것이 로켓 수송차량인 Crawler-Transporter이다. 네 개의 거대한 캐터필러를 구동하여 로켓을 발사대까지 수송하는 역할을 한다. 최고속도는 시속 1.4km로, 거의 사람이 걷는 수준으로 느리다. 이유라면 수십, 크면 100미터도 거뜬히 넘어가는, 무게도 수백톤은 간단하게 넘기는 거대한 로켓과 그 아래에 들어가는 MLP(Mobile Launch Platform)[50]를 아무런 이상 없이 수송시켜야 하기 때문에[51] 엄청나게 느린거다. 사진을 보면 알겠지만, 엄청나게 거대하다. Crawler-Transporter폴아웃 3의 모빌 베이스 크롤러의 모티브이다.
5. 로켓 개발 모델
로켓을 제작할 때 진행되는 시스템공학적 절차는 다음과 같다. 해당 로켓에 얼마나 익숙한지에 따라 몇 절차는 생략할 수 있다. 예를 들어 한국이 독자적으로 개발한 첫 로켓 누리호는 모든 모델단계를 거치며 신뢰성을 확보하였고, 미국의 델타 IV나 아틀라스 V는 몇 단계를 한번에 진행하거나 바로 FM 비행모델을 제작하는 등 우주강국의 저력을 보였다. 출처-
MU
Mock-Up. 개발 초기에 처음으로 만드는 모델. 설계도면에 따라 만드는 것이 가능한지 테스트 하는 모델. -
DM
Development Model. 구성품 각자의 성능을 확인하는 모델. -
EM
Engineering Model. 시스템을 검증하는 모델. -
QM
Qualification Model. 검증 모델. 실제 발사체와 거의 동일하게 제작되는 모델. -
FM
Flight Model. 비행 모델. 실제로 발사되는 모델.
6. 로켓 목록
|
|
|||
|
{{{#!wiki style="margin: 0 -10px -5px" {{{#!folding [ 펼치기 · 접기 ] {{{#!wiki style="margin: -6px -1px -11px" |
현재 주요 우주 개발 프로젝트 | ||
|
|
♂ |
|
|
| 루나 게이트웨이 | 화성 개척 | 아르테미스 계획 | |
| 주요 우주 개발 기관 | |||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 주요 우주 개발 기업 | |||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 국가 기관 주력 발사체 | |||
|
[[러시아| |
[[러시아| |
[[러시아| |
|
|
[[미국| |
|
[[중국| |
|
|
[[인도| |
[[인도| |
[[일본| |
|
|
[[대한민국| |
[[북한| |
||
| 민간 기업 주력 발사체 | |||
|
[[미국| |
[[미국| |
[[미국| |
|
|
[[미국| |
[[일본| |
[[일본| |
|
|
[[중국| |
|||
| 소형 발사체 | |||
|
[[미국| |
[[미국| |
[[미국| |
|
|
[[대한민국| |
|||
| 운용 예정 발사체 | |||
|
[[미국| |
[[미국| |
[[미국| |
|
|
[[미국| |
[[러시아| |
|
|
|
[[대한민국| |
|||
| 소형 발사체 | |||
|
[[대한민국| |
[[대한민국| |
||
( 대륙간 탄도 미사일 계열 로켓은 해당 문서 참조)
- 나로호
- 누리호 시험발사체
- KSLV-II 누리
- 한국형 고체연료 발사체
- 한빛-TLV
- 까삼 로켓
- 델타
- 새턴
- 스타십(스페이스X)
- 시 드래곤
- 신기전
- 아리안
- 아틀라스
- 안가라 로켓
- 어네스트 존
- 에네르기아 로켓( 부란 발사용 로켓)
- 엡실론
- 우주왕복선
- 은하 로켓, 광명성 로켓
- 일렉트론 로켓
- 주화
- 창정
- 천리마-1
- 카이로스(로켓)
- 콩그리브 로켓
- 타이탄
- 팰컨 9
- 팰컨 헤비
- 페가수스 로켓
- H-II
- H-IIA
- H-IIB
- H-III
- Hapith I
- Hapith V
- HTTP-3A[52]
- N1
- R-7
- SLS
- V-2
- 국가별 로켓 목록
- 미노타우르
- 물로켓
- 로켓 캔디
- 유령 로켓
- 스핀런치[53]
7. 관련 인물
8. 로켓(대전차 로켓, 미사일)이 등장하는 작품 목록
- Classroom☆Crisis
- Grand Theft Auto 시리즈
- Kerbal Space Program
- Juno: New Origins
- To the Moon
- 강철의 왈츠[54]
- 기동전사 건담
- 게리모드
- 개구리 중사 케로로
- 고양이 당인전 테얀데에의 오미츠
- 도미네이션즈 - 공격 헬리콥터(도미네이션즈), 바주카(도미네이션즈), MRL(도미네이션즈), TOS-1 전차(도미네이션즈) 등
- 둠 시리즈
- 라이언 일병 구하기
- 레고
- 에반게리온
- 로켓걸
- 로켓맨(만화) - 개인적으로 소유즈 로켓을 조립하는(...) 사내들이 주역이다.
- 로켓리그
- 로켓티어 - 등에 로켓을 짊어지고 하늘을 나는 주인공이 등장하는 미국 만화 및 영화 작품.
- 로켓 나이트 어드벤처스 - 로켓티어의 영향을 크게 받은 비디오게임.
- 로보트 태권 V
- 록맨 시리즈
- 리그 오브 레전드
- 마리오 카트 시리즈
- 마징가 시리즈
- 메탈슬러그 시리즈
- 바이오하자드 시리즈
- 배틀필드 시리즈
- 소닉 더 헤지혹 시리즈
- 슈퍼 마리오
- 슐트
- 스타워즈
- 스타크래프트
- 스트라이크 위치스
- 신기전(영화)
- 아이언맨
- 여름의 로켓 - 초등학생들이 여름방학에 로켓을 디자인하고 제작하여 인공위성을 발사하는 이야기. 황당하다고 생각된다면 작품을 꼭 직접 읽어보자.
- 오버워치
- 워썬더
- 인터스텔라
- 일상
- 제트팩 조이라이드
- 천재소년 지미 뉴트론
- 철인 28호 - 작중 우주 로켓이 여러 번 등장할 뿐 아니라, 주역 로봇인 철인 28호가 로켓 엔진 두 개를 짊어지고 있어 이를 분사해 비행하거나 적에게 돌격한다.
- 초강전기 키카이오(테크 로맨서)
- 초력전대 오레인저 - 봄버 더 그레이트
- 카트라이더
- 콜 오브 듀티 시리즈
- 쿵푸팬더
- 퀘이크 시리즈
- 크레이지 아케이드
- 클래시 로얄
- 터미네이터 3
- 팀 포트리스
- 파워스톤 2
- 파피용(소설)
- 포켓몬스터 - 철화구야
- 포트리스
- 퓨리
- 플라네테스
- 헤일로 시리즈
- 로켓보이
9. 관련 문서
[1]
각종 우주 관련 음모론 중에서 심심치 않게 등장하는 것이 우주에는 산소가 없으므로 로켓이 추진력을 얻을 수 없다(...) 인데, 이는
로켓의 개념 자체를 모르기 때문에 하는 소리이다. 우주에는 로켓이 작용 반작용의 법칙에 따라 밀어낼 매질(공기 등)이 없기 때문에 추진력을 얻을 수 없다는 음모론도 있는데(사실 고다드가 로켓을 개발할 당시에 뉴욕타임스도 이러한 주장을 했다) 이는 뉴턴의 운동 법칙을 잘못 이해한 결과이다. 간단히 말하면 추진체가 공기를 밀어내는게 아니라 로켓 그 자체를 밀어내는 것이다. 나중에 뉴욕타임스는 아폴로 11호가 발사된 다음날, 이미 세상을 떠나고 없는 고다드에 대한 공개 사과문을 게재하였다.
#
[2]
그의 논문은 '반작용 추진 장치를 이용한 우주 탐사 연구(Исследование мировых пространств реактивными приборами)'이다.
[3]
오늘날에도 일부
폭죽이
이런 모양으로 나온다. 만화나 애니메이션 등지에서 나오는 도화선에 불붙혀 날리는 알록달록한 종이 로켓이 이것.
[4]
아폴로 계획 음모론을 제기한 자들과 같은 우주 관련 음모론자들은 종종 "우주는 공기가 없는데 어떻게 로켓이 추진력을 얻냐!!" 혹은 "진공상태에서는 매질이 없어 로켓이 추진력을 얻을 수 없다!!" 등등의 얘기를 하는 경우가 있으며, 생각보다 이러한 무식한 주장을 하는 음모론자들이 많다. (만약 그런 음모론자거나, 자신이 이런 비슷한 생각을 갖고 있다 싶은 상태로 이 문서를 읽고 있다면 위의 로켓 정의를 다시 읽어보도록 한다.) 단순히 우주로켓이나 우주선에서 내부의 공기와 같은 물질들이 외부로 유출되어도 그 자체로 자세가 불안정해지거나 추진이 된다.
[5]
이온 엔진도 로켓의 일종이다.
[6]
우주에서 로켓 없이 움직이려면
태양풍의 압력으로 움직이는
솔라 세일(태양돛)이나 우주공간에 조금씩 흩어져있는 수소원자를 집어삼켜 이를 원료로 추력을 얻는 램스쿱 추진같은 특이한 방법이 필요하다. 참고로 솔라 세일은 2015년에 시험이 성공적으로 완료된 기술이지만 우주 램스쿱은 아직까지는 이론만 존재하며 실현 가능성이 불확실하다.
[7]
블러드하운드 LSR의 경우 제트엔진과 하이브리드 로켓 엔진이 같이 탑재된 경우이다.
[8]
이 때문에 미사일들의 로켓 엔진 가속 시간은 10초 정도이며, 나머지 거리는 활공해서 간다. 활공 속도가 마하 2~3을 넘나들 뿐.
[9]
공기를 뒤로 내뿜는 것 자체가
미사일이 앞으로 나가는 원리일 뿐, 이렇게 뿜어낸 가스가 주변의 공기를 밀어내서는 아니다. 만약 주변의 공기를 밀어내는 것이라면 공기가 없는 우주 공간에서는 로켓이 날아갈 수 없다. 실제로 과거 뉴욕 타임즈에서 이를 잘못 이해해서 로켓은 우주에서 날 수 없다는 기사를 썼던 적도 있었다고…
[10]
이 글을 이해하기 어렵다면 실생활에서 욕실 샤워기에 물을 틀거나 공업용 컴프레셔에 에어호스에 에어건을 끼운채 압축공기를 발사하되 바닥에 놔두거나 손으로 힘을 주지 않은 채 잡으면 공기나 물의 반작용으로 인해 호스가 미쳐 날뛰는 것을 볼 수 있다.
[11]
그러나 로켓 엔진의 한 종류인 액체 로켓 엔진의 경우 액체 상태의 극저온 산화제를 적게는 수십 기압에서 많게는 수백 기압으로 가압하기 위한 터보펌프라는 물건을 함께 가지고 가는데, 우주 왕복선 메인 엔진의 경우 이 터보펌프 때문에 NASA에서 6년간 수십 명의 엔지니어들이 달라붙어 고생했다는 사실을 생각해 본다면 무작정 쉽진 않다.
[12]
제트엔진의 공기 흡입 성능에 대한 문제를 개선하기 위해 초음속으로 공기를 흡입하여 연소할 수 있는 스크램제트 등의 추진기관 또한 발명되었으나, 이런 엔진은 또 저속에서는 아예 작동이 불가능하거나 제 성능을 내지 못한다.
[13]
추진 기관이 소모하는 추진제가 단위 질량당 발생할 수 있는 유효 충격량을 의미하는 값이다. 150s, 300s 와 같이 나타내거나, 150N/(kg-s) 등으로 나타내며, 단위 중량의 추진제를 소모해서 얼마나 많은 충격량(모멘텀)을 발생시킬 수 있는지 하는 로켓 엔진의 연비에 해당하는 단위인데 속도 단위나 초 시간 단위로 표시. 속도 단위면 배기가스의 배출 속도이고 초 단위라면 단위 추진제를 써서 수직으로 발사해 떨어지기 시작하는 시간 곱하기 중력 가속도 (9.8 m/sec)
[14]
글을 읽으면서 이상한 점을 느꼈을지 모르지만 순 수소의 경우에 연료가 산화제보다 많이 필요한 게 맞는다. 수소(부피)와 산소(부피)의 연소비가 8:1로 이는 수소분자 두 개에 산소 분자 하나가 결합하기 때문에 생기는 일이다.
[15]
드문 케이스지만 로켓을 이용하여
전투기에 로켓 엔진을 달 궁리를 하기도 하였다. 대표적인 것이 최초의 로켓전투기인
Me 163. 작전 가능시간은 10분 남짓이었다. 항공기가 아주 짧은 활주로에서 이륙하는 보조수단으로 RATO(Roccket Assist Take-Off)라 불리는 로켓 부스터를 쓰는 경우는 있다.
[16]
다만 대기권 내에서 쓰이는 대부분의 미사일은 공기저항에 의해 실질적으로는 날아가면서 속도나 고도 둘 중 하나를 까먹으면서 날아간다.
[17]
XRS-2000 리니어 에어로스파이크 엔진. 이걸 장착하려던 SSTO 벤처스타는 더 가벼운 연료통을 제조하지 못해 계획이 중단되었다. 에어로스파이크는 효율은 좋지만 데 라발 노즐 엔진에 비해 시스템이 무겁다.
[18]
바람 부는 날에는 엉뚱한 곳으로 날아가서 못 찾게 되기 쉬우므로 로켓에 이름과 연락처를 써 놓으면 좀 낫다. 법적 절차를 밟은 다음 발사를 해야 한다. 한국은 분단 국가라 무기로 활용될 소지가 높은 물건에 대한 제재가 심하다. 절차를 밟은 다음 반드시 주변에 사람이 없는 곳에서 발사하도록 하고 설계를 제대로 하고 발사해야 한다. 이를 제대로 안 하면 폭발하는 경우도 있고 심각한 상해를 야기한다. 발사 전에 반드시 어디 묶어놓고 테스트를 해보아야 한다. 제대로 된 설계 없이 발사하는 것은 자살 행위이다. 주변에 있는 사람이 사망할 수 있다. 최근 아마추어 로켓 커뮤니티에서 이런 일이 자주 발생하는데 아주 위험한 행위이다. 안 그래도 사고가 자주 발생해서 이미지 자체가 좋지 않은데 이는 본인 집에 불지르기 그 이상 그 이하도 아니다. 사람이 사망하는 사고도 일어난다.
[19]
별거 아닌 거 같이 보여도 설계를 제대로 하고 제작을 하면 음속은 가뿐히 넘는다.
[20]
물론 우주발사체나 대륙간 탄도 미사일에 비해 대충 제작해도 된다는 거지 이쪽 역시 상당히 정밀한 설계가 필요하다.
[21]
추력을 무게로 나눈 것을 추력 대 중량비, 즉 추중비라고 한다.
[22]
오른쪽 위에 Speculative (의심되는) 물리라고 나온 영역이 SF의 영역이다.
[23]
지상에서 보내온 레이저나 태양열을 오목거울로 모아 연료(주로 수소)를 가열하여 추진하는 엔진
[24]
흔히 말하는 고폭약(High Explosive) 종류.
[25]
로켓 추진제는 생각보다 쉽게 불이 붙지 않는다.
[26]
전쟁이 나지 않는 이상, 보통 미사일이나 로켓은 훈련용으로 소모하는 것들을 제외하면 30년 넘게 전쟁에 대비하여 보관해 둔다.
[27]
녹일 수 없는 타입은 일단 굳어 버렸으므로 연소관 및 관련된 부분까지 싹 새로 갈아치워야 한다.
[28]
다만 단분리는 액체로켓에도 쓰이는 방식이다.
[29]
한때 천궁 미사일이 이 방식의 다중펄스 로켓을 쓴다고 잘못 알려진적이 있는데 이는
기자들이 측추력용 다중펄스 방식과 혼동한 것. 사거리가 40km급인 천궁에는 굳이 다중펄스 로켓을 쓸 이유가 없다. 천궁의 다중펄스는 자세제어를 위해 여러 개의 작은 로켓을 미리 천궁에 심어두었다가 필요에 따라 타이밍을 맞춰 이 로켓 중 하나를 작동시켜 미사일의 방향을 급격히 트는 것이다. 공교롭게도 용어가 비슷하다보니 군사 잡지나 언론매체들이 종종 혼동한다.
[30]
특히 빠른 시간내에 적을 공격해야 하는 미사일.
[31]
연소효율이 낮다는 말은 절대 로켓의 효율이 낮다는 얘기가 아니다. 오히려 밑의 문서에서 보겠지만 하이브리드 로켓의 이론
비추력(효율)은 고체 로켓에 비해 훨씬 높다.
[32]
이 사람은 무기보단 우주 발사체를 만들고 싶어했다. 그래서
V2가 영국을 공격하는 무기로 이용되었을 때 "V2의 성능은 완벽했다. 엉뚱한 행성에 떨어졌다는 것만 제외하면."이라는 말을 남기며 안타까움을 토로했다. 그러나 이후 그가 미국에 가서 완성한 로켓이
바로...
[33]
이는
라이트 형제가 첫 비행을 하기도 전으로 아직까지 논란이 있는 상태이나, 상술한 베르너 폰 브라운 역시 그를 '우주공학의 아버지' 중 한명으로 꼽은 걸 보면 사실에 가까운 듯. 현재
페루에서는 그의 생일을 항공의 날로 지정하고 그를
페루 솔 지폐에 넣는 등 그를 기리고 있다.
[34]
제트엔진용 연료도 기본은 등유다. 물론 로켓이나 제트 엔진용은 굉장히 순도가 높게 정제하므로 정유소에서 쓰는 등유와는 질적으로 많이 다르며 이 중에서도 로켓 연료는 높은 온도에서 로켓 기관을 망가트릴 수 있는 황이나 연료를 변질시키는 불포화 탄화수소를 제트 엔진용 연료보다 더 엄격히 제거한다.
[35]
고체 로켓의 핀틀 방식에 비하면 이쪽은 아직 불이 붙기 전 상태의 산화제나 연료의 흐름을 제어하는 것이므로 온도나 압력이 낮아서 상대적으로 밸브를 만들기 쉽다. 끄는 건 쉬워도 다시 켤 때 중력이 없다면 별도의 고체연료엔진을 달거나 하는 등의 조치가 필요해서 마냥 쉬운 건 아니다. 하이드라진 단일연료의 경우엔 촉매를 쓰니까 쉽긴 하다.
[36]
예를들어
스페이스X의
멀린 엔진같은 경우 최저추력이 60%가량 된다. 그 이하로 내린다면 엔진이 꺼져버릴 것이다.
[37]
멀린 엔진은 TEA-TEB 점화액을 사용하며, 약 4번정도 재점화가 가능하다.
[38]
미국의 초창기
ICBM이었던 타이탄 II의 경우 연료 주입에 30분 정도가 걸렸다. 다만 ICBM 등은 사실상 우주 발사체에 가까으므로 정밀제어를 위해 별 수 없이 액체로켓을 쓰는 경우도 많다.
LGM-118 피스키퍼처럼 부스팅 단계에서는 고체 연료, 컨트롤이 중요한 재돌입체에는 액체 연료를 쓰는 경우도 있다.
[39]
스페이스X도 기술을 가지고 있고
유인우주선을 개발하였다.
[40]
북한은 ICBM 개발국가에 속한다. 이는 북한의 재정을 탄도미사일 개발, 핵개발에 반 이상을 투입하고 타국의 제재를 신경쓰지 않고 개발해 생긴 결과다.
[41]
특히 고질적인 러시아의 부패 문제로 러시아의 1단 로켓을 사용한
나로호의 경우 계약조건상의 이유로 한국에 남겨진 1단 모형 로켓이 실은 진짜 로켓이라는 것이 밝혀지면서 러시아측은 격앙된 반응을 보였다. 기본적으로 어느 나라든 인공위성 로켓 발사체 기술은 국가안보와 직결되는 기밀이며,
MTCR로 철저히 규제되기 때문이다.
[42]
단순히 우주왕복선처럼 고체로켓 부스터와 액체로켓 추진기를 쓴다는 개념이 아니다. 하나의 로켓에서 연료와 추진제 중 하나는 고체, 하나는 액체(혹은 기체)라는 것이다.
[43]
연료통 내부를 제어봉으로 채워서 임계상태에 도달하지 않도록 제어하는데, 충격으로 고장이라도 일으킨다면 연료통 자체가 임계상태에 도달하여 거대한 핵폭탄이 될 위험성이 있다.
[44]
실제 체르노빌 원전이 폭발하기 직전 출력은 33GW정도로 정격 출력의 10배를 넘어섰다. 하지만 20% 농축 우라늄을 사용하는 염수로켓만 하더라도 최소 425.7GW의 출력이 발생한다. 그것도 초당 킬로그램 단위로 방사성 물질을 뿜어내면서.
[45]
이와 비슷한 사고로는
플루토늄 수용액이 한곳에 농축되어 발생한 로스 앨러모스 임계사고가 있다. 사고 피해자
세실 켈리는 허용 방사선량의 수십만배에 달하는 120
시버트에 노출되었으며, 35시간만에 사망하였다.
[46]
국내 출간된 것으론
스타니스와프 렘의 소설집 중 우주비행사 피륵스의 우주공항이 방사능 오염 투성이라고 나온다.
[47]
여담으로 방귀의 추력은 200mN 정도다.
[48]
현재 설계대로 완성될 경우 초속 56km, 화성까지 편도 39일밖에 걸리지 않는 속도를 얻을 수 있다고 한다.
[49]
극단적으로 얘기하면
전자레인지와 유사하다 볼 수 있다.
[50]
케네디 우주센터 LC-39A/B에서 발사되는 미션들을 보면, 로켓 밑에 무슨 판때기가 들어가있는데, 그게 MLP다. 로켓과 MLP를 따로 수송하는게 아닌, MLP 위에다가 로켓을 올려서 수송시킨다.
[51]
기억하자. 로켓은 뭐 하나만 잘못되도, 미션 자체가 위험해질수도 있다. "사소한 거라면 뭐 괜찮겠지" 싶겠지만,
아폴로 13호 사고가 기계선의 2번 연료탱크에서 연료가 얼지 않게 가열시켜주는 히터가 발사 며칠 전, 기계선의 테스트를 진행하다가, 테스트가 끝나고 엔지니어가 히터를 끄는 것을 깜빡했다. 그렇게 며칠간 켜져있던 히터가 이것저것 문제를 일으켜서 2번 연료탱크가 폭발한 것이다(자세한 것은
문서 항목 참조). 또 다른 예시라면
스페이스X 최초의 발사체인 팰컨 1의 3번째 발사다. 3번째 팰컨 1은 1단 로켓에 기존의 멀린 1A에서 개량된 멀린 1C를 사용했는데, 냉각 방식을 삭마 냉각에서 재생 냉각으로 바꾸었고 냉각에 사용된 연료가 아무도 알아차리지 못한 아주 조금의 추가 추력을 제공했다. 문제라면 아무도 알아차리지 못한 이 아주 조금의 추가추력이 1단과 2단 분리 후에 1단을 0.몇초정도 추가가속 시켜서, 1단이 2단과 충돌, 결국 2단이 스핀에 빠지며 미션이 실패했다. 이런 예시들에서 볼수 있듯이, 로켓은 사소한거 하나가 계산이 안되다던가, 스위치 하나가 올라가있든가, 심지어는 엔진의 약소한 추가추력이 계산이 안 돼있던가 등등 온갖 사소한 이유로 모든게 잘못될수가 있다.
[52]
대만의 교통대학을 중심으로하여 대만 여러 대학들이 모여 만든 ARRC의 사운딩 로켓.
[53]
원심력을 이용한 가속으로 로켓을 투사체처럼 발사하는 형태의 로켓이다. 엔진이 달려있어 발사 후 가속을 할 수 있다.
[54]
탄 종류중 로켓탄으로 등장한다.