고체 로켓 부스터

3. 역사

19세기 말 니트로글리세린이 발견되기 전까지는 다양한 조성의 흑색화약이 유일한 추진제 원료였다. 질산칼륨은 니트로글리세린의 산화제이며, 황과 숯은 연료로 사용되었다. 로켓 모터에서 흑색화약은 연소실 압력과 조성(대표적인 무게비: 질산칼륨 75%, 숯 15%, 황 10%)에 따라 50~70초의 비충격을 발생시킨다.^[1] 화약의 불꽃 온도는 약 800~1,600℃이며, 혼합물은 연소실 압력이 7kg/cm² 이하일 때도 순조롭게 연소된다.^[1] 생성 가스의 부피는 원래 장약 부피의 약 400배이다.^[1] 니트로 폭발물이 등장하면서 고온 가스를 순조롭고 재생 가능하게 얻을 수 있는 새로운 가능성이 생겼고, 더 높은 연소 온도와 압력에 적합한 모터 설계 변화가 필요했다.^[1] 니트로셀룰로오스를 바탕으로 한 로켓 추진제는 단일 바탕(single-base) 추진제로 알려져 있다.^[1] 니트로셀룰로오스와 니트로글리세린의 혼합물은 2중 바탕(double-base) 추진제로 알려져 있다.^[1]

2중 바탕 추진제는 순조로운 연소를 위해 최소한 35kg/cm²의 작동 연소실 압력이 필요하다.^[1] 이 압력보다 낮으면 불규칙하고 진동하는 연소를 일으킨다.^[1] 불꽃 온도는 3,000℃ 정도이며, 열량은 850~1,200㎈/g 정도이다.^[1] 비충격은 약 180~210초이다.^[1] 2중 바탕 추진제에서 생성되는 가스의 부피는 원래 추진제 부피의 약 1,500배이다.^[1] 고체추진제는 크게 2종류로 나뉜다.^[1] '균질' 추진제는 추진제나 이것의 혼합물이 밀접하게 연관된 고체 추진제 혼합물에 적용된다.^[1] 단일 바탕과 2중 바탕 추진제는 균질 추진제의 예이다.^[1] 복합(또는 불균질) 추진제는 비록 미세한 가루로 만들어졌어도 물질들은 분명하게 분리된 상(相)으로 되어 있다.^[1] 복합 추진제의 예로는 화약이 있다.^[1] 이들 가운데 하나는 75%가 과염소산칼륨이고 25%가 아스팔트 기름으로 된 혼합물인 갈시트(GALCIT) 계열이다.^[1] 또 다른 계열은 NDRC 혼합물로 이루어진 것으로, 이것의 대표적인 예는 8%의 플라스틱 수지 결합제와 피크르산염 암모니아와 질산나트륨이 각각 약 46%씩 혼합된 것이다.^[1] 1970년대 초 이후로 2중 바탕 추진제와 복합 추진제는 미사일과 우주 발사체에 사용되고 있다.^[1] 복합 혼합물에서는 과염소산암모늄이 표준 산화제이다.^[1] 사용되는 대부분의 연료(그리고 결합제)로는 폴리염화비닐수지, 폴리우레탄, 그리고 가끔 잘게 부서진 알루미늄이 첨가제로 들어 있는 합성고무를 쓴다.^[1]

4. 종류

고체추진제는 크게 균질 추진제와 복합 추진제로 나뉜다. 균질 추진제는 추진제나 그 혼합물이 밀접하게 연관된 고체 추진제 혼합물이다. 단일바탕 추진제와 2중바탕 추진제가 이에 해당한다. 복합 추진제는 미세한 가루로 만들어졌어도 물질들이 분리된 상으로 존재한다. 2중바탕 추진제는 순조로운 연소를 위해 최소한 35kg/cm2의 작동 연소실 압력이 필요하다. 이 압력보다 낮으면 불규칙적이고 진동하는 연소를 일으킨다. 불꽃 온도는 3000°C 정도이며, 비충격은 약 180~210초이다.

4. 1. 구성 성분

5. 장점

액체 연료 로켓에 비해 고체 로켓 추진체는 비교적 단순한 설계로 많은 양의 추력을 제공할 수 있었다.^[4] 냉각 및 단열 요구 사항이 크지 않으면서 더 큰 추력을 제공하며, 크기에 비해 많은 양의 추력을 생산한다. 액체 추진 로켓으로 구동되는 차량에 분리 가능한 고체 로켓 부스터(SRB)를 추가하는 것은 단계 분리라고 하며, 필요한 액체 추진제의 양을 줄이고 발사 장비의 질량을 낮춘다. 고체 부스터는 동등한 액체 추진제 부스터에 비해 장기적으로 설계, 테스트 및 생산 비용이 저렴하다. 우주왕복선 조립과 같이 여러 비행에서 부품을 재사용할 수 있다는 점도 하드웨어 비용을 감소시켰다.^[5]

고체 로켓 부스터가 제공하는 성능 향상의 한 가지 예는 아리안 4 로켓이다. 추가 부스터가 없는 기본 40 모델은 2175kg의 탑재체를 정지 천이 궤도로 올릴 수 있었다.^[6] 4개의 고체 부스터가 있는 44P 모델은 동일한 궤도에서 3465kg의 탑재체를 가질 수 있었다.^[7]

6. 단점

고체 로켓 부스터는 일단 점화되면 연료가 모두 소진될 때까지 연소해야 하기 때문에 제어가 불가능하다. 이는 액체 추진제나 콜드 가스 추진 시스템과는 다른 특징이다. 다만, 발사 중단 시스템이나 사거리 안전 파괴 시스템은 성형 폭약을 사용하여 추진제의 흐름을 차단하는 시도를 할 수는 있다.^[8] 1986년 기준으로 고체 로켓 부스터(SRB)의 고장률은 1,000회 중 1회에서 100,000회 중 1회 정도로 추정된다.^[9]

SRB는 예기치 않게 치명적인 고장을 일으킬 수 있다. 노즐이 막히거나 변형되면 과도한 압력 또는 추력 감소를 유발할 수 있고, 부스터 케이싱이나 연결 부위에 결함이 생기면 공기역학적 압력이 증가하여 부스터가 파손될 수 있다. 보어 막힘, 연소 불안정과 같은 문제도 발생할 수 있다.^[10] 챌린저호 폭발 사고는 오른쪽 고체 로켓 부스터의 O-링 고무 씰(seal)이 파손되어 발생했다.

완전히 연료가 채워진 고체 로켓 모터는 지상에서 다룰 때 우발적인 점화 위험이 있다. 2003년 8월 브라질 알칸타라 발사 센터에서는 VLS 로켓 발사대에서 이러한 사고가 발생하여 21명의 기술자가 사망했다.^[11] 한편, (대한민국 관점) 고체연료 우주발사체는 군사 기술로 전용될 수 있다는 우려도 존재한다.

7. 고체 로켓 부스터를 사용하는 발사체

참조

_[1] 간행물 Assets http://www.lockheedm[...] Lockheed Martin 2011-12-17
_[2] 웹사이트 HSF - The Shuttle http://spaceflight.n[...] 1999-04-21
_[3] 웹사이트 Solid rocket boosters http://science.ksc.n[...] NASA 2009-08-09
_[4] 웹사이트 What are the types of rocket propulsion? http://www.qrg.north[...]
_[5] 웹사이트 Doomed from the Beginning:The Solid Rocket Boosters for the Space Shuttle http://www.tsgc.utex[...] University of Texas
_[6] 간행물 Ariane 4 http://www.astronaut[...] Astronautix 2012-07-16
_[7] 간행물 Ariane 44P http://www.astronaut[...] Astronautix 2011-05-13
_[8] 학술지 Shock Initiation Studies of the NASA Solid Rocket Booster Abort System http://oai.dtic.mil/[...] 1986-08-01
_[9] 뉴스 NASA Estimate of Rocket Risk Disputed https://www.latimes.[...] 1986-03-05
_[10] 웹사이트 Solid Rocket Motor Failure Prediction - Introduction http://ti.arc.nasa.g[...]
_[11] 웹사이트 VLS http://www.astronaut[...] 2005-08-12
_[12] 간행물 Assets http://www.lockheedm[...] Lockheed Martin
_[13] 간행물 Ariane 4 http://www.astronaut[...] Astronautix
_[14] 간행물 Ariane 44P http://www.astronaut[...] Astronautix
_[15] 웹사이트 Solid rocket boosters http://science.ksc.n[...] NASA 2009-08-09