로켓의 주요 구성품 "노즐(조립체)"

로켓의 주요 구성품 "노즐(조립체)는 무엇인가?"

추진기관에서의 노즐은 추진제의 연소로 인해 발생하는 연소가스를 운동에너지로 효율적으로 전환시켜 추력을 발생시키는 역할을 한다. 로켓 엔진에서도 노즐은 동일한 역할과 기능을 수행한다. 앞서 설명한 바와 같이 추력은 노즐을 통과하는 질량유량, 배기가스의 속도와 출구 압력과 연관이 있으므로 요구되는 추력이 발생되도록 적절한 크기와 형상을 설계하는 것이 필요하다. 노즐 설계에 있어 요구 추력을 만족하도록 크기와 형상을 고려하는 것 이외에도 운용적인 측면에서 고려가 필요한 사항도 있다. 이중 가장 중요한 요소 중 하나가 내열 또는 냉각과 관련된다. 노즐은 역할과 기능상 고온의 가스가 통과하기 때문에 매우 높은 열에 노출되기 쉬우므로 노즐 자체 또는 노즐 주위의 타 구성품을 열 하중으로부터 보호하는 문제는 설계 또는 개발 시 반드시 고려되어야 매우 중요한 요소 중 하나이다. 특히 우주발사체나 탄도 미사일 등에 적용되는 비교적 장시간 운용이 필요한 로켓에 있어 노즐의 열 문제는 현대의 로켓 개발에 있어서도 매우 심각한 이슈 중 하나이다.

 

일반적으로 로켓 모터나 엔진에 적용되는 노즐은 수축-확산 노즐이다. 이러한 형상은 고추력이 발생될 수 있도록 연소실의 압력을 높이거나 노즐을 통과하는 배기가스의 속도를 높이는 것을 가능하도록 한다. 연소실에서 발생한 아음속 상태의 연소된 가스는 노즐 목을 이용하여 음속이 되도록 한 후, 다시 팽창하여 초음속 이상의 속도를 얻게 되는데, 형상의 변화에 따른 이러한 변화는 유체가 갖는 고유한 특성에 해당한다. 이러한 형상의 노즐을 고안자의 이름을 붙여 드 라발 노즐이라고 부른다.

 

노즐의 운용은 노즐 출구에서 발생되는 배기가스에 의한 압력과 대기 압력과의 차이에 따라 구분하는데, 두 압력의 차이에 따라 노즐 주위에 발생되는 유동의 특성이 달라지기 때문이다. 앞서 설명한 바와 같이 노즐에서는 연소된 가스가 팽창되는데, 이러한 팽창 정도에 따라 배기가스의 속도와 압력이 달라진다. 즉, 노즐의 확산부의 확산 정도가 크면, 유동의 팽창 정도가 크게 되고 노즐 출구에서의 배기가스의 속도는 커지고 압력은 작아지게 된다. 고압의 연소실에서의 가스가 팽창되어 노즐 출구에서의 압력이 대기 압력과 동일하게 되는 경우를 최적 팽창 조건이라고 부르며, 이 조건에서 연소실의 압력이 고정된 상태에서 최대의 추력이 발생하게 된다. 만약 이러한 최적 조건 대비 확산 또는 유동의 팽창 정도가 부족하면 노즐 출구에서의 압력은 대기 압력보다 크게 되어 부족한 팽창이 노즐 외부에서 발생하는데, 이를 부족 또는 과소 팽창 조건이라고 부르는데 물리적으로 노즐 출구에서의 속도가 충분하지 못하므로 최적 팽창 대비 추력이 작게 발생된다. 반대로 최적 조건 대비 확산 또는 팽창 정도가 과하면 노즐 출구에서의 압력은 대기 압력보다 작게 되며 이로부터 노즐 외부에는 복잡한 충격파가 발생하게 되는데, 이를 과대 팽창 조건이라고 부르며 노즐 출구에서 압력이 너무 작게 되어 최적 팽창 대비 추력이 작게 발생되게 된다. 따라서 연소실의 압력이 일정하게 유지되며 노즐의 형상이 고정된 경우, 최적 팽창점은 하나의 고도에서만 발생하게 되므로 노즐의 설계자는 로켓이 주로 운용되는 고도에 맞추어 노즐의 팽창 정도를 설계하게 된다. 이러한 이유로 보병용 미사일이나 대함 미사일과 같이 고도가 낮은 영역에서 주로 활용되는 로켓이나 우주발사체의 1단 로켓 대비 우주발사체 상단 로켓이나 탄도 미사일과 같이 고고도 비행이 많은 로켓의 경우 노즐의 팽창 정도가 훨씬 크게 된다. 일반적으로 낮은 고도에서 주로 운용되는 로켓에 적용되는 노즐의 팽창비는 보통 10 이하 수준이나 고고도에서 운용되는 로켓 노즐의 팽창비는 100 수준에 이르기도 한다. 고고도에서의 운용 조건에 따라 설계된 노즐이 이륙 등 저고도에서 운용되는 경우, 대기 압력 대비노즐의 출구 압력이 매우 낮게 되는 과대 팽창 조건에 해당하게 됨에 따라 노즐 외부에서는 노즐 출구에서의 낮은 압력과 높은 대기 압력과의 차이 때문에 노즐 출구에서는 충격파가 발생하게 된다. 이러한 이유로 이륙하는 로켓이나 비행체의 노즐에서 다이아몬드 형상의 화염이 관찰된다.

 

이상에서 설명한 이유로 로켓의 노즐은 일반적으로 수축-확산 형상을 가지게 되는데, 세부적인 노즐의 형상은 그림 9.20과 같이 확산부의 형상에 따라 크게 세 가지 원뿔형, 포물선형, 특정 윤곽을 갖는 형상으로 구분된다. 원뿔형 노즐의 경우, 설계가 용이하고 제작이 간단한 장점으로 인해 무기용 로켓 등에 많이 적용되지만 확산각이 큰 경우 반경 방향의 성분이나 유동의 박리 현상 등으로 인해 추력의 손실이 발생하는 단점을 갖는다. 이러한 단점을 극복하기 위해 노즐 내부에 발생하는 외란이 제거될 수 있도록 특정 윤곽을 갖도록 설계하는 방안이 있다. 반경 방향의 손실을 제거할 수 있으며 노즐 내부에 불필요한 외란이 발생하지 않도록 하므로 고효율의 노즐을 필요로 하는 로켓이나 실험을 목적으로 하는 풍동의 노즐에 적용될 수 있으나 길이가 매우 길고 제작 비용이 크다는 단점이 있다. 원뿔형 노즐과 특정 윤곽을 갖는 노즐의 중간 정도의 형태가 노즐 확산부의 형상을 포물선형으로 하는 방법으로 반경 반향으로 발생되는 추력의 손실을 방지할 수 있으며 적당한 정도의 노즐 길이를 필요로 하므로 우주발사체 로켓 노즐에 많이 적용되고 있다.

 

이러한 로켓 노즐에는 앞서 설명한 바와 같이 열 문제는 로켓의 운용 시간이 수초 이상만 되더라도 반드시 고려해야 하는 요소가 된다. 가장 간단한 방식은 노즐 내부에 내열재를 부착하는 것으로 무기시스템의 고체 추진제 로켓 노즐에 가장 널리 적용되고 있다. 반면, 액체 로켓의 경우, 노즐 외벽에 냉각 채널을 만들고 상대적으로 차가운 연료를 연소실에 보내기 전에 냉각 채널을 먼저 순환하도록 만들어 노즐은 냉각이 되도록 하여 열적 부하를 덜고, 연료는 따뜻하게 하여 연소가 보다 쉽게 이루어지도록 하는 방법을 사용하는데, 이러한 방식을 재생 냉각이라고 부른다.