로켓의 유도와 제어 및 종류

로켓의 유도와 제어

로켓이 미리 정해진 코스와 일정을 따라가도록 하는 것을 유도라고 하며, 이를 위하여 컴퓨터의 명령에 의해 로켓의 속도와 비행 방향을 변경하는 것을 조종 또는 제어라고 한다. 이러한 유도나 조종을 위한 장치가 탑재되어 있지 않은 로켓을 무유도로켓이라고 하며 재래식 저가형 로켓에 주로 사용된다. 반면, 현대의 정밀 타격 미사일이나 우주발사체는 인공위성 등의 탑재체를 원하는 목표 지점으로 보내거나 우주궤도에 진입시키는 것을 목표로 하며, 이를 위해서는 로켓의 속도와 방향을 유도 및 조종하는 시스템이 반드시 필요하다.

 

로켓의 유도 방식에는 프로그램 유도와 전파 유도, 관성 유도로 나눌 수 있다. 프로그램 유도는 비행경로를 미리 컴퓨터의 메모리에 기억시키는 방법이며, 전파 유도는 전파 또는 로켓에서 전송되는 신호와 지상레이더의 관측 자료를 사용하여 계획된 궤도로 원격 조정하는 방법이다. 관성 유도는 로켓 내부에 탑재된 자이로와 가속도계를 사용하여 자신의 위치를 계산하여 지정된 경로를 스스로 유도하는 방법이다. 이것을 로켓의 관성항법 시스템이라고 한다.

 

로켓의 조종 또는 제어는 로켓이 대기중을 비행할 때에는 로켓에 부착된 날개에서 발생하는 공력을 이용할 수 있다. 그러나 로켓이 급격한 선회나 기동이 필요하여 공력보다 더 큰 조종력이 필요한 경우나, 로켓의 비행 고도가 높아 공기가 희박한 경우는 추력의 방향을 제어함으로써 속도와 비행 방향을 변경할 수 있다.

1. 로켓의 날개 사용 / 대기권 내에서 비행할 때 로켓의 날개를 움직여 로켓의 방향을 변화시키는 방법이다.
2. 엔진이나 노즐의 회전 / 주 엔진이나 노즐의 방향을 전체적으로 바꿈으로써 추력의 방향을 변화시키는 방법이다. 주로 우주왕복선의 보조부스터에서 사용되고 있다.
3. 제트 핀 사용 / 노즐 내에 있는 핀을 이용하여 가스가 분출되는 방향을 변화시켜 로켓의 비행 방향을 변경한다. 활용이 간단하지만 고온 고압 가스에 노즐된 제트 핀은 쉽게 삭마되어 제어력을 잃기 때문에 운용이 필요한 짧은 시간 사용한 후, 분리 제거하는 방법으로 운용된다.
4. 보조 유체 주입방식 / 일반적으로 고체 로켓에 사용되며, 보조 주입장치로부터 기체 또는 액체 등을 노즐에 주입하여 연소가스의 분출 방향을 바꾸는 방법이다.
5. 보조 소형 엔진 / 작은 보조 엔진을 장착하여 그로부터 연소가스를 분출함으로써 비행 방향을 조정한다.
6. 가스 분사 / 로켓의 몸체에 장착한 가스 추력기에서 가스를 분출함으로써 비행 방향을 조정한다.

로켓의 다단계 운용

우주에 진입해서 인공위성을 요구하는 궤도에 올려놓기 위해서는 매우 높은 속도가 요구되므로, 로켓의 속도를 효과적으로 증가시키기 위해서 그림 9.6의 개념과 같이 다단 로켓을 운용한다. 일단 연료를 다 쓰고 나면 빈 연료통은 더 이상 쓸모가 없게 된다. 그것을 그대로 가지고 비행하면 에너지 낭비가 발생하여 운반능력은 크게 줄어들게 되므로, 다 쓴 연료통을 분리하여 로켓의 전체 중량을 줄임으로써 로켓의 성능을 증가시킬 수 있다.

 

다단 로켓은 각각의 구조물과 연료탱크 및 엔진을 갖는 각 비행체 또는 단으로 구성되는데, 각 단은 추진제와 구조물로 구성되고, 마지막 단은 추진제, 구조물 이외에 최종 탑재물을 추가로 포함한다. 실제 일반적인 화학 로켓에서의 추진제 질량과 연료탱크, 지지구조물은 탑재하중보다 훨씬 크다. 따라서 각 단에서 추진제를 모두 소모하면 구조물을 버리고, 이를 통해 에너지 손실을 최소화하게 된다. 또한 로켓 엔진은 초기질량을 가속하기에 충분하도록 설계되었기 때문에 연료가 거의 소비되었을 때는 발사체 구조물에 과도한 가속 응력이 작용하게 된다. 이를 방지하기 위한 이유로도 다단 로켓을 사용한다.

로켓의 종류

로켓 시스템은 에너지원(추진)의 형식(화학, 원자력 또는 태양), 기본 기능(부스터, 서스테이너, 궤도천이, 자세제어, 위치유지 등), 비행체의 형식(미사일, 우주비행체, 이륙시의 보조 추력제공 등), 추진제의 형식 및 크기, 제작형식 또는 주어진 비행체에 사용되는 로켓추진장치의 수 등에 따라 분류할 수 있다. 그림 9.8은 로켓 추진장치 중 기본 기능에 따른우주추진시스템의 단계를 나타낸 예이다. 우주에서의 활용을 목적으로 하는 우주추진시스템은 그 기능에 따라 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 우주발사체 시스템은 주 추진시스템으로 지상에서 우주로 진입하기 위한 기본 로켓 시스템을 나타내며 궤도 전이용 추진시스템은 탑재체를 필요한 궤도로 이송하는 역할을 한다. 마지막으로 필요 궤도에서 인공위성과 같은 탑재물이 운용될 때 궤도 내 속도나 자세를 제어할 때 사용되는 소형 추력기와 같은 운용 궤도용 추진시스템으로 구분할 수 있다.

 

로켓 추진시스템은 앞서 언급한 바와 같이 다양한 형태로 구분할 수 있지만, 에너지원의 종류에 따라 구분하는 것이 가장 일반적인데, 크게 열 추진시스템, 전기 추진시스템, 원자력 추진시스템으로 분류한다. 열 추진시스템은 사용되는 추진제의 종류나 에너지 형태에 따라 화학 추진시스템, 태양풍 추진시스템, 레이저 추진시스템으로 나눌 수 있다. 전기추진시스템은 이용되는 전기에너지 종류에 따라 전열 추진, 정전기 추진, 전자기 추진시스템으로 나누어지며, 원자력 추진시스템은 핵반응 과정에 따라 핵분열 추진시스템과 핵융합 추진시스템으로 구분할 수 있다. 이중 현재 가장 실용화되어 있는 것은 화학 추진시스템으로 이는 연료의 형태에 따라 고체 추진, 액체 추진, 하이브리드 추진시스템으로 분류된다.