고체 로켓

3. 특징

고체 로켓은 액체 연료 로켓에 비해 구조가 간단하고 저렴하며, 장기간 보관할 수 있다는 특징이 있다. 추진제가 상온에서 증발하거나 확산되지 않아 독성 문제에서 비교적 자유로우며, 제조 후 점검이 거의 필요 없고 즉응성이 뛰어나 군사용 미사일 등에 사용된다.^[4]

모터 케이스는 고온 고압을 견뎌야 하며, 고장력강, 티타늄 합금, 섬유 강화 플라스틱 등이 사용된다. 특히, 섬유 강화 플라스틱제 모터 케이스는 대륙간 탄도 미사일(ICBM)이나 잠수함 발사 탄도 미사일(SLBM) 등에서 실용화되었으며, 현재는 소형 군용 로켓 모터나 위성 발사용 로켓에도 사용된다.

모터 케이스는 어블레이션 냉각 방식으로 연소 가스의 열로부터 보호된다. 노즐, 특히 스로트부는 흑연이나 탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료 등 내열성이 뛰어난 재료가 사용된다.

4. 구성 요소

로켓 케이싱은 다양한 재료로 제작될 수 있다. 작은 흑색 화약 모형 모터에는 판지가 사용되며, 더 큰 복합 연료 취미용 모터에는 알루미늄이 사용된다. 우주왕복선 부스터에는 강철이, 고성능 모터에는 필라멘트 와인딩된 흑연 에폭시 케이싱이 사용된다. 케이싱은 로켓 모터의 압력과 응력, 고온을 견디도록 설계되어야 하며, 압력 용기로 간주된다. 부식성 고온 가스로부터 케이싱을 보호하기 위해 내부에 희생적인 열 라이너가 사용되기도 하는데, 이는 침식되어 케이싱의 수명을 연장한다.

수렴-발산 노즐은 배기 가스를 가속하여 추력을 발생시키는 장치로, 연소 가스의 열을 견딜 수 있는 무정형 흑연이나 탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료와 같은 내열성 탄소 기반 재료로 구성된다.^[4] 우주 왕복선 SRB처럼 노즐을 짐벌로 움직이거나, V-2 로켓처럼 배기구에 제트 베인을 사용하거나, 액체 분사 추력 벡터 제어(LITV)를 하는 등 배기 방향 제어가 포함되기도 한다. 모터 하부 노즐, 특히 스로트부는 직접 가스와 접촉하여 극심한 열에 노출되므로 흑연이나 탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료 등 내열성 재료나 어블레이션 냉각이 사용된다.

고체 로켓 점화기는 추진제에 불을 붙이는 장치로,^[4] 화공 점화기가 추진제 표면을 연소시킨다.

4. 1. 추진제

4. 1. 1. 추진제 종류

4. 2. 모터 케이스

4. 3. 노즐

4. 4. 점화기

5. 성능

로켓 연료의 효율성을 나타내는 단위로, 1kg의 연료가 1초 동안 연소될 때의 추력을 비추력이라고 한다. 단위는 초(s)로 나타내며, 기호는 Isp이다. 비추력은 추진제의 성능을 나타내는 중요한 지표이며, 값이 클수록 더 좋은 성능을 의미한다.^[19]

고체 로켓 추진제는 연소실 내에서 노출된 추진제 표면에서 급격하게 연소된다. 추진제의 기하학적 구조는 로켓 모터의 성능에 큰 영향을 미치는데, 추진제 표면이 연소되면서 형태가 변하고, 이는 연소 가스에 노출되는 추진제 표면적을 변화시킨다. 추진제 부피는 단면적($A\_s$)에 연료 길이를 곱한 값이며, 부피 추진제 소비율은 단면적에 선형 연소율($\backslash dot\{b\}$)을 곱한 것이다. 순간 질량 유량($\backslash dot\{m\}$)은 부피율에 연료 밀도($\backslash rho$)를 곱하여 계산한다.

:$\backslash dot\{m\}\; =\; \backslash rho\; \backslash cdot\; A\_s\; \backslash cdot\; \backslash dot\{b\}$

원하는 추력 곡선과 응용 분야에 따라 다양한 기하학적 구성이 사용된다.

• 원형 보어: BATES 구성에서 점진적-감퇴형 추력 곡선을 만든다.
• 엔드 버너: 추진제가 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 연소되며, 안정적인 장시간 연소를 제공하지만 열적 문제와 무게 중심(CG) 이동이 발생한다.
• C-슬롯: 측면에 큰 쐐기 모양으로 잘라낸 추진제로, 비교적 긴 감퇴형 추력을 생성하지만 열적 문제와 비대칭 CG 특성이 있다.
• 문 버너: 중심에서 벗어난 원형 보어는 점진적-감퇴형 장시간 연소를 생성하지만 약간의 비대칭 CG 특성이 있다.
• 피노실: 5개 또는 6개의 다리가 달린 별 모양으로, 원형 보어보다 표면적이 넓어 균일한 추력을 생성하고 연소 속도가 빠르다.

6. 설계

단순한 고체 로켓 모터는 케이싱, 노즐, 그레인(추진제 덩어리), 점화기로 구성된다.

고체 그레인 덩어리는 예측 가능한 방식으로 연소되어 배기 가스를 생성하며, 그 흐름은 테일러-컬릭 유동으로 설명된다. 노즐 치수는 연소실 압력을 유지하는 동시에 배기 가스에서 추력을 생성하도록 계산된다. 점화되면 단순한 고체 로켓 모터는 연소를 위한 모든 필수 성분을 연소실 내에 포함하고 있기 때문에 끌 수 없다.

고체 로켓 추진제는 연소실 내 노출된 추진제 표면에서 급격하게 연소한다. 이러한 방식으로 로켓 모터 내부 추진제의 기하학적 구조는 전체 모터 성능에 중요한 역할을 한다. 추진제 표면이 연소되면서 형태가 변화하며(내부 탄도학 연구의 대상), 대부분 연소 가스에 노출되는 추진제 표면적을 변화시킨다. 추진제 부피는 단면적 $A\_s$에 연료 길이를 곱한 것과 같으므로, 부피 추진제 소비율은 단면적에 선형 연소율 $\backslash dot\{b\}$을 곱한 것이며, 생성되는 연소 가스의 순간 질량 유량은 부피율에 연료 밀도 $\backslash rho$를 곱한 것과 같다.

:$\backslash dot\{m\}\; =\; \backslash rho\; \backslash cdot\; A\_s\; \backslash cdot\; \backslash dot\{b\}$

응용 분야와 원하는 추력 곡선에 따라 여러 기하학적 구성이 종종 사용된다.

• 원형 보어: BATES 구성의 경우, 점진적-감퇴형 추력 곡선을 생성한다.
• 엔드 버너: 추진제가 한 축 끝에서 다른 쪽 끝으로 연소하여 안정적인 장시간 연소를 생성하지만, 열적 어려움과 무게 중심(CG) 이동이 발생한다.
• C-슬롯: 측면(축 방향)에서 큰 쐐기 모양으로 잘라낸 추진제로, 비교적 긴 감퇴형 추력을 생성하지만, 열적 어려움과 비대칭 CG 특성이 있다.
• 문 버너: 중심에서 벗어난 원형 보어는 점진적-감퇴형 장시간 연소를 생성하지만, 약간의 비대칭 CG 특성이 있다.
• 피노실: 일반적으로 5개 또는 6개의 다리가 달린 별 모양으로, 원형 보어보다 표면적이 증가하여 매우 균일한 추력을 생성하며 약간 더 빠른 연소를 보인다.

7. 제조

추진제는 원통형으로 성형되며, 연소 중 추력 패턴을 조절하기 위해 다양한 형태(원통형, 별 모양, 슬롯형 등)로 가공된다. 추진제 제조 과정에서 기포 혼입이나 균열 발생을 방지해야 한다.^[4]

응용 분야와 원하는 추력 곡선에 따라 여러 기하학적 구성이 사용된다.

초기 고체 로켓 모터에는 흑색 화약이 사용되었다. 사이타마현지치부시에 있는 구라 신사에서 매년 10월에 열리는 예대제(류세이 축제)에서 현재에도 발사되는 류세이 로켓은 목재를 대나무 타가로 조이고 내부에 흑색 화약을 다져 넣은 단면 연소 로켓이다.

그 후, 니트로셀룰로스와 니트로글리세린을 주체로 한 흑색 화약보다 성능이 좋은 더블 베이스 화약이 등장하여, 구 일본군의 로켓 병기에서는 이것이 사용되었다. 제2차 세계 대전의 특공 병기로 알려진 벚꽃의 로켓 엔진은 추력 800kg의 4식 1호 분진기 20형이 3개 묶여 각각 9초 동안 사용할 수 있었다.

제2차 세계 대전 이후에는 복합 추진제가 개발되었고, 이는 부틸 고무, 폴리우레탄, 폴리부타디엔 등의 합성 고무계 재료를 알루미늄(Al) 등의 금속 분말 및 산화제와 혼련한 것으로, 산화제로는 과망간산 칼륨이나 과염소산 암모늄(AP) 등이 사용된다. 고무의 기제는 그 자체가 연료가 될 뿐만 아니라, 산화제나 금속 분말의 결합제, 그리고 연료의 기계적 성질을 결정한다. 우주항공연구개발기구(JAXA)의 H-IIA 로켓에 사용되는 SRB(고체 연료 로켓 부스터)에서 사용하는 복합 추진제는 산화제로 AP, 고무의 기제로는 말단 수산기 폴리부타디엔(HTPB)이 사용되고 있으며, AP/HTPB 계 복합 추진제라고 부른다. JAXA의 SRB가 사용하는 복합 추진제는 HTPB가 14%, Al이 18%, AP가 68%와 산화철 등 약간의 첨가물로 구성된다.

또한 복합 추진제의 기재에는 열경화성 수지인 HTPB 외에 열가소성 수지(LT)를 사용한 추진제(LTP)가 제안되고 있다. 일정 시간(48시간 정도)에 경화되어 재성형이 불가능한 열경화성 수지와 달리 열가소성 수지는 가열하면 연화되므로 더 성형하기 쉽고 비용 절감으로 이어진다는 기대를 받고 있다.

현재 사용되고 있는 과염소산염 암모늄계 복합 추진제는 연소 시 대량의 염화수소를 발생시키기 때문에, 발사 후 독성이 강한 가스가 다량으로 확산된다. 케네디 우주 센터에서의 우주 왕복선 발사에서는 풍향에 따라 관객의 장소 제한을 바꾸고 있다. 케네디 우주 센터에서는 조정지에 배수되어 알칼리 투입으로 중화하고 있다. 과염소산 암모늄의 염소 성분은 오존층에 악영향을 미칠 뿐만 아니라, 미국의 방위 산업 공장 부근에서는 과염소산염이 환경으로 다량으로 방출되고 있는 것이 확인되어, 최근에는 과염소산염 자체의 인체 독성이 우려되기 시작한 점 등도 있어, 대체 산화제가 요구되고 있지만 아직 연구 중에 있다.

염화수소 가스 발생 방지 방법으로는, 중화제가 되는 마그네슘 등의 금속을 추진제에 섞어, 무해한 염화 마그네슘으로 염소를 배출하는 중화형 추진제, 질산나트륨 등 알칼리 질산염을 섞어 무해한 염화 나트륨으로 염소를 배출하는 소기형 추진제가 고안되었지만, 충분한 효과를 거두지 못했다.^[51]

가장 이상적인 것은 과염소산염을 대체하는 산화제를 사용하는 것으로, 암모늄 디니트라미드(ADN)이 대체제로 기대되고 있다.^[51]

8. 주요 사고

챌린저호 폭발 사고와 브라질 로켓 폭발 사고처럼 고체 추진제에 기인하는 사고가 여러 차례 발생했다. 일본에서도 1962년 5월 24일에 K8-10호기 폭발 사고가 발생했으며, 2015년 11월 13일에는 VS-40M V03가 브라질 알칸타라 발사 기지에서 발사 직후 폭발했다^[57].

9. 활용 분야

고체 로켓은 다음과 같은 다양한 분야에서 활용되고 있다.

• '''군사용 미사일:''' 높은 신뢰성과 즉응성 덕분에 AIM-9 사이드와인더, AIM-54 피닉스와 같은 공대공 미사일, 제리코, 세질과 같은 탄도 미사일, LGM-30 미니트맨, UGM-133 트라이던트 II와 같은 대륙간 탄도 미사일(ICBM) 등 다양한 군사용 미사일에 널리 사용된다.^[11]
• '''우주 발사체:''' 고체 로켓 부스터는 아리안 5, 아틀라스 V와 같은 액체 연료 로켓의 초기 추력을 높이는 데 사용된다. 페가수스, 미노타우르와 같이 소형 위성을 궤도에 올리는 발사체나, 스타 48과 같은 상단 로켓에도 고체 연료가 사용된다.
• '''과학 관측 로켓:''' 블랙 브란트, VSB-30과 같은 사운딩 로켓은 고고도 과학 관측에 사용된다.
• '''아마추어 로켓:''' 모형 로켓은 흑색 화약이나 복합 추진제를 사용하며, 일반인도 쉽게 접근할 수 있다. 중급 및 고출력 로켓에는 상업적으로 제작된 APCP 모터가 사용된다.

10. 향후 연구

플라스티졸 고체 추진제의 한 종류로, 전류를 가하여 점화하고 추력을 조절할 수 있는 전기 고체 추진제(ESPs)는 정확한 간격과 지속 시간으로 안정적으로 점화할 수 있다. 움직이는 부품이 필요 없으며 추진제는 불꽃이나 전기 스파크에 민감하지 않다.^[36]

향후 연구는 다음과 같다.

• ALICE 추진제와 같은 환경 친화적인 연료 조성
• 고체 연료를 사용하는 램제트
• 가변 노즐 형상을 기반으로 한 가변 추력 설계
• 고체 연료와 스로틀 가능한 액체 또는 기체 산화제를 사용하는 하이브리드 로켓

참조

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