고체 연료 발사체란 무엇일까

 

지구에서 우주로 나가는 이동 수단하면 로켓밖에 없다.

로켓을 우주로 보내기 위해서는 지구의 중력을 이겨 낼 만한 추력을 낼 수 있고 공기가 없는 우주 공간에서도 작동되는 로켓 엔진이 필요하다.
이런 이유로 로켓은 연료와 산화제를 함께 싣고 다니며 엔진 내부에서 연료와 산화제를 같이 연소시키는 방식을 사용한다.
이때 로켓 엔진에 사용되는 연료와 산화제를 추진제라고 한다.
로켓 엔진은 사용하는 추진제가 액체와 고체로 나뉘어 액체 로켓 엔진과 고체 로켓 엔진으로 나눌 수 있다.

액체 로켓 엔진은

추진제를 탑재하기 위한 연료통과 변도의 산화제 탱크를 설치해야 한다.
 또한 추진제를 연소실로 보내기 위한 펌프, 밸브 및 파이프 등의 많은 부품이 필요하고 구조가 복잡하여 제작 비용이 많이 든다.
 하지만 액체 로켓 엔진은 같은 질량 대비 추진제가 내는 추력의 효율이 높고 발사 뒤에도 추진제의 공급을 조절하여 점화와 소화의 반복을 통해 추력을 제어할 수 있어 로켓의 자세 제어에 용이하다.

 

 

고체 로켓 엔진은 

연료와 산화제를 혼합하여 굳힌 고체 추진제만이 로켓 내부의 긴 원통형의 구조물에 들어가 있다.
고체 로켓 엔진에서는 이 구조물이 연소실을 겸하기 때문에 별도의 산화제 탱크와 추진제를 옮기기 위한 장치가 필요 없다.
이것은 고체 로켓 엔진의 구조를 간단하게 하고 고체 로켓 엔진의 무게를 가볍게 만들어 준다.
그러나 고체 로켓 엔진은 추력을 제어하는 데 어렵다.
 고체 로켓 엔진의 추력은 추진제 중앙에 형성된 빈 공간의 표면 형상에 의해서 결정되는데 고체 추진제는 제작이 되고 나면 형상을 조절하기 어려워 추력을 제어할 수 없고 점화 후 연소 속도의 조절도 불가능하다.

 
 

로켓 엔진은 엔진 내부에서 추진제를 연소하여 고온.고압의 가스를 만들어 낸다.
이 가스를 분출함으로써 발생하는 반발력으로 로켓은 추력을 얻는다.

액체 로켓 엔진은 연료와 산화제가 만나서 연소하는 별도의 연소실이 있다.
높은 압력으로 연소실로 보내진 추진제는 연소실 내부의 수많은 분무공을 통해 물줄기 형태 또는 가스 형태로 뿜어진다.
 이렇게 뿜어진 추진제는 서로 부딪치고 부서져 안개처럼 변하면서 연소가 활발하게 일어나는데, 이때 연소실 내부의 압력은 거의 균일하게 유지된다.
 고체 추진제의 점화는 추진제 중앙의 비어 있는 내부 표면에서 시작되고 연소가 진행됨에 따라 추진제의 연소면이 추진제의 내부로 파고들면서 추진제가 차지하지 않는 연소실 내부의 공간이 점점 넓어진다.
추진제가 모두 연소될 떄까지 이러한 현상은 지속된다.
이에 따라 고체 로켓 엔진의 연소실 내부의 압력은 계속 변한다.

 
 

추진제의 연소면에서 연소된 가스가 노즐을 통해 팽창하며 빠져나가는 것은 액체 로켓 엔진과 같다.

 
 

 
 
 

[참고자료]
<사진1>  -  주간동아
<사진 2>  -  위키백과
<사진 3>  -  사이언스 타임