부스터
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1. 개요
부스터는 로켓이나 미사일의 초기 단계에서 추가적인 추력을 제공하여 목표 속도에 도달하도록 돕는 장치이다. 14세기 중국의 화룡경에 다단계 로켓에 부스터가 사용된 기록이 있으며, SM-65 애틀러스 로켓과 스페이스 셔틀의 고체 로켓 부스터(SRB)가 대표적인 예시이다. 부스터는 고체 로켓 부스터(SRB)와 액체 로켓 부스터(LRB), 스트랩온 부스터로 나뉘며, 스페이스X는 재사용 가능한 부스터 기술을 개발하여 발사 비용을 절감했다. 부스터는 항공기 이륙 보조(JATO/RATO) 및 미사일의 초기 가속에도 사용되며, 램제트 엔진을 사용하는 미사일에서 필수적인 역할을 한다.
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| 부스터 | |
|---|---|
| 로켓 부스터 | |
| 유형 | 로켓 |
| 용도 | 추력 증강 |
| 특징 | 로켓의 초기 단계에서 사용 주 엔진 점화 전 또는 점화 후 사용 가능 고체 또는 액체 연료 사용 |
| 작동 방식 | |
| 작동 원리 | 주 로켓에 추가적인 추력을 제공하여 발사 초기 단계에서 중력과 항력을 극복하는 데 도움을 줌. |
| 분리 | 연료 소진 후 주 로켓에서 분리되어 낙하. |
| 종류 | |
| 고체 로켓 부스터 (SRB) | 구조 간단, 높은 추력 추력 조절 불가 스페이스 셔틀, 아리안 5 등에 사용 |
| 액체 로켓 부스터 (LRB) | 추력 조절 가능 구조 복잡, SRB에 비해 추력 낮음 제니스 로켓, 앙가라 로켓 등에 사용 |
| 활용 | |
| 용도 | 인공위성 발사 우주 탐사 대륙간 탄도 미사일 (ICBM) |
| 예시 | 스페이스 셔틀의 SRB 델타 IV 헤비의 SRB 아틀라스 V의 LRB 팰컨 헤비의 SRB (재사용 가능) |
| 장단점 | |
| 장점 | 발사 초기 단계에서 높은 추력 제공 로켓의 페이로드 능력 향상 |
| 단점 | 무게 증가 비용 증가 분리 시 잔해물 발생 가능성 |
| 기타 | |
| 참고 | 로켓 부스터는 재사용이 가능하거나, 회수하여 재활용하는 경우도 있음. 일부 로켓은 액체 부스터를 사용하여 추력 조절 및 안정성 향상을 꾀함. |
2. 역사
14세기 중국 명나라의 군사 작가이자 철학자인 초옥(焦玉)이 쓴 군사지 화룡경에는 로켓 부스터가 장착된 다단계 로켓이 묘사되어 있다.[8]
SM-65 애틀러스 로켓은 세 개의 엔진을 사용했는데, 그중 하나는 연료 탱크에 고정되었고, 나머지 두 개는 스커트에 장착되어 부스터 엔진 연소 종료(BECO) 시 분리되었다. 이 로켓은 대륙간탄도미사일(ICBM)로, 머큐리 계획의 캡슐을 궤도에 진입시키는 데, 그리고 애틀러스-아제나와 애틀러스-켄타우루스 발사체의 1단계 추진체로 사용되었다.
SM-65 애틀러스 로켓은 세 개의 엔진을 사용했는데, 그중 하나는 연료 탱크에 고정되었고, 나머지 두 개는 스커트에 장착되어 BECO(Booster Engine Cutoff, 부스터 엔진 연소 종료) 시 분리되었다. 이 로켓은 대륙간탄도미사일(ICBM)로, 머큐리 계획의 캡슐을 궤도에 진입시키는 데 사용되었고, 애틀러스-아제나와 애틀러스-켄타우루스 발사체의 1단계 추진체로도 사용되었다.
3. 종류
스페이스X는 재사용 가능한 1단 로켓을 개발했다. 2단 로켓과 탑재체를 발사한 후, 부스터는 발사 지점으로 귀환하거나 드론선으로 이동하여 수직 착륙한다. 2017년 3월에는 처음으로 착륙한 로켓을 재사용했다. 2016년 4월에 ISS에 대한 보급 임무를 수행했던 로켓 코어 B1021이 2017년 3월에 SES-10 위성을 발사하는 데 사용되었다.[4] 이 프로그램은 발사 비용을 크게 줄이기 위한 것이었고, 2018년까지 SpaceX는 비행 증명된 부스터의 발사 비용을 로 줄였다.[5]
2019년 8월까지 Falcon 9 부스터의 회수 및 재사용은 일상적인 일이 되었으며, SpaceX 발사의 90% 이상에서 부스터 착륙/회수가 시도되었고, 75번의 시도 중 65번의 성공적인 착륙 및 회수가 이루어졌다. 2020년 말까지 총 25개의 회수된 부스터가 재정비되어 두 번째로 발사되었으며, 그중 일부는 세 번째로 발사되기도 했다.
2020년 말, 로켓랩은 일렉트론 로켓의 부스터를 Return to Sender 미션 발사 후 패러세일을 이용하여 태평양에 착수시키는 것을 지휘했다. 이는 나중 임무에서 부스터를 헬리콥터로 포획하고 재사용하는 프로그램의 일환이었다.[6]
항공기에 사용되는 로켓 부스터는 제트 보조 이륙(JATO) 로켓으로 알려져 있다.
3. 1. 고체 로켓 부스터 (SRB)
고체연료 로켓을 이용한 부스터이다. 구조가 간단하고 추력 조절이 불필요한 경우에 주로 사용된다. SRB가 대표적인 예시이며, 회수 및 재사용이 가능하도록 설계되었다.
다양한 미사일도 고체 로켓 부스터를 사용한다. 예를 들면 다음과 같다.
| 미사일 | 특징 |
|---|---|
| 2K11 (SA-4) | 1단계로 SRB를 사용한 후 램제트를 사용한다. |
| S-200 (SA-5) | 1단계로 SRB를 사용한 후 액체 연료 로켓을 사용한다. |
| 터보제트 추진 보잉 하푼 및 기타 여러 순항 미사일의 지상 및 잠수함 발사 버전 | SRB를 사용한다. |
3. 2. 액체 로켓 부스터 (LRB)
액체 로켓 부스터(LRB)는 액체연료 로켓을 이용한 부스터이다. 고체 로켓 부스터와 달리 추력 조절이 가능하고 비상시 정지할 수 있어 유인 우주선에 사용할 때 안전성이 높다.[7]스페이스셔틀 계획에서는 유인 우주선이라는 점 때문에 초기 개발 단계에서 LRB 사용이 여러 차례 검토되었다. 챌린저호 폭발 사고 이후에는 기존의 SRB를 LRB로 교체하는 방안이 검토되었고, 4개 회사가 NASA에 LRB 설계안을 제안했으나, 개발 비용 문제로 기존 SRB를 개량하는 것으로 결정되었다.
3. 3. 스트랩온 부스터
지에스엘브이 마크 3(GSLV Mark III), 타이탄 4(Titan IV) 등 여러 발사체는 스트랩온 부스터(strap-on booster)를 사용한다. NASA(미항공우주국)의 스페이스 셔틀은 스트랩온 부스터를 사용한 최초의 유인 우주선이었다. 델타 4 헤비(Delta IV Heavy), 팰컨 헤비(Falcon Heavy)와 같은 발사체는 스트랩온 액체 로켓 부스터를 사용한다.발사 시스템에서 부스터는 이륙 직후 수직 상승하는, 큰 추력이 필요한 기간 동안 주 엔진인 로켓 엔진의 추력을 보조하는 추력을 발생시킨다. 따라서 다단식 발사 시스템의 0단에 해당한다고 간주되기도 한다. 스페이스셔틀 계획 이후 액체산소-액체수소계가 주 엔진인 경우처럼, 스페이스셔틀 궤도선 자체의 SSME와 같이 분사 속도(비추력)는 고성능이지만 추력이 작아 자력으로 이륙이 불가능한 경우도 있다. 이러한 경우에는 오히려 부스터가 1단이고 주 엔진이 2단인 구성에 가깝다.
고체연료 로켓에 의한 고체 로켓 부스터가 많지만, 액체연료 로켓에 의한 액체 로켓 부스터도 많다. 페이로드의 상태에 따라 추력을 조절하기 위해 주 엔진의 추력에 부스터 로켓의 추력을 더하여 총 추력을 조절하는 로켓에서는, 같은 발사 로켓이라도 임무에 따라 사용하는 부스터 로켓의 수나 종류를 바꾼다. 주 엔진 주위를 둘러싸듯이 묶어서 장착하기 때문에 스트랩온 부스터(SOB)라고도 불린다. 사용 후에는 분리되어 투기되는 경우가 많지만, 회수 재활용하는 것도 있다.
4. 회수 및 재사용
스페이스셔틀 고체로켓 부스터는 스페이스셔틀 프로그램의 일환으로 1981년부터 2011년까지 부스터 케이싱이 회수되어 재사용을 위해 재정비되었다.
스페이스X는 재사용 가능한 1단 로켓을 개발했다. 2015년~2016년에 여러 부스터를 육지와 드론선에 착륙시킨 후, 2017년 3월에 처음으로 착륙한 로켓을 재사용했다. 2016년 4월에 처음으로 ISS에 대한 보급 임무를 수행했던 로켓 코어 B1021이 2017년 3월에 SES-10 위성을 발사하는 데 사용되었다.[4] 이 프로그램은 발사 비용을 크게 줄이기 위한 것이었고, 2018년까지 SpaceX는 비행 증명된 부스터의 발사 비용을 5000만달러로 줄였다.[5]
2019년 8월까지 Falcon 9 부스터의 회수 및 재사용은 일상적인 일이 되었으며, SpaceX 발사의 90% 이상에서 부스터 착륙/회수가 시도되었고, 75번의 시도 중 65번의 성공적인 착륙 및 회수가 이루어졌다.
2020년 말, 로켓랩은 일렉트론 로켓의 부스터를 Return to Sender 미션 발사 후 패러세일을 이용하여 태평양에 착수시키는 것을 지휘했다. 이는 나중 임무에서 부스터를 헬리콥터로 포획하고 재사용하는 프로그램의 일환이었다.[6]
5. 기타 응용 분야
항공기에 사용되는 로켓 부스터는 제트 보조 이륙(JATO) 로켓으로 알려져 있다. 다양한 미사일도 고체연료 로켓 부스터를 사용하는데, 특히 램제트 엔진을 채용한 미사일에서 부스터는 필수적이다.
5. 1. 항공기 이륙 보조 (JATO/RATO)
제트 보조 이륙(JATO) 또는 로켓 보조 이륙(RATO)은 항공기가 짧은 활주로에서 이륙할 수 있도록 로켓 부스터를 사용하는 방식이다.[1] 공기 흡입식 엔진이 아닌 로켓 엔진을 사용하는 것을 특히 RATO라고 부른다.[1]5. 2. 미사일
미사일의 부스터는 미사일을 목표 순항 속도까지 가속하기 위한 초기 가속용 엔진이다. 추력 조절이 필요 없으므로 고체연료 로켓 엔진을 사용하는 경우가 많다. 특히 램제트 엔진을 채용한 미사일에서는 램제트 엔진이 작동할 수 있는 속도에 도달할 때까지 부스터가 가속을 담당하므로 부스터는 필수적이다. 또한 미사일이 날개에 의한 공력 제어를 가능하게 하려면 일정 속도 이상으로 비행해야 한다. 즉, 속도가 느리면 방향 변경도 어렵기 때문에 필요한 속도까지 가속하기 위해 부스터를 사용하기도 한다.[1]순항용 엔진은 부스터와 구분하여 서스테이너(sustainer)라고 부른다. 연소 후 부스터가 분리되고 서스테이너가 작동하는 설계가 많다. 부스터와 서스테이너가 동시에 작동하지 않는 경우, 서스테이너 뒤에 부스터를 결합한다. 하지만 수직으로 결합하면 전장이 길어지므로, 인공위성 발사 로켓처럼 부스터를 미사일 옆에 묶는(스트랩온) 설계를 하기도 한다. 이러한 설계에서는 부스터가 서스테이너와 동시에 연소를 시작하는 경우가 많다. 스트랩온 방식은 전장은 짧지만 전체 부피가 커져서 최근의 VLS에는 적합하지 않다. 그래서 가동 노즐을 이용한 추력 벡터링 제어를 채택하여 공력 제어와 부스터를 없애고 전장을 짧게 만든 미사일도 있지만, 구조가 복잡해진다.[1]
고체 로켓과 램제트를 통합한 통합 램제트 엔진에서는 부스터로 사용하는 고체 로켓 엔진의 연료가 채워진 공간을, 연료가 모두 연소된 후 램제트 엔진의 연소실로 함께 사용함으로써 전체 설계를 소형화한다.[1]
다음은 고체 로켓 부스터를 사용하는 미사일의 예시이다.[1]
참조
[1]
웹사이트
Rocket Staging
https://web.archive.[...]
NASA
2018-10-12
[2]
웹사이트
Solid Rocket Boosters
https://web.archive.[...]
NASA
2018-10-12
[3]
웹사이트
Mars Reconnaissance Orbiter – Launch Vehicle Summary
https://web.archive.[...]
NASA
2011-03-08
[4]
뉴스
SpaceX makes aerospace history with successful launch and landing of used rocket
https://www.theverge[...]
2017-03-30
[5]
뉴스
With Block 5, SpaceX to increase launch cadence and lower prices
https://www.nasaspac[...]
2018-05-17
[6]
웹사이트
How to bring a rocket back from space
https://www.rocketla[...]
2021-08-04
[7]
웹사이트
有人宇宙システムの構築に向けて (3) ロケットとアボートシステム —有人宇宙論壇シリーズ—
https://web.archive.[...]
宇宙政策シンクタンク「宙（そら）の会」
2016-11-14
[8]
서적
Death's End (Remembrance of Earth's Past)
Tor Books
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