로켓의 주요 부품 "추진체(고체)"

추진제(고체)

고체 로켓 모터는 모든 로켓 엔진 중에서 가장 간단한 형태라 볼 수 있다. 고체 로켓 모터는 급속한 속도로 연소하는 고체 혼합물을 외부 케이스에 채워 놓고 있다가, 필요시 점화 후 고온 가스를 노즐을 통해 분출하여 추력을 얻는다. 사용이 필요한 시점에 점화로부터 추력 발생까지가 보통 0.1초 이내의 매우 빠른 시간에 이루어지므로 군용 미사일 추진시스템에 많이 활용되고 있다. 그러나 액체 추진제 엔진과 달리 고체 추진제 모터는 연소를 도중에 정지시키거나 추력을 조절하는 것이 매우 어려운 단점이 있다.

 

고체 추진제에는 일반적으로 균질 및 복합 추진제로 구분할수 있다. 두 추진제 모두 상온에서 조밀하고 안정하며 저장성이 양호하다. 균질 고체 추진제는 단순기저이거나 이중기저로 구분할 수 있다. 단순기저 추진제는 산화제와 감소제의 기능을 둘 다 갖고 있는 단순 복합물, 보통 니트로셀룰로오스로 구성되어 있다. 이중기저 추진제는 보통 가소제가 가미되어있는 니트로셀룰로오스와 니트로글리세린으로 구성되어 있다. 이러한 균질고체 추진제는 1900년대 고체 추진제 중 가장 먼저 개발되었다. 현대의 복합 추진제에 비해 비추력이 낮은 단점이 있으나, 배출가스에 연기가 발생하지 않는 장점이 있어 사수의 생존성이 중요한 보병용 미사일의 사출 모터 등 현대에도 많이 사용된다. 현대에는 고체추진시스템의 주 추력을 위한 추진제로는 대부분 비추력이 높은 복합추진제를 사용한다.복합추진제는 크게 추진제 질량의 60~90%를 차지하는 고체 산화제, 고체 가루를 묶어주는 역할의 바인더에 해당하는 폴리머로 구성된다. 그 외 연소율을 증진시키기 위해 촉매제나 또는 파우더의 제작을 수월하게 하기 위한 다른 제 3의 물질과 같은 추가복합물을 미량포함하기도 한다. 일반적으로 최종 고체 추진제의 형태는 딱딱한 고무 지우개 같은 물질이된다.

 

고체 추진제 모터는 군사용 미사일의 추진시스템 외 우주발사체 시스템에도 다양한 용도로 활용된다. 소형 고체모터는 종종 발사체의 최종 단계에 사용되거나, 탑재체를 더 높은고도로 올리기 위해 탑재체에 직접 부착시키기도 한다. PAM과IUS 같은 중간 크기의 고체모터는 위성을 정지궤도나 행성궤도에 올릴 수 있는 추가 추력을 제공한다. 우주왕복선의 고체 추진제 모터는 지금까지 사용되고 있는 모터 중 가장 큰 모터로, 각 부스터는 499,000 kg의 추진제를 싣고 있으며, 약 14,680,000 N까지의 추력을 생성할 수 있다.

 

고체 추진제의 형상은 고체 로켓 모터에서 발생하는 추력의 형상과 밀접한 연관을 갖는다. 즉 고체 추진제의 노출 표면의 형상이 연소 형태를 결정하게 된다. 우주 산업에서 사용되는 고체 연료 블록의 형태는 크게 두 가지로 분류된다. 하나는 추진제 끝단에서 연소가 시작되는 엔드 버너 형상으로 추진제가 연소되는 면적이 일정하므로 추력이 일정하게 발생하는 형태이고, 다른 하나는 내부에서 연소가 되는 형상이다. 보다 일반적인 경우로, 연소 표면이 내부 중앙 포트를 따라 형성되므로 설계자가 필요로 하는 추력 형상에 따라 별 모양 등 다양한 형상을 갖도록 설계된다.

 

예를 들어, 실린더 모양의 포트 형상을 갖는 추진제는 내부 표면적이 지속적으로 증가하므로 추력 또한 지속적으로 증가된다. 반면 추진제 내부 환형 형상의 공동을 갖는 추진제의 형태는 설계에 따라 일정한 추력이 발생되도록 할 수 있다. 이외에도 초기 추력의 필요 정도나 추력 감소 패턴에 따라 별형, 십자형, 더블 앵커형, 코그형 등 다양한 형상이 있을 수 있으며, 흔히 일반적으로는 제작성이나 추력 프로파일의 활용성 등을 고려하여 별형 형상이 가장 널리 사용된다.