로켓 시스템의 종류는 무엇인가 "원자력 / 전기 추진 시스템"

로켓 시스템의 종류 "원자력 추진 시스템"

원자력 추진시스템은 동작유체(보통 액화수소)에 열을 전달하는 방법에 따라 다음과 같이 크게 세 가지 방식으로 구분한다.

1. 핵분열 고체/가스코어 시스템(fission solid/gas core system)
2. 방사성 동위원소 시스템(radioactive isotope system)
3. 핵융합 가스코어 시스템(fusion gas core system)

위의 세 형식은 기본적으로 액체 추진제 시스템의 연장이라 볼 수 있다. 단지 가스의 열을 화학적 반응이 아닌 원자핵 내에서의 변형에 의한 에너지로부터 얻는다는 것이 다르다. 화학로켓에서 에너지는 추진제 내에서 얻으나, 원자력 로켓에서의 동력원은 보통 추진제와 분리되어 있다. 아직 이들 원자력 추진시스템이 완전하게 개발되어 실용화된 적은 없으나 원자력 추진 로켓의 추진력이 기존 액체나 고체 추진제 로켓의 2~5배에 달해 우주 탐사 등의 임무를 수행하기 위한 진시스템으로 재조명받고 있다.

 

핵분열 원자력 추진시스템의 경우 열은 고체 원자로 내에서 우라늄의 분열에 의해 생성된다. 900초 정도의 높은 비추력을 가질 수 있으며 1960년대에 개발을 위한 시험이 수행된 경험이 있다. 방사성 동위원소 붕괴 로켓 엔진의 경우 방사능 재료가 방사능을 방출하고 이는 쉽게 열로 변환되는 원리를 이용한다. 동위원소 붕괴 에너지원은 우주비행체에서 전력을 생성하는데 성공적으로 사용되어 왔고 이들 중 일부는 위성과 심우주 탐사비행체에도 활용된 바 있다. 핵융합로켓 엔진에 대한 개념도 많이 연구되어 왔으나 아직까지 실용화되지는 못했다. 이와 같은 원자력 로켓 엔진은 시험 중 부주의한 사고로 인하여 지구상에 방사능 물질이 퍼질 것에 대한 우려와 막대한 개발비용에 기인하여 개발이 쉽지 않으며 현재까지 실질적인 엔진에 대한 개발 성과는 보고되지 않고 있다.

로켓 시스템의 종류 "전기 추진 시스템"

모든 전기 추진시스템에서 전력원(태양전지, 원자력 또는 배터리 등)은 추력을 생성하는 메커니즘과는 별개다. 전기 추진시스템은 전기적 가열, 전기적 또는 자기적 힘에 의하여 배기가스를 가속시켜 추력을 얻는 방식이다. 전기 추진시스템은 배기가스 가속 방법에 따라 전열 추진시스템, 정전기 추진시스템, 그리고 전자기 추진시스템으로 분류할 수 있다.

 

전열 추력기는 추진제 생성가스에 엔탈피를 증가시켜 노즐을 통하여 가스를 팽창시킴으로써 추력을 생성한다. 전력증진 하이드라진 추력기, 저항제트 추력기, 하이드라진 아크제트 추력기 등이 전열방식 시스템에 속한다. 정전기 추력기는 추력생성 빔 내에서 정전기적으로 가속된 이온에 의해 추력을 발생하는 시스템이며, 이온 추력기와 콜로이드 추력 기가 이에 속한다. 전자기 추력기는 이온화된 추진제에 작용하는 힘을 발생시키기 위해 자기장과 큰 전류를 투입하여 추력을 생성하는 시스템이다. 자기 플라즈마 추력기, 자기 아크제트 추력기 등이 전자기 방식 추력기의 일종이다.

 

전기 추진시스템의 장점은 화학추진시스템이 갖는 제약조건을 넘어 높은 배기속도를 얻음으로써 연료 절약, 위성의 전체 질량 감소, 탑재체의 용량증가 및 위성 임무기간의 증가를 가능하게 한다. 그러나 궤도 전이 시 추력생성이 작아 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 예를 들어, 비추력이 1,000초 정도인 수소 아크제트 추력기를 사용하여 저궤도에서 정지궤도로 전이하는데 약 여섯 개월 정도 소요된다. 또한 시스템 작동을 위해 고전력이 필요하기 때문에 초경량 태양전지판의 개발, 긴 수명의 배터리 개발 또는 다른 대체 에너지의 개발이 필요하나, 최근에는 저전력에서 작동하는 전기추진시스템의 개발이 현저하게증가하고 있으며 상용 통신방송위성의 북남 위치 유지 및 자세 제어 등에 활용하고 있다.미국의 록히드마틴사는 하이드라진 아크제트 추진시스템을, 보잉사는 이온 추진시스템을상용 위성에 사용하고 있다.

 

그 밖에 위성을 추진하기 위하여 태양에너지를 이용하는 여러 가지 방법이 개발되었다.전기추진시스템에 전력을 공급하기 위해 태양전지 셀을 가장 빈번하게 이용하였다. 또한 태양의 복사 압력을 이용하는 태양항해와 양자로켓이 있다.