로켓

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 역사
- 2.1. 한국의 로켓 개발 역사
3. 구성 요소
- 3.1. 기계적 요소
- 3.2. 디자인적 요소
4. 연료의 분류
- 4.1. 고체 연료와 액체 연료
5. 종류
- 5.1. 추력에 따른 분류
  - 5.1.1. 화학 추진 방식
  - 5.1.2. 비화학추진방식
- 5.2. 추진제에 따른 분류
6. 로켓의 추력
7. 발전 방향
참조

1. 개요

로켓은 화약의 발명과 함께 시작되어, 고대 중국에서 군사적, 종교적 목적으로 사용되었다. 몽골을 통해 유럽에 전파되었고, 이후 마이소르 전쟁에서 철제 로켓이 사용되는 등 군사적 활용이 이어졌다. 1903년 치올콥스키의 연구를 통해 로켓 추진 이론이 발전했으며, 로버트 고다드의 초음속 노즐 개발로 효율이 향상되었다. 1940년대 V-2 로켓 개발을 거쳐, 냉전 시대에는 우주 개발 경쟁이 심화되어 인공위성 발사, 유인 우주 비행, 달 착륙 등이 이루어졌다. 현재는 화학 추진 방식, 비화학 추진 방식, 고체, 액체, 하이브리드 연료 방식 등 다양한 종류의 로켓이 개발되어 우주 개발, 미사일, 모형 등에 활용된다.

2. 역사

로켓의 역사는 화약을 발명한 중국에서 시작되었다. 초기에는 종교적 목적이나 불꽃놀이에 사용되었으나 점차 군사적 목적으로 이용되었다. 10세기경 화약은 전쟁에 본격적으로 사용되었고, 16세기 조선에서는 세계 최초의 다연장 로켓인 신기전이 개발되어 임진왜란에서 활약하였다.^[116] 대신기전은 현대 탄도미사일과 같은 원리였고, 산화 신기전은 세계 최초의 2단 로켓이었다.

몽골군은 중국 송나라를 정복하면서 화약 기술을 습득하였고, 이를 통해 로켓 기술이 유럽에 전해졌다. 몽골군이 유럽을 침공하면서 로켓이 유럽에 알려졌지만, 한동안 유럽인들에게는 신기한 것에 불과했다. 이후 폴란드-리투아니아 연방의 카지미에시 세메노비치(Kazimierz Siemienowicz)가 《포격전의 대기술(Artis Magnae Artilleriae pars prima)》을 저술하여 유럽에서 포격전의 기본 매뉴얼이 되었다.

18세기 인도 마이소르 왕국에서는 철제 로켓이 성공적으로 사용되었다.^[13] 이후 영국은 19세기 동안 로켓을 개발, 군사적으로 활용하였으며, 이 시기 윌리엄 콩그리브가 있었다. 1814년 볼티모어 전투에서 영국 로켓함이 사용되었는데, 이는 미국 국가에 'rocket's red glare'로 등장한다.^[14]

1903년 콘스탄틴 치올콥스키(Konstantin Tsiolkovsky)는 《반작용 모터를 이용한 우주 공간 탐험》을 발간하여 치올콥스키 로켓 방정식을 제시하였다. 이는 로켓 추진 이론의 기본 방정식이었다.

현대 로켓의 개념은 로버트 고다드(Robert Goddard)가 초음속 노즐을 로켓 엔진 연소실에 부착하면서 정립되었다.^[105] 노즐은 연소실의 뜨거운 가스를 제트기류로 분출하여 추력과 효율을 향상시켰다. 1923년 헤르만 오베르트(Hermann Oberth)는 《행성사이로의 로켓(Die Rakete zu den planeten raumen)》을 출판하여 로켓에 대한 관심을 높였다.

1931년부터 1937년까지 레닌그라드 기체 역학 실험실(Gas Dynamics Laboratory)에서 로켓에 관한 과학적 성과가 이루어졌다. 발렌틴 글류스코(Valentin Glushko)의 지도 아래 100여 개의 실험용 엔진이 제작되었다.

제2차 세계 대전 중에는 독일에서 V-2 로켓이 개발되었다.^[26] 이는 탄도 미사일과 우주 로켓 기술 발전의 기반이 되었다. V-2는 1944년 6월 20일 MW 18014의 수직 발사를 통해 카르만 라인(Kármán line)을 통과하여 우주로 진입한 최초의 인공 물체가 되었다.^[27]

전후 미국은 페이퍼클립 작전(Operation Paperclip)을 통해 베르너 폰 브라운을 포함한 많은 독일 로켓 과학자들을 미국으로 데려왔다. 소련에서도 독자적인 우주 계획 연구가 세르게이 코롤료프(Sergei Korolev)의 지도 아래 계속되었다.

냉전(Cold War) 시대에 로켓은 대륙간탄도미사일(intercontinental ballistic missiles)(ICBM) 개발과 함께 군사적으로 중요해졌다. 1960년대에는 소련과 미국에서 로켓 기술이 급속도로 발전하였고, 우주 탐사(space exploration)에 사용되기 시작했다. 미국의 유인 프로그램은 1969년 새턴 V(Saturn V) 로켓을 이용한 최초의 유인 달 착륙으로 절정에 달했다.

현재는 여러 국가와 민간 기업들이 로켓 개발에 참여하고 있으며, 재사용 가능한 로켓 개발 등 새로운 기술들이 등장하고 있다.

2. 1. 한국의 로켓 개발 역사

대한민국은 1990년대부터 본격적으로 로켓 개발을 시작하여, 과학로켓(KSR) 시리즈를 통해 독자적인 로켓 개발 기술을 축적하였다. 2013년에는 한국 최초의 우주 발사체인 나로호(KSLV-I) 발사에 성공하였으며, 이는 러시아와의 기술 협력을 통해 이루어졌다. 2021년에는 순수 국내 기술로 개발된 누리호(KSLV-II) 발사에 성공하여, 대한민국은 세계 7번째로 1톤급 실용위성을 자력으로 발사할 수 있는 국가가 되었다. 현재 대한민국은 차세대 발사체 개발, 달 탐사 등 우주 개발 역량을 지속적으로 강화하고 있으며, 민간 기업들의 참여도 활발해지고 있다.

3. 구성 요소

로켓은 추진제를 저장하는 추진제 탱크, 노즐, 로켓 엔진, 방향 안정 장치, 그리고 이 부품들을 고정하는 구조물 등으로 구성된다. 방향 안정 장치로는 날개, 버니어 엔진, 추력 벡터링을 위한 엔진 짐벌, 자이로스코프 등이 사용될 수 있다.^[35] 또한, 로켓은 로켓 비행기의 날개, 로켓카의 바퀴, 로켓 벨트의 사람과 같이 다른 요소들을 포함할 수 있으며, 내비게이션 시스템과 유도 시스템을 갖추기도 한다.^[35]

3. 1. 기계적 요소

로켓은 일반적으로 공기역학적인 유선형 몸체로 설계되며, 고속 비행을 위해 노즈 콘을 갖추고 있다. 로켓은 추진 연료와 추진 연료를 저장하는 추진연료탱크, 그리고 노즐로 구성된다. 또한, 하나 이상의 로켓 엔진, 방향 안정 장치(버니어 엔진, 핀, 추력 방향 제어를 위한 엔진 짐발 등), 그리고 이 부품들을 지지하는 구조물(주로 모노코크)을 포함한다.

3. 2. 디자인적 요소

로켓은 추진 연료와 추진 연료를 저장하는 추진연료탱크, 노즐로 구성된다. 로켓은 로켓 엔진, 방향 안정 장치, 부품들을 지지하는 구조물(주로 모노코크 사용)을 포함한다. 대기에서 빠른 속도로 이동하기 위해 로켓은 보통 탑재 장비를 싣는 원추형 앞부분(nose cone)과 같은 유선형 몸체로 설계된다.^[34]

로켓은 날개, 낙하산, 바퀴, 사람 등 다른 요소들을 운반할 수 있다. 또한, 이러한 운송 수단은 인공위성 조종과 관성 항법 시스템에 사용되는 네비게이션 시스템, 유도 장치를 갖추고 있다.

로켓 설계는 화약으로 채워진 마분지 튜브처럼 간단할 수 있지만, 효율적이고 정확한 로켓이나 미사일을 만들기 위해서는 여러 가지 어려운 문제를 극복해야 한다. 주요 어려움은 연소실 냉각, (액체 연료의 경우) 연료 공급, 운동 방향의 제어 및 수정이다.^[34]

4. 연료의 분류

화학 로켓은 연료와 산화제를 함께 싣고, 이들을 연소시켜 고온·고압의 가스를 만든다. 연료와 산화제를 합쳐 추진제라고 부르며, 이 추진제의 형태에 따라 고체연료 로켓, 액체연료 로켓, 하이브리드 로켓으로 크게 나뉜다.

원자력 로켓은 원자로에서 추진제를 가열하여 분사하거나, 핵폭발의 반동을 이용하여 추진하는 로켓이다. 미국에서는 NERVA가, 소련에서는 RD-0410이 실험된 적이 있으나, 실제로 운용된 예는 없다. 원자력 로켓에는 핵펄스 추진 등이 있다. 추력중량비는 화학 로켓보다 낮기 때문에 우주 공간까지는 화학 로켓으로 발사한 후 상단 로켓으로 작동한다.

2018년 11월 7일, 러시아의 로스코스모스는 로사톰 및 모스크바의 켈디시 응용수학 연구소에서 메가와트급 원자로 탑재형 전기 추진 시스템을 탑재한 원자력 우주선을 개발 중이라고 공식 발표했다.^[110]

2019년 3월 6일, 러시아의 로스코스모스는 로사톰 및 모스크바의 켈디시 응용수학 연구소에서 RD-0410 핵열 로켓 엔진을 기반으로 한 메가와트급 원자로를 탑재한 우주 왕복선 개발 계획이 2010년부터 진행·개발 중이라고 공식 발표했다.^[114]

연료가 아닌 형태에 따른 로켓의 분류는 츠욜코프스키 로켓 방정식을 기반으로 효율을 계산한다.

4. 1. 고체 연료와 액체 연료

고체 연료 로켓은 연료와 산화제가 혼합된 고체 추진제를 사용하며, 구조 부품 수가 적어 큰 추진력을 낼 수 있다. 그러나 한번 연소가 시작되면 멈추기 어렵고 정밀한 제어가 어렵다는 단점이 있다. 또한, 고온 고압을 견디기 위해 로켓 전체를 견고하게 제작해야 하므로 무게가 많이 나간다.^[37]

액체 연료 로켓은 연료와 산화제를 별도의 탱크에 분리하여 보관하고, 연소실에서 혼합하여 연소시키는 방식이다. 연소 상태를 비교적 쉽게 제어할 수 있고, 정밀한 추진력 조절이 가능하다. 구조가 복잡하다는 단점이 있지만, 고체 연료 로켓과 달리 점화와 소화를 반복할 수 있어 발사 전 연소 실험을 통해 성능과 안정성을 높일 수 있다.^[38]

현재 대부분의 대형 로켓은 액체 연료를 사용한다. 이는 대량 생산이 용이하여 여러 대를 제작하면서 신뢰성과 균일도를 높일 수 있고, 제조 비용을 낮출 수 있기 때문이다. 미국의 스페이스X(Space X)사의 팰컨(Falcon) 1호를 비롯한 대부분의 로켓들이 액체 연료 방식으로 설계되었다.

최초의 액체 연료 로켓은 로버트 고다드가 제작하였는데, 현대 로켓과는 달리 로켓 엔진이 로켓 꼭대기에, 연료 탱크는 아래쪽에 있었다. 이는 고다드가 로켓이 엔진에 매달린 진자처럼 안정성을 확보할 것이라고 믿었기 때문이다. 그러나 로켓은 궤도를 이탈하여 발사대에서 약 약 56.08m 떨어진 곳에 추락했고, 이는 로켓 엔진의 위치와 안정성은 관계가 없음을 보여준다.^[39]^[40]

5. 종류

로켓은 다양한 형태로 존재하며, 그 종류는 매우 다양하다.

풍선 로켓, 물 로켓과 같이 간단한 모형부터 미사일, 아폴로 계획에 사용된 새턴 V호와 같은 거대한 우주 로켓까지 다양한 종류가 있다.
로켓카, 로켓 자전거, 로켓 추진 항공기, 로켓썰매, 로켓 열차, 로켓 어뢰, 로켓 추진 제트팩 등도 로켓의 종류에 포함된다.
사출좌석이나 발사 탈출 시스템과 같은 탈출 시스템, 우주 탐사선 등도 로켓 기술을 활용한다.

군사용 로켓은 유도 시스템 유무에 따라 미사일과 로켓으로 구분된다. 미사일은 유도 시스템을 갖춘 로켓으로, 대륙간탄도미사일처럼 핵탄두를 운반하는 데 사용될 수 있다. 유도 시스템이 없는 로켓은 로켓이라고 불린다.

로켓은 사용하는 에너지원에 따라 화학 로켓, 전기 로켓, 원자력 로켓 등으로 분류할 수 있다.

화학 로켓: 연료 연소 반응을 이용하는 방식으로, 효율은 낮지만 이용이 쉽고 큰 추력을 낼 수 있어 가장 널리 사용된다.
전기 로켓: 추진제를 전기로 가속하여 분사하는 방식으로, 이온 엔진이 대표적이다. 장기간 사용에 적합하지만 큰 추력을 얻기 어렵다.
원자력 로켓: 원자로에서 추진제를 가열하거나 핵폭탄을 폭발시켜 추진력을 얻는 방식이다. 안전성 문제와 우주 조약 등의 제약으로 실용화되지 않았다.

로켓 추진 원리에 대해 "분사한 가스가 로켓 후방의 공기를 밀어서 추진한다"는 오해가 있다. 이는 작용·반작용의 법칙을 잘못 이해한 것이다. 실제로는 로켓이 분사하는 가스와 로켓 자체의 상호작용으로 추진력이 발생하며, 츠욜코프스키의 공식으로 설명할 수 있다.

화학 로켓은 우주 공간까지 도달하기 위해 많은 양의 추진제가 필요하다. 이를 극복하기 위해 우주 정거장과 같은 중계 지점을 활용하는 방안이 연구되고 있다.

신형 로켓 개발의 성패는 로켓 엔진 개발에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 1960년대부터 1980년대까지 미국은 스페이스 셔틀 엔진을 제외한 신형 액체 연료 로켓 엔진 개발에 소극적이었고, 유럽 등에 비해 뒤처졌다. 1990년대부터는 러시아의 액체 연료 로켓 엔진을 도입하여 라이선스 생산하고 있다.

군사용 로켓의 경우, 일본에서는 무유도 로켓을 "로켓탄", 유도 미사일을 "미사일"로 구분한다. 탄도 미사일은 탄도 비행을 하는 미사일을 의미한다. 러시아어에서는 둘 다 "라케타"로 표현하며, 중국어에서는 로켓을 "火箭(huǒjiàn)", 미사일을 "導彈(dǎodàn)"으로 구분한다. 한국어에서는 서구권과 마찬가지로 "로켓"과 "미사일"을 구분하지만, 전략 미사일 부대는 러시아식 명칭을 사용한다.

최근에는 무유도 로켓에 유도 기능을 추가한 GMLRS, APKWS 등이 등장하면서 로켓과 미사일의 구분이 모호해지고 있다.

조선민주주의인민공화국(북한)의 인공위성 발사는 국제사회에서 사실상 탄도 미사일 발사 실험으로 간주되며, 유엔 안전보장이사회 결의에 의해 금지되어 있다.

최초의 로켓 형태는 단 한 기의 발사 로켓(단)으로 탑재체를 운반하는 단단식 로켓이었다. 단단식 로켓은 구조가 간단하고 제작 및 제어가 용이하며, 소형 로켓의 경우 다단식보다 효율적이다. 하지만 대형 로켓의 경우 불필요한 연료 탱크와 엔진을 계속 운반해야 하므로 효율이 떨어진다. V2 로켓과 같은 단거리 탄도 미사일, 기상 관측용 로켓, 모형 로켓 등은 주로 단단식 로켓으로 제작된다. 단일단계 궤도 비행체와 같은 단단식 로켓의 미래상도 연구되고 있다.

5. 1. 추력에 따른 분류

로켓은 추력을 얻는 방식에 따라 크게 '화학 추진 방식'과 '비화학 추진 방식'으로 나눌 수 있으며, 이 둘을 함께 사용하는 경우도 있다.

화학 추진 방식은 많은 양의 연료가 필요하지만, 높은 추력을 얻을 수 있어 현재 가장 널리 사용되는 방식이다. 반면 비화학 추진 방식은 추력이 낮아 실용화에는 한계가 있지만, 일부 우주선에서 사용되고 있다.

5. 1. 1. 화학 추진 방식

화학 추진 방식은 많은 양의 연료가 필요하지만, 높은 추력을 얻을 수 있어 현재 가장 널리 사용되는 방식이다. 화학 추진 방식은 에너지원으로 추진제와 산화제를 함께 싣고 있으며, 이를 연소실 내에서 연소시켜 배출 가스를 노즐을 통해 초음속으로 배출함으로써 그 반작용으로 기체를 가속한다.^[44] 연료의 연소(화학 반응)에 의해 발생하는 열에너지를 이용하여 연료 자체를 추진제로 분사하는 것이다. 화학 로켓은 효율은 가장 나쁘지만 이용하기 쉽고, 단시간에 큰 추력을 발생시킬 수 있어 실용화된 로켓의 대부분을 차지한다.^[108]

화학 추진 방식 로켓은 다른 로켓보다 많은 양의 연료가 필요하다. 이 때문에 우주 공간에 중계 지점을 설치하여 효율을 높이는 방안이 고려되고 있다. 예를 들어, 아폴로 계획의 달 착륙선이 달에서 귀환할 때 사용한 로켓은 지구에서 발사할 때 사용된 새턴 로켓에 비해 매우 작았다. 이는 중력이 작은 곳에서 발진하면 많은 에너지가 필요하지 않음을 보여준다. 따라서 인공위성 궤도 상에 우주 정거장을 설치하고, 부품을 분할 운반하여 조립하는 방식으로 큰 로켓을 건조하여 우주로 출발하는 방법 등이 고안되고 있다.

5. 1. 2. 비화학추진방식

비화학 추진 방식은 추력이 낮아 실용화에는 한계가 있지만, 일부 우주선에서 사용되고 있다. 비화학 추진 방식에는 전기 추진 로켓, 증기 추진 로켓, 핵열 로켓 등이 있다. 전기 추진 로켓은 전기를 에너지원으로 사용하며, 전기를 얻는 방법에 따라 태양전지, 원자력 발전 등으로 나뉜다. 증기 추진 로켓은 과열 증기를 분사하여 추력을 얻는데, 물을 사용하므로 구하기 쉽고 안전하지만 효율이 낮다. 냉전 시기 미국에서는 핵열 로켓을 대륙간 탄도 미사일(ICBM)용으로 연구했으나, 화학 추진 로켓이 필요한 성능을 달성하면서 계획이 중단되었다.^[41]

5. 2. 추진제에 따른 분류

로켓은 연료와 산화제를 함께 싣고 연소시켜 고온·고압 가스를 분사하여 추진한다. 연료와 산화제를 합쳐 추진제라고 부르며, 추진제의 형태에 따라 고체 연료 로켓, 액체 연료 로켓, 하이브리드 로켓으로 크게 나뉜다.

고체 로켓은 구조가 간단하고 장기 보관이 가능하지만, 비추력이 낮고 연소 조절이 어렵다. 액체 로켓은 구조가 복잡하지만, 추진력 조절이 가능하다는 장점이 있다. 하이브리드 로켓은 고체 연료와 액체 산화제를 사용하며, 고체 로켓보다 성능이 좋고 제어가 가능하다.

5. 2. 1. 고체 로켓

고체 추진제를 사용하며, 구조가 간단하고 장기 보관이 가능하다. 연소실은 추진제의 창고 역할을 겸하며, 추진제 내부에는 균일하고 신속한 연소를 위한 공동(空洞)이 있다. 이 공동은 연소가 진행되어도 연소 면적이 거의 일정하게 유지되도록 설계되어, 내부 온도는 2,500~3,000℃, 압력은 40~50기압에 이른다.^[123]

구조가 간단하고 부품 수가 적어 취급이 용이하며, 추진제를 충전한 상태로 장기간 보존할 수 있다. 또한, 필요시 즉시 발사가 가능하고 초속도가 크다는 장점이 있다. 그러나 액체 로켓에 비해 비추력이 낮고, 연소 중단이나 추진력 방향 제어가 어렵다는 단점이 있다.^[123]

5. 2. 2. 액체 로켓

액체 추진제를 사용하며, 로켓 모터, 추진제 탱크, 공급 장치, 제어 장치 등으로 구성된다. 보통 연료와 산화제를 각각 별개의 탱크에 저장해 두었다가, 펌프 또는 가스 압력으로 고압의 연소실로 보내 연소시킨다.^[124] 이러한 구조는 고체 로켓에 비해 복잡하지만, 필요에 따라 추진제 공급을 조절하여 추진력을 제어할 수 있다.^[124]

가스가압식은 구조가 간단하고 가볍지만, 가스 압력이 낮고 지속 시간이 짧아 큰 추진력을 내기 어렵다. 추진제 용기는 압력에 견딜 수 있어야 한다.^[124]

대형 로켓은 대부분 펌프가압식을 사용한다. 펌프는 별도의 가스 발생 장치에서 나오는 가스로 터빈을 돌려 구동한다.^[124]

연료와 산화제의 성질을 모두 가진 단일 추진제를 촉매 등으로 분해, 연소시키는 방법도 있다. 구조는 간단하지만 추진력이 작아 보조 제어나 가스 발생용으로 사용된다.^[124]

5. 2. 3. 혼합 로켓

하이브리드 로켓은 고체 연료와 액체 산화제를 사용하는 방식이다. 고체추진약에 액체 산화제( 과산화수소, 액체산소 등)를 부어 연소시키는 방식으로, 고체연료 로켓보다 성능이 좋고 제어가 가능하다.^[125]

6. 로켓의 추력

로켓의 추력은 배기 가스의 질량 유량, 배기 속도, 노즐 출구 면적, 대기압 등에 의해 결정된다.^[2] 로켓 추력의 근사 공식은 다음과 같다.

: $F_g = \dot{m}\;V_{e} + A_{e}(P_{e} - P_{amb})$

여기서,

$\dot{m} = \,$ 배기가스 질량의 시간변화율
$V_{e} =\,$ 배기구 단면의 제트 속도
$A_{e} =\,$ 배기구 단면의 면적
$P_{e} =\,$ 배기구 단면의 정압(static pressure)
$P_{amb} =\,$ 대기압

로켓은 제트 엔진과 달리 공기 흡입구가 없기 때문에 램 저항이 없어 순 추력은 로켓의 추력이 된다.

\dot{m}\;V_{e}\,

항은 로켓 엔진의 실제 추력을 나타내며 항상 일정하고,

A_{e}(p_{e} - p_{amb})\,

항은 실제 운동량으로 나타나는 로켓의 추력이다. 즉, 대기압이 감소할수록 실제 추력은 증가한다. 고도가 높아짐에 따라 대기압은 감소하고 로켓 엔진의 실제 추력은 변함이 없음에도 로켓은 더 빠르게 가속하게 된다.

우주 공간에서 적용하면 다음과 같이 간단하게 나타낼 수 있다.

:

F_g = \dot{m} . V_{e(vac)} + A_{e} P_{e}

여기서

V_{e(vac)} =\,

는 로켓엔진의 실제 배기 속도이다.

로켓 엔진에서 추진제의 연소에 대한 반작용은 생성된 가스의 내부 에너지를 증가시키는데, 이는 연료에 저장된 화학 에너지를 이용하는 것이다. 내부 에너지가 증가함에 따라 압력이 증가하고, 노즐은 이 에너지를 직선 운동 에너지로 변환하는 데 사용된다. 배기가스의 이상적인 운동 방향은 추력을 발생시키는 방향이다. 연소실 상단 끝에서 고온의 에너지가 높은 유체는 앞으로 나아갈 수 없으므로 로켓 엔진의 연소실 상단을 위로 밀어낸다. 연소 가스가 연소실 출구에 접근함에 따라 속도가 증가한다. 노즐의 수렴 부분은 연소 가스가 고속으로 가속화되도록 한다. 가스의 속도가 높을수록 해당 연소실 부분에 작용하는 가스의 압력이 낮아진다(베르누이 정리 또는 에너지 보존 법칙). 적절하게 설계된 엔진에서는 유동이 노즐 목구멍에서 마하 1에 도달한다. 그 시점에서 유동 속도가 증가한다. 노즐 목구멍 너머의 종 모양 확장 부분은 팽창하는 가스가 로켓 엔진의 해당 부분을 밀도록 한다. 따라서 노즐의 종 부분은 추가적인 추력을 제공한다. 뉴턴의 제3법칙에 따라 배기 가스는 로켓에 힘의 반작용을 생성하여 로켓의 가속을 유발한다.^[68]

밀폐된 공간에서는 압력이 각 방향으로 동일하며 가속이 발생하지 않는다. 공간의 바닥에 개구부가 제공되면 더 이상 누락된 부분에 압력이 작용하지 않는다. 이 개구부를 통해 배기가스가 빠져나갈 수 있다. 나머지 압력은 개구부의 반대쪽에 합력 추력을 제공하며, 이러한 압력이 로켓을 밀어낸다.

뉴턴의 제3법칙에 따르면 로켓에 대한 이러한 압력은 반대 방향의 배기가스에도 작용하여 배기가스를 매우 높은 속도로 가속화한다.^[2] 운동량 보존 법칙의 원리에 따르면 로켓의 배기 속도는 주어진 양의 추진제에 대해 얼마나 많은 운동량 증가가 생성되는지 결정한다. 이것을 로켓의 ''비추력''이라고 한다.^[2] 외부 방해 없이 비행 중인 로켓, 추진제 및 배기가스는 폐쇄 시스템으로 간주될 수 있으므로 총 운동량은 항상 일정하다. 따라서 한 방향으로 배기가스의 순 속도가 빠를수록 반대 방향으로 로켓이 달성할 수 있는 속도가 커진다.

일반적인 로켓 엔진은 매초 자체 질량의 상당 부분에 해당하는 추진제를 처리할 수 있으며, 추진제는 노즐을 초속 수 킬로미터의 속도로 빠져나간다. 이는 로켓 엔진, 그리고 종종 전체 비행체의 추력대중량비가 매우 높을 수 있음을 의미하며, 극단적인 경우 100을 초과하기도 한다. 이는 일부 우수한 엔진^[75]의 경우 5를 초과할 수 있는 다른 제트 추진 엔진과 비교된다.^[76]

로켓의 순 추력 공식은 다음과 같다.

:

F_n = \dot{m}\;v_{e},

^[2]

여기서

$\dot{m} =\,$ 추진제 유량 (kg/s 또는 lb/s)
$v_{e} =\,$ 유효 배기 속도 (m/s 또는 ft/s).

유효 배기 속도

v_{e}

는 배기가 비행체를 떠나는 속도와 거의 같으며, 우주의 진공 상태에서는 유효 배기 속도가 종종 추력 축을 따라 실제 평균 배기 속도와 같다. 그러나 유효 배기 속도는 다양한 손실을 고려하며, 특히 대기 중에서 작동할 때 감소한다.

로켓 엔진을 통한 추진제 유량은 비행 중에 의도적으로 변화시키는 경우가 많으며, 이는 추력을 제어하고 따라서 비행체의 속도를 제어하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 이를 통해 공기역학적 손실을 최소화^[74]하고 추진제 하중 감소로 인한 ''g''-힘의 증가를 제한할 수 있다.

배기가스의 유효 속도는 1초 동안 연소되는 특정 양의 연료에서 생성되는 추력의 양을 제어한다.

추진제 단위 질량당 순 추력의 등가 척도를 비추력

I_{sp}

이라고 하며, 이는 로켓 성능을 설명하는 가장 중요한 지표 중 하나이다. 이는 유효 배기 속도와 다음과 같은 관계가 있도록 정의된다.

:

v_e = I_{sp} \cdot g_0

^[2]

여기서:

$I_{sp}$ 의 단위는 초(s)이다.
$g_0$ 는 지구 표면의 중력 가속도이다.

따라서 비추력이 클수록 순 추력과 엔진 성능이 커진다.

I_{sp}

는 엔진 시험 중 측정하여 결정한다. 실제로 로켓의 유효 배기 속도는 다양하지만 매우 높을 수 있으며, 약 4500 m/s로, 해수면에서의 공기 중 음속의 약 15배에 달한다.

7. 발전 방향

핵열 로켓은 이미 냉전 기간 중 개발이 시작되어 상당한 성과가 있었다. 미래 행성간 우주선 추진용으로 다시 사용하기 위해 개발 중이다.^[71] 태양열 추진 로켓은 열원으로서 태양열을 사용하는 방식이다. 우주 공간에서 얻을 수 있는 에너지원으로 가장 합리적으로 생각되지만 효율면에서 핵추진보다는 못한 것이 단점이다. 이 방식은 우주로 연료를 싣고 가지 않아도 되고 핵으로 인한 안전 문제로부터 자유롭다는 장점이 있어서 연구 중이다.^[71] 그 밖에 논의되고 있는 로켓은 [http://www.neofuel.com Neofuel] 등이 있으며, 개발 중이다.^[71]

재사용형 우주왕복선은 발사 후 발사체를 회수하여 재사용하는 로켓 시스템이다. 발사할 때마다 발사체를 제작할 필요가 없어 비용 절감 등의 장점이 기대된다. 스페이스셔틀이나 팰컨 9 등이 성공하였다.

참조

_[1] 서적 Porcupine, Picayune, & Post: How Newspapers Get Their Names https://archive.org/[...] University of Missouri Press 2016-05-28
_[2] 서적 Rocket Propulsion Elements https://books.google[...] John Wiley & Sons 2016-05-28
_[3] 웹사이트 Rockets in Ancient Times (100 B.C. to 17th Century) http://history.msfc.[...] NASA 2009-06-28
_[4] 웹사이트 A brief history of rocketry http://science.ksc.n[...] 2006-08-19
_[5] 서적 Throwing Fire: Projectile Technology Through History Cambridge University Press
_[6] 문서 Needham, Volume 5, Part 7, 510.
_[7] 웹사이트 Gunpowder Composition for Rockets and Cannon in Arabic Military Treatises In Thirteenth and Fourteenth Centuries http://www.history-s[...] 2008-03-29
_[8] 웹사이트 Transfer Of Islamic Technology To The West, Part III: Technology Transfer in the Chemical Industries http://www.history-s[...] 2008-03-29
_[9] 학술지 'The Soul of Artillery': Congreve's Rockets and Their Effectiveness in Warfare https://www.jstor.or[...]
_[10] 서적 Rockets and missiles : the life story of a technology Greenwood Press 2004
_[11] 서적 The Devil as Automaton http://dx.doi.org/10[...] University of Chicago Press 2024-02-18
_[12] 서적 Le macchine cifrate di Giovanni Fontana: con la riproduzione del Cod. icon. 242 della Bayerische Staatsbibliothek di Monaco di Baviera e la decrittazione di esso e del Cod. lat. nouv. acq. 635 della Bibliothèque nationale di Parigi Arcadia Edizioni 1984
_[13] 백과사전 rocket and missile system {{!}} weapons system https://www.britanni[...] 2017-10-29
_[14] 웹사이트 The Rockets That Inspired Francis Scott Key http://www.airspacem[...] 2022-08-22
_[15] 웹사이트 MLRS and Maneuver Warfare https://mca-marines.[...] Marine Corps Association 2022-08-22
_[16] 서적 The Details of the Rocket System https://www.gutenber[...] Project Gutenberg 2018
_[17] 서적 God's Glory in the Heavens https://books.google[...] 1862
_[18] 간행물 The First Guided Missile 1952-10-03
_[19] 웹사이트 Gas Dynamics Laboratory http://www.russiansp[...] 2022-05-29
_[20] 서적 Developments of Rocketry and Space Technology in the USSR https://www.amazon.c[...] Novosti Press Pub. House 1973
_[21] 웹사이트 Katyusha rocket launcher. Weapon of Victory: multiple launch rocket system 'Katyusha' https://ezoteriker.r[...] 2022-06-05
_[22] 비디오 The Directors (Fritz Lang) https://www.sky.com/[...] 2018
_[23] 학술지 The Outer Limits http://www.dga.org/C[...] Directors Guild of America, Inc. 2012-06
_[24] 뉴스 Woman in the Moon – Philip French on Fritz Lang's handsomely restored moon-mission yarn https://www.theguard[...] 2022-07-24
_[25] 뉴스 Watch the Silent Film that Brought Rocket Science to the Masses https://www.vice.com[...] 2022-07-24
_[26] 서적 The Rocket Team Apogee Books
_[27] 서적 The Rocket and the Reich: Peenemünde and the Coming of the Ballistic Missile Era https://archive.org/[...] The Free Press 2019-11-15
_[28] 뉴스 V2: The Nazi rocket that launched the space age https://www.bbc.com/[...] BBC 2023-02-26
_[29] 웹사이트 NASA History: Rocket vehicles http://www.hq.nasa.g[...] Hq.nasa.gov 2012-12-10
_[30] 뉴스 Rocket bicycle sets 207mph speed record By Leo Kelion https://www.bbc.co.u[...] 2014-11-11
_[31] 서적 Cold War submarines : the design and construction of U.S. and Soviet submarines Brassey's 2004
_[32] 서적 The Naval Institute guide to combat fleets of the world 2000–2001 : their ships, aircraft, and systems Naval Institute Press 2000
_[33] 웹사이트 The Rocketman http://www.rocketman[...] The Rocketman 2012-12-10
_[34] 서적 Fundamentals of Advanced Missiles John Wiley & Sons
_[35] 간행물 Space handbook: Astronautics and its applications : Staff report of the Select Committee on Astronautics and Space Exploration http://www.hq.nasa.g[...] U.S. G.P.O. 2009-07-20
_[36] 웹사이트 internal combustion engines http://concise.brita[...] Concise Britannica 2012-12-10
_[37] 서적 Discover NASA and You http://dln.nasa.gov/[...] NASA
_[38] Youtube The Pendulum Rocket Fallacy https://www.youtube.[...] 2020-10-02
_[39] 서적 Rocket man: the story of Robert Goddard https://archive.org/[...] Twenty-First Century Books
_[40] 서적 History of Liquid Propellant Rocket Engines American Institute of Aeronautics and Astronautics
_[41] 웹사이트 What is a Sounding Rocket? http://www.nasa.gov/[...] NASA 2016-05-28
_[42] 논문 High Altitude Research at the Applied Physics Laboratory in the 1940s https://www.jhuapl.e[...] 2016-10-18
_[43] 웹사이트 Test sets world land speed record http://www.af.mil/ne[...] www.af.mil 2008-03-18
_[44] 웹사이트 Spaceflight Now – worldwide launch schedule http://spaceflightno[...] Spaceflightnow.com 2012-12-10
_[45] 웹사이트 Apollo launch escape subsystem http://www.apollosat[...] ApolloSaturn 2012-12-10
_[46] 웹사이트 Soyuz T-10-1 'Launch vehicle blew up on pad at Tyuratam; crew saved by abort system' http://www.astronaut[...] Astronautix.com 2012-12-10
_[47] 웹사이트 N1 Manned Lunar Launch Vehicle http://www.astronaut[...] Encyclopedia Astronautica 2014-06-24
_[48] 웹사이트 N1 5L launch – 1969.07.03 http://www.astronaut[...] Encyclopedia Astronautica 2014-06-24
_[49] 서적 Soviet and Russian lunar exploration https://books.google[...] Springer 2007
_[50] 웹사이트 N1 (vehicle 5L) moon rocket Test – launch abort system activated https://www.youtube.[...] 2015 YouTube, LLC 2015-01-12
_[51] 웹사이트 Soyuz T-10-1 http://www.astronaut[...] Encyclopedia Astronautica 2014-06-24
_[52] 웹사이트 Howstuff works ejection seats http://science.howst[...] Science.howstuffworks.com 2001-06-27
_[53] 웹사이트 Model Rocket Safety Code http://nar.org/NARmr[...] National Association of Rocketry 2019-10-30
_[54] 웹사이트 Safety http://www.nar.org/s[...] National Association of Rocketry 2012-07-06
_[55] 웹사이트 Model Rockets http://exploration.g[...] National Aeronautics and Space Administration 2012-07-06
_[56] 웹사이트 Organizational statement of the NAR http://www.nar.org/p[...] National Association of Rocketry
_[57] 웹사이트 CSXT Go Fast! Rocket Confirms Multiple World Records http://www.colorados[...] Colorado Space News 2014-09-04
_[58] 웹사이트 Demonstration of the flying rocket belt, Fort Eustis, Virginia and the Pentagon, 06/07/1961 https://www.youtube.[...] U.S. National Archives 2023-04-30
_[59] 웹사이트 Sammy Miller http://www.eurodrags[...] Eurodragster.com 2012-12-10
_[60] 뉴스 'Amateur' rocket launch delayed http://news.bbc.co.u[...] 2023-10-10
_[61] 뉴스 Rocket blasts into record books http://news.bbc.co.u[...] 2023-10-10
_[62] 뉴스 Rocket men's quest for command of the Ayr http://www.eveningti[...] 2023-10-10
_[63] 웹사이트 Moonport, CH1-2 https://www.hq.nasa.[...] 2020-07-31
_[64] 뉴스 Another task for the PSLV https://www.thehindu[...] 2020-07-31
_[65] 웹사이트 Acoustic Prediction Methods for Rocket Engines, Including the Effects of Clustered Engines and Deflected Exhaust Flow, CR-566 https://ntrs.nasa.go[...] NASA
_[66] 웹사이트 Launch Pad Vibroacoustics Research at NASA/KSC https://ntrs.nasa.go[...] 2016-04-30
_[67] 웹사이트 Sound Suppression System http://www.nasa.gov/[...] 2016-04-30
_[68] 서적 Understanding force: an account of some aspects of teaching the idea of force in school, college and university courses in engineering, mathematics and science https://archive.org/[...] Murray 1979
_[69] 웹사이트 How Rocket Engines Work http://science.howst[...] 2022-08-22
_[70] 서적 Understanding force: an account of some aspects of teaching the idea of force in school, college and university courses in engineering, mathematics and science https://archive.org/[...] Murray 1979
_[71] 웹사이트 Four forces on a model rocket http://www.grc.nasa.[...] NASA 2000-09-19
_[72] 서적 Sourcebook on the Space Sciences https://books.google[...] D. Van Nostrand Co. 1965
_[73] Master's thesis Coplanar Air Launch with Gravity-Turn Launch Trajectories https://scholar.afit[...] Air Force Institute of Technology 2004-03-01
_[74] 웹사이트 Space Shuttle Max-Q http://www.aerospace[...] Aerospaceweb 2001-05-06
_[75] 웹사이트 General Electric J85 http://www.geae.com/[...] Geae.com 2012-09-07
_[76] 웹사이트 Mach 1 Club http://www.thrustssc[...] Thrust SSC
_[77] 웹사이트 table of cislunar/mars delta-vs http://www.pma.calte[...]
_[78] 웹사이트 cislunar delta-vs http://www.strout.ne[...] Strout.net
_[79] 웹사이트 Choose Your Engine http://www.projectrh[...] Projectrho.com 2012-06-01
_[80] 웹사이트 The Evolution of Rockets http://www-istp.gsfc[...] Istp.gsfc.nasa.gov
_[81] 웹사이트 Rocket Mass Ratios http://exploration.g[...] Exploration.grc.nasa.gov
_[82] 웹사이트 Astronautix – Ariane 5g http://astronautix.c[...]
_[83] 웹사이트 Astronautix – Saturn V http://astronautix.c[...]
_[84] 웹사이트 Astronautix – Saturn IB http://astronautix.c[...]
_[85] 웹사이트 Astronautix-V-2 http://www.astronaut[...]
_[86] 웹사이트 AIAA2001-4619 RLVs http://mae.ucdavis.e[...]
_[87] 웹사이트 Rocket staging https://spaceflights[...] NASA
_[88] 웹사이트 Astronautix NK-33 entry http://www.astronaut[...] Astronautix.com 2006-11-08
_[89] 뉴스 A brief history of space accidents http://www.janes.com[...] Jane's Civil Aerospace 2003-02-03
_[90] 웹사이트 Rogers commission Appendix F http://science.ksc.n[...]
_[91] 웹사이트 Going Private: The Promise and Danger of Space Travel By Tariq Malik http://www.space.com[...] Space.com 2004-09-30
_[92] 웹사이트 Weighing the risks of human spaceflight http://www.thespacer[...] The Space Review 2003-07-21
_[93] 간행물 RAMS '06. Annual Reliability and Maintainability Symposium, 2006 2006-01-01
_[94] 웹사이트 A Rocket a Day Keeps the High Costs Away http://www.fourmilab[...] 1993-09-27
_[95] 웹사이트 Space Shuttle Use of Propellants and Fluids http://www-pao.ksc.n[...] NASA
_[96] 웹사이트 NASA Launch Vehicles and Facilities http://www-pao.ksc.n[...] NASA
_[97] 웹사이트 Space Shuttle and International Space Station http://www.nasa.gov/[...] NASA
_[98] 웹사이트 Mass Fraction http://www.spaceteth[...] Andrews Space and Technology (original figure source)
_[99] 서적 Great Mambo Chicken And The Transhuman Condition: Science Slightly Over The Edge http://groups.google[...] Basic Books 1990
_[100] 문서 U.S. Air Force Research Report No. AU-ARI-93-8: LEO On The Cheap :File:LEOonthecheap.[...]
_[101] 뉴스 Europe to press ahead with Ariane 6 rocket https://www.bbc.com/[...] 2014-12-03
_[102] 뉴스 The Rocketeer https://foreignpolic[...] 2013-12-09
_[103] 뉴스 U.S. Rocket Supplier Looks to Break 'Short Leash' https://www.wsj.com/[...] 2015-09-17
_[104] 뉴스 The inside story of how billionaires are racing to take you to outer space https://www.washingt[...] 2016-08-19
_[105] 간행물 A Method of Reaching Extreme Altitudes http://www.clarku.ed[...]
_[106] 뉴스 【Next Tech 2030】無燃料ロケット、電磁波で飛ばす東大グループ考案 {{small|地上から照射、物資輸送向け}} https://www.nikkei.c[...] 日本経済新聞社 2019-06-13
_[107] 웹사이트 Online Etymology Dictionary ― Rocket (n.2) https://www.etymonli[...] 2023-07-28
_[108] 서적 宇宙ロケット工学入門朝倉書店 2016-11-20
_[109] 뉴스 軍事用語ロケット・ミサイルの各国の用法（JSF） - エキスパート - Yahoo!ニュース https://news.yahoo.c[...]
_[110] 뉴스 Russia unveils nuclear-powered interstellar spaceship - Russian space industry news http://www.pravdarep[...] 프라우다 2018-11-13
_[111] 웹사이트 Russia unveils NUCLEAR spaceship poised for groundbreaking INTERSTELLAR missions - YouTube https://www.youtube.[...] youtube.com 2018-11-14
_[112] 웹사이트 Interstellar for Real Meet the Nuclear-Powered Spaceships of the Future - Sputnik International https://sputniknews.[...] sputniknews.com 2018-04-22
_[113] 웹사이트 Onward to Mars! (1988) russian - YouTube https://www.youtube.[...] youtube.com 2015-11-02
_[114] 웹사이트 В В Роскосмосе задумались о создании ракетоплана с ядерным двигателем - РИА Новости, 06.03.2019 https://ria.ru/20190[...] 2019-03-06
_[115] 문서 OTRAG 관련 내용
_[116] 웹사이트 A brief history of rocketry http://science.ksc.n[...] 2019-07-16
_[117] 웹사이트 元寇・文永の役（1274年）で大陸から持ち込まれた武器を知りたい。以下のようなものがあったと見聞きし... https://crd.ndl.go.j[...]
_[118] 서적 昭和ニュース辞典第8巻昭和17年/昭和20年毎日コミュニケーションズ 1994
_[119] 웹사이트 아마추어 로켓
_[120] 문서 2차 세계대전 이전 로켓 개발 관련 내용
_[121] 웹사이트 火星飛行機を実現する! http://www.mech.toho[...] 2020-05-03
_[122] 논문 1405 火星探査航空機翼型の設計探査(OS8-1 近似最適化I) https://doi.org/10.1[...] 日本機械学会 2010
_[123] 백과사전 고체 로켓 글로벌 세계 대백과
_[124] 백과사전 액체 로켓 글로벌 세계 대백과
_[125] 백과사전 혼합 로켓 글로벌 세계 대백과

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com