로켓의 작동 방식: 추진 시스템과 발사 기술 설명

팰컨9로 승무원을 발사하는 것부터 스타십 시험 비행까지, 모든 궤도 발사는 아이작 뉴턴이 처음 설명한 동일한 기본 물리학에 의존합니다: 모든 작용에 대해 동등하고 반대의 반응이 있습니다. 로켓 엔진은 추진제를 연소시키고 노즐에서 고속으로 분출된 고온 가스를 배출합니다. 가스는 로켓을 반대 방향으로 밀어냅니다. NASA의 글렌 연구 센터에 따르면, 이 작용-반응 쌍은 로켓과 그 배기가스 사이에 존재하며, 이것이 로켓이 우주의 진공에서 작동하고 공기나 다른 매질에 반대할 필요가 없는 이유입니다.

물리학: 추력과 비추력

엔지니어는 두 개의 숫자로 엔진의 성능을 설명합니다: 추력과 비추력입니다. 추력은 생성되는 힘이며, 주로 노즐에서 흐르는 질량의 양과 빠져나가는 속도에 의해 결정됩니다. 비추력(Isp)은 초 단위로 측정되며, 엔진이 추진제를 추력으로 얼마나 효율적으로 변환하는지를 설명합니다. NASA 글렌은 이를 추력을 추진제의 무게 유량으로 나눈 값으로 정의하므로, Isp가 높은 엔진은 동일한 양의 추진제에서 더 많은 추력을 생성하거나 동일한 추력을 위해 더 적은 추진제가 필요합니다.

이 단일 숫자를 통해 엔지니어는 엔진의 크기를 결정하고 매우 다른 추진 시스템을 동일한 조건으로 비교할 수 있습니다. 이것이 Isp가 로켓 사양서에 끊임없이 나타나는 이유입니다.

화학 추진: 액체, 고체 및 하이브리드

지구 표면을 떠나는 거의 모든 차량은 화학 추진을 사용합니다. 여기서 연료와 산화제가 반응하여 고온의 팽창 가스를 생성합니다. 세 가지 주요 구성이 있습니다. 액체 추진제 엔진은 연료와 산화제를 별도로 저장하고 연소실에 펌프로 공급하므로, 엔진을 스로틀 조절하고 종료 및 재시작할 수 있습니다. 이는 정부 및 민간 발사 제공자 모두에서 사용하는 유연성입니다. 고체 추진 모터는 연료와 산화제를 로켓 케이싱에 채운 단일 고체 입자로 혼합합니다. 구조적으로 단순하고 저렴하지만, 점화되면 추진제가 완전히 소진될 때까지 연소합니다. 하이브리드 시스템은 고체 연료와 액체 또는 기체 산화제를 결합하여 두 가지 접근 방식 사이에 위치합니다.

스타십과 슈퍼 헤비 차량에 사용되는 스페이스X의 랩터 엔진은 액체 추진의 새로운 접근 방식을 보여줍니다. 항공우주 매체인 Everyday Astronaut에 따르면, '풀플로우 스테이지드 커뮤션' 설계에서는 모든 연료와 모든 산화제가 주 연소실에 도달하기 전에 두 개의 별도 사전 연소기를 통과합니다. 랩터는 액화 메탄을 액체 산소와 함께 연소시킵니다. 스페이스X는 메탄을 선택했습니다. 부분적으로는 메탄이 케로신 연료 엔진의 재사용을 복잡하게 만드는 그을음 침전물을 남기지 않고 연소되기 때문이고, 부분적으로는 메탄을 원칙적으로 화성의 현지 자원으로부터 생산할 수 있기 때문입니다. 이 매체는 랩터가 진공 비추력 약 330~350초에서 약 200만 뉴턴의 추력을 생성한다고 보도합니다.

발사 차량이 여러 단계로 구성되는 이유

유럽우주기구의 발사 가이드에 따르면, 지구 표면에서 궤도에 도달하려면 대략 150킬로미터 이상의 고도에 도달하면서 초당 7.9킬로미터 이상의 속도로 이동해야 합니다. 단일 엔진 설계는 전체 비행에 걸쳐 효율적으로 이를 달성하는 경우가 드물므로, 대부분의 궤도 로켓은 추진제가 소진되면 폐기되는 단계로 분할되어 불필요한 중량을 제거하므로 남은 단계가 더 가볍게 된 차량을 더 쉽게 가속할 수 있습니다.

ESA의 전형적인 아리안급 비행의 설명은 실제로 이것이 어떻게 작동하는지를 보여줍니다: 부스터와 주 단계는 수직 상승의 처음 대략 2분 동안 함께 점화되고, 주 단계는 약 12분간 계속 연소되는 동안 부스터는 이미 분리되어 약 60킬로미터 고도에서 바다로 떨어집니다. 그리고 상단계는 최종 기간에 점화되어 미션의 최고 속도인 약 초당 8킬로미터에 도달한 후 탑재물을 방출합니다. 그 역할을 마친 후, 사용된 상단계는 일반적으로 활성 위성과의 충돌 위험이 되지 않도록 '묘지 궤도'로 이동됩니다.

발사 이후: 전기 및 이온 추진

우주선이 이미 궤도나 심우주에 있을 때, 화학 추진은 항상 장거리 여행에 가장 효율적인 선택은 아닙니다. 많은 탐사선은 대신 전기 추진을 사용하며, 이는 추진제(일반적으로 가스 크세논)를 이온화하고 결과 하전 입자를 태양 전지판으로 구동되는 전기장을 사용하여 스러스터에서 가속시킵니다. NASA의 제트 추진 연구소는 이러한 시스템의 추력을 극도로 미약하다고 설명합니다: 사이키 소행성 벨트 미션의 경우, 그 이온 스러스터로 인한 압력은 최대 전력에서도 손에 세 개의 동전을 들고 있는 것과 비슷합니다.

그 미미한 추력은 지구에서 무언가를 들어올리기에 충분하지 않지만, 우주의 마찰 없는 환경에서는 몇 개월 동안 지속적으로 적용될 수 있으며 천천히 속도를 높입니다. JPL은 사이키의 태양 전기 스러스터가 이미 우주선을 시속 약 84,000마일로 밀어냈으며 결국 시속 약 124,000마일에 도달할 것이라고 보도합니다. 이는 이온 추진이 발사가 아닌 우주 내 순항에 제한되는 이유를 보여줍니다. 화학 엔진의 훨씬 더 높은 추력은 단 몇 분 안에 중력과 대기 항력을 극복하는 데 필요합니다.