로켓은 작용 반작용 법칙에 의해서 날아가기 때문에 높은 출력을 얻기 위해서는 큰 질량을 빠른 속도로 내보내는 것이 중요하다.
Liquid Rocket Engine이 그것을 가능하게 만드는 것으로, valve를 통해 fuel injection과 thrust를 컨트롤한다.
당연히 로켓은 oxidizer와 fuel을 내부에 갖고 있어야하는데, 이들을 합쳐서 propellant라고 부른다.
연료를 고를 때는 specific impulse가 중요한데, 가벼우면서도 높은 calorific value를 갖는 수소가 사용된다. 또한 수소는 엔진의 부품들을 녹슬게 하지도 않고 연소되었을 때도 유독한 가스가 발생하지 않으므로 매우 적절하다.
* specific impulse: Amount of push rocket gets by burning per unit propellant.
한편, 수소는 상온에서 기체 상태에기 때문에 연료를 효율적으로 싣기 위해서는 액화 상태로 사용한다. 산소도 마찬가지의 과정을 거쳐서 액화 상태로 로켓에 저장한다.
이 연료 탱크들은 하나의 큰 탱크로 감싸져있다. 또, 그 큰 탱크는 지구의 대기를 지날 때 겪는 높은 온도를 견디기 위해서 겉면이 25mm의 폴리우레탄을 붙여놓는다.
이제 기계적인 설계를 살펴보자. 만약에 위 사진처럼 fuel 과 oxidizer가 cumbustion chamber로 직접적으로 공급되는 경우에는 충분한 thrust를 제공하지 못한다.
충분한 thrust를 만들어내기 위해서는 pump를 사용해야한다. 전기를 사용하는 펌프는 배터리 등이 필요하기 때문에 팽창된 수소를 통해서 작동하는 터빈을 이용하는 펌프가 사용된다.
한편, 효율적인 burning을 위해서 액화 수소는 기체로 바뀌어야하는데, 이는 액화 수소를 뜨거운 노즐과 cumbustion chamber의 주변을 돌아오도록 해서 구현한다. 이렇게 만들어진 뜨거운 gas는 cumbustion chamber로 들어가게 된다. 이러한 구조를 expander cycle 이라고 부르고, turbine pump 를 turbo pump라고 부른다. 같은 방법을 통해서 oxidizer를 cumbustion chamber로 공급한다.
이러한 방법은 액화 수소를 충분히 빠른 속도로 pump 할 수는 없다는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서 위 사진과 같은 작은 combustion chamber를 사용하는 방법이 제시되었다. 연료의 일부를 사용해서 combustion을 발생시키고, 이를 통해서 turbine을 돌려 pump를 강하게 만드는 것이다. 이러한 구조를 gas generator cycle이라고 부른다.
하지만 이 방법은 일정 exhuast energy가 완전히 사라져버리기 때문에 효율적이라고 할 수 없다.
위 사진과 같이 터빈에서 만들어지는 exhaust를 combustion chamber를 보내는 방법을 통해서 효율을 높일 수 있다. 이러한 구조를 Staged Combustion Cycle이라 하는데, 가장 높은 출력과 specific impulse를 낼 수 있다.
combustion chamber 내의 압력이 매우 높기 때문에 이를 견디기 위해 강력하고 비싼 재료를 사용한다.
위에서 소개된 다양한 engine cycle은 각 로켓의 목적에 따라서 선택되어 사용된다.
Combustion chamber 내부에서는 Injector plate라는 기구가 사용되어서 oxidizer와 hydorgen이 잘 섞이고, atomize 되도록 만들어준다. 그 이후에는 igintor를 이용해서 연소를 한다.
이 과정에서 내부 온도가 3000도 까지 올라게 되는데, combustion chamber와 nozzle을 따라서 도는 액화 수소가 허용치 이내의 온도를 유지할 수 있도록 한다.
Combustion chamber에서 나오는 고압의 가스들은 Converging-Diverging Nozzle을 통해서 더욱 가속된다. 이러한 과정을 통해서 높은 출력을 얻을 수 있게 되는 것이다.
'공부 > 기계 작동 원리' 카테고리의 다른 글
| Window Blind (블라인드) (0) | 2025.04.28 |
|---|---|
| Gyroscope (자이로스코프) (0) | 2025.04.28 |
| Rocket (로켓) (0) | 2025.04.28 |
| Scramjet Engine (스크램제트 엔진) (0) | 2025.04.28 |
| Ramjet Engine (램제트 엔진) (0) | 2025.04.28 |
