로켓 - 다단연소사이클엔진

로켓 - 다단연소사이클엔진

발사체엔지은 연소기에서 고압으로 산화제 및 연료를 공급을 하기 위해서 필요한 터보펌프를 움직이기 위해 작은 연소기(가스 발생기)를 가진다. 이 작은 연소기에서 발생하는 배기가스를 그대로 배출하거나 다시 주 연소기로 배기가스를 보내어 연소를 하지는지에 따라 '개방형  사이클' 방식과 또 '다단연소 사이클' 방식으로 나누어 볼 수 있습니다.

다단연소 사이클 로켓엔진은 개방형 사이클 방식에 비해서 연소 효율(비추력)이 약 10% 정도로 높여줍니다. 비추력 추진제 1kg이 1초 동안 소비되었을 때 발생하는 추력이며, 단위는 초로 표시하도록 합니다. 또한 같은 양의 추진제를 같은 시간동안 연소시켰을 때, 다단연소사이클 방식이 개방형 사이클보다는 더 높은 추력이 낼 수 있다는 것입니다.

보통의 다단연소사이클 엔진은 현재 알려져 있는 로켓 기술 중 가장 뛰어난 기술로도 분류가 되는데요. 단적인 예로 들자면, 다단연소사이클에선 예연소기(가스발생기)에서 발생하는 가스가 터빈을 돌린 후 다시 주연소기로 들어가야하기 때문에 주연소기에 비해서 2~2.5배 정도 높은 압력을 가져야 하기 때문에 각종 부품들과 내구성이 좋아야 합니다. 그만큼 제작하는 난이도가 높은 것입니다.

예를 들어 말하자면 가스터빈엔진의 비추력이 수 천초 범위를 나타내고 있지만 로켓엔진의 경우에는 겨우 수 백초 정도로 거의 1/10 수준으로 보일 뿐이라는 것입니다. 이온 추진로켓등의 추력이 수 천초 정도로 보일 수도 있지만서도 추력이 매우 낮아서 지상에서 우주로 나가는 용도로 오직 비추력 수 백초 대의 대형 화학로켓만이 사용되는것입니다.

최근에는 엔진 주요 구성품을 연결해서 성능을 제대로 내는지를 본격적으로도 시험하고 있습니다. 예를들어 자동차로 엔진과 개별 구성품별로 시험을 마치고 난 뒤 이것을 연결하여 과연 이것이 굴러가느냐를 시험하는 것입니다. 가스발생기와 연소기, 터보펌프를 연결을 해서 제대로 작동하는지, 어느 정도의 성능이 나오는지 확인하는 시험을 계속 반복하고 있습니다.

이렇게 보듯 로켓엔진의 세계에서는 추진효율은 다른 동력 기관의 경우보다 그 중요성이 더 크게 볼 수 밖에 없습니다. 그래서 로켓엔진 개발자들은 조금이라도 더 높게 추진효율 그리고 더 큰 비추력을 얻어내기 위해서 부단한 노력을 해왔습니다. 액체추진제 로켓엔진 개발사를 보자면 초기에는 가압식으로 개발이 시작됐으나 곧 연소실 압력을 높이려는 터보펌프를 사용하는 개방형 엔진을 개방하였으며 비추력을 더 높이기 위해서 폐쇄형, 즉 다다연소방식을 도입하였습니다.

가압식의 경우 시스템 구조들이 간단하고 연소실 압력상승이 비추력 상승으로 인하여 바로 이어지기는 하지만, 연소압력을 높이면 높일수록 추진제탱크 구조무게가 함께 증가해서 실제로 운영하는 한계로는 약 30기압 정도로 볼 수 있습니다. 터보펌프를 사용하는 개방형의 경우에는 펌프사용으로 인하여 운용압력을 상승시킬 수 있지만 압력을 높이기 위해서는 펌프의 동력을 더 높일 수록 추력에 참여되지 못하여 버려지고 있는 추진제 양 또한 많아지기 때문에 실제로 운영하는 범위는 100기압 전후에 많이 설계되고 있습니다. 이때 개방형 사이클에는 연소기와 가스발생기가 비슷한 압력을 가지도록 설계됩니다.