문서의 임의 삭제는 제재 대상으로, 문서를 삭제하려면 삭제 토론을 진행해야 합니다. 문서 보기문서 삭제토론 로켓 (문단 편집) == 추진기관으로서의 로켓 == || {{{#!wiki style="margin: -5px -10px -5px" [youtube(RVMZxH1TIIQ)]}}} || || '''지구가 감옥인 이유와 탈옥하는 법'''[* [[쿠르츠게작트]]의 영상.] || [[파일:1380157_orig.png|align=center]] 기본적으로 공기저항을 이겨내고 비행하기 위해서는 공기역학적 설계와 추진력을 충분히 제공하는 추진체 기술(엔진 등 추진기관)이 필요하다. 여기서 잘못되면 로켓이 날다가 포물선을 그리며 떨어지거나, 연료 효율이 떨어지거나, 예정된 궤도를 벗어나 엉뚱한 궤도로 날아가버리기 때문이다. 로켓이 추진력을 얻기 위해서는 로켓의 연료인 추진제가 연소관이라 부르는 일종의 통 안에서 타는 것에서부터 시작된다. 이 연소관 내부에서 연료가 타면 고온고압의 대량의 가스가 발생한다.(당연히 물질은 고온 고압 상태에서 연소, 화학반응이 잘 일어나고, 밀도가 낮은 기체상태에서는 액체나 고체에 비해 부피가 커지며, 밀폐공간 안이라면 압력이 높아진다.)이 고압의 가스는 [[압력]]이 낮은 쪽으로 나가려 하는데 로켓추진기관의 꽁무니에는 [[노즐]]이라 불리는 구멍이 있다. 즉 좁아터진 공간에서 대량의 가스가 꽉꽉 담겨있다가 빠져나갈 공간을 찾아 다들 우루루 몰려 나가게 되는 것. 이렇게 가스를 뒤로 내뿜으면 그 반작용으로 로켓 자체는 앞으로 나가게 되는데 이것이 로켓의 원리다.[* 공기를 뒤로 내뿜는 것 자체가 [[미사일]]이 앞으로 나가는 원리일 뿐, 이렇게 뿜어낸 가스가 주변의 공기를 밀어내서는 아니다. 만약 주변의 공기를 밀어내는 것이라면 공기가 없는 우주 공간에서는 로켓이 날아갈 수 없다. 실제로 과거 뉴욕 타임즈에서 이를 잘못 이해해서 로켓은 우주에서 날 수 없다는 기사를 썼던 적도 있었다고…] 더욱 쉽게는 가스 자체가 로켓을 밀어내는 것인데, 가스의 입자 모두가 망치를 들고 로켓을 위로 때리며 나아간다고 생각하면 편하다. 평소에는 아무런 작용이 없다가 연료가 연소되면 앞서 말한 고온고압의 가스 발생으로 인해 비로소 작용이 생기므로 그에 따른 반작용으로 나아가는 것.[* 이 글을 이해하기 어렵다면 실생활에서 욕실 샤워기에 물을 틀거나 공업용 컴프레셔에 에어호스에 에어건을 끼운채 압축공기를 발사하되 바닥에 놔두거나 손으로 힘을 주지 않은 채 잡으면 공기나 물의 반작용으로 인해 호스가 미쳐 날뛰는 것을 볼 수 있다.] 추진 기관으로서의 로켓은 추진 공학이라는 별도의 학문에서 다룰 정도로 매우 복잡한 기관이지만, 원리 자체는 [[제트 엔진]] 기관의 기본 원리를 그대로 따른다. 한편 [[제트 엔진]]과 비슷하지만 다른 점 하나는 바로 외부로부터 [[공기]]를 공급받지 않는 다는 점이다. 제트 엔진은 기본적으로 외부의 공기를 빨아들이는 과정에서 다수의 압축기 블레이드(compressor blade)로 공기를 압축하며, 여기에 연료를 섞어 연소시킨 다음 더 큰 압력으로 만들어서 뒤로 내뿜는다. 이와는 대조적으로 로켓은 외부로부터 공기를 빨아들이는 과정이 없으며, 이 때문에 제트 엔진에 비해서 대체로 구조가 비교적 간단하다. [* 그러나 로켓 엔진의 한 종류인 액체 로켓 엔진의 경우 액체 상태의 극저온 산화제를 적게는 수십 기압에서 많게는 수백 기압으로 가압하기 위한 터보펌프라는 물건을 함께 가지고 가는데, 우주 왕복선 메인 엔진의 경우 이 터보펌프 때문에 NASA에서 6년간 수십 명의 엔지니어들이 달라붙어 고생했다는 사실을 생각해 본다면 무작정 쉽진 않다.] 또한 공기흡입 문제로 속도에 상한선 제한이 걸려 있는 제트 엔진에 비해 고속을 내는 것도 훨씬 자유롭다.[* 제트엔진의 공기 흡입 성능에 대한 문제를 개선하기 위해 초음속으로 공기를 흡입하여 연소할 수 있는 스크램제트 등의 추진기관 또한 발명되었으나, 이런 엔진은 또 저속에서는 아예 작동이 불가능하거나 제 성능을 내지 못한다.] 대신 외부로부터 공기를 빨아들이지 못하고 순전히 자신이 가진 연료와 산소를 함유한 산화제만으로 뒤로 내뿜는 가스를 만들어야 하기 때문에, 비추력[* 추진 기관이 소모하는 추진제가 단위 질량당 발생할 수 있는 유효 충격량을 의미하는 값이다. 150s, 300s 와 같이 나타내거나, 150N/(kg-s) 등으로 나타내며, 단위 중량의 추진제를 소모해서 얼마나 많은 충격량(모멘텀)을 발생시킬 수 있는지 하는 로켓 엔진의 연비에 해당하는 단위인데 속도 단위나 초 시간 단위로 표시. 속도 단위면 배기가스의 배출 속도이고 초 단위라면 단위 추진제를 써서 수직으로 발사해 떨어지기 시작하는 시간 곱하기 중력 가속도 (9.8 m/sec)] 면에서는 제트엔진에 비해 떨어진다. 따라서 이는 경제적인 관점에서 로켓의 능력을 크게 제한하는 요인으로 작용할 수밖에 없는데, 일반적인 탄화수소 계열 연료는 연소하기 위해 그 중량의 2-3배가량의 산소를 필요로 하며, 로켓 연료로 각광받는 메테인의 경우 3-4배, 수소의 경우 연료가 무려 6~9배의 중량에 달하는 산소를 필요로 하기 때문이다.[* 글을 읽으면서 이상한 점을 느꼈을지 모르지만 순 수소의 경우에 연료가 산화제보다 많이 필요한 게 맞는다. 수소(부피)와 산소(부피)의 연소비가 '''8:1'''로 이는 수소분자 두 개에 산소 분자 하나가 결합하기 때문에 생기는 일이다.] 비행하는 비행기가 굳이 복잡하고 가격도 비싼 제트 엔진을 쓰는 것도 이러한 맥락에서다.[* 드문 케이스지만 로켓을 이용하여 [[전투기]]에 로켓 엔진을 달 궁리를 하기도 하였다. 대표적인 것이 최초의 로켓전투기인 [[Me 163]]. 작전 가능시간은 10분 남짓이었다. 항공기가 아주 짧은 활주로에서 이륙하는 보조수단으로 RATO(Roccket Assist Take-Off)라 불리는 로켓 부스터를 쓰는 경우는 있다.] 다만 로켓이 그 동작에 있어서 어떠한 외부 산화제도 필요로 하지 않는다는 점은 우주 비행과 같이 제한된 환경에서 동작하는 추진 기관을 제작하는 데 있어서 큰 이점으로 작용한다. 또한 모든 로켓 엔진은 제트 엔진과 비교했을 때 짧은 동작 시간이지만 자신의 중량 대비 훨씬 큰 추력을 낼 수 있고, 여기에 제트 엔진과 달리 고체 로켓 모터 등의 일부 로켓 엔진은 그 구조가 복잡하지도 않으므로 값싸면서도 큰 힘을 낼 수 있는 추진기관으로서 미사일이나 후술할 로켓 무기 등의 추진기관으로 널리 쓰이고 있다. 다만 추력을 발생하기 위해 엄청난 양의 추진제를 소모해야 하기 때문에 분사시간이 우주발사체의 경우 6~8분, [[대륙간 탄도 미사일|ICBM]]처럼 수천 km를 날아가는 미사일도 4~6분 정도가 고작이며 그 이후에는 관성(혹은 종류에 따라 관성과 중력)에 의해 속도를 유지한다.[* 다만 대기권 내에서 쓰이는 대부분의 미사일은 공기저항에 의해 실질적으로는 날아가면서 속도나 고도 둘 중 하나를 까먹으면서 날아간다.] 한편 이는 우주 공간에서 주로 사용되는 이온 추진 엔진의 경우 오히려 정 반대가 되는데, 우주 공간에서는 물체의 운동을 방해하는 저항이 거의 없다는 사실에 의거하여 제작된 [[이온 엔진]]은 극히 적은 양의 불활성 기체를 전자기력으로 가속하여 단 수십 밀리뉴턴의 추력을 짧게는 수일, 길게는 수년 동안 발생하며 우주선을 초속 수십 킬로미터에 이르는 엄청난 속력으로 가속시킨다. 로켓 추진 기관에는 많은 종류가 존재하며 이는 화학 추진 로켓, 전기 추진 로켓, 저온 가스 추력기 등 다양한 형태가 존재하는데, 일반적으로 '로켓 추진 기관'이라 함은 지상에서 강력한 힘을 내기 위해 사용하는 화학 추진 로켓을 주로 의미한다. 이러한 화학 추진 로켓에서는 추진제의 연소로 발생한 가스를 노즐로 분사하여 그 반작용에 의한 힘을 활용한다. 대부분의 로켓 노즐이 채택한 공통적인 구조는 뒤로 갈 수록 구멍이 점점 좁아지는 구조이다(수축 노즐; contraction nozzle). 이는 가스가 지나는 관의 직경을 줄이면 줄일수록 속도가 빨라진다는 [[베르누이의 정리]]에 기인하는데, 가스의 속도가 빨라질수록 가스에 의해 발생하는 반작용, 즉 로켓의 추진력이 증가하게 된다는 것으로 설명할 수 있다. 한편 단면적을 줄이는 것만으로 배기 노즐을 만드는 것에는 한계가 있다. 압축성 유체가 지나는 관의 단면적을 일정 수준 이상으로 줄이면 유체의 속도가 음속(M=1)에 도달해 더이상 빨라지지 않고 연소관 내부의 압력만 증가하기 때문이다. 이렇게 더이상 수축 노즐로 속도를 높일 수 없는 유체의 흐름을 질식 유동(chocked flow)이라고 한다. 수축 노즐의 한계점을 극복하기 위해 고안된 것이 데 라발 노즐(de Laval nozzle)(스웨덴의 발명가 구스타프 데 라발의 이름에서 나왔다.)인데, 데 라발 노즐의 경우 수축 노즐의 끝에 확장 노즐이 달려 있는 형태이다. 질식(chocking) 상태에 도달한 음속 유동을 다시 확장시킬 경우 가스의 속도는 임계 속도를 넘겨 초음속 유동이 되는데, 로켓은 이를 통해 추진제의 연소 에너지를 더 효율적으로 추력으로 변환할 수 있게 된다. 오늘날 절대 다수의 로켓 엔진들이 채택하고 있는 노즐 또한 이러한 데 라발 노즐이다. 나머지 소수는 무엇인가 하면 노즐 꼬깔 무게조차 아쉬운 우주탐사체들이 쓰는 단순한 원통형 직사 노즐과 해수면과 우주공간에서 큰 증감 없이 고른 [[비추력]]을 내주는 에어로스파이크(Aerospike) 엔진이다. [* [[https://imgur.com/gallery/PuXyk|XRS-2000 리니어 에어로스파이크 엔진]]. 이걸 장착하려던 SSTO 벤처스타는 더 가벼운 연료통을 제조하지 못해 계획이 중단되었다. 에어로스파이크는 효율은 좋지만 데 라발 노즐 엔진에 비해 시스템이 무겁다.] 이 로켓용 노즐은 고압과 고열을 버텨야 할 뿐만 아니라, 로켓의 엄청난 진동과 추력을 버틸 수 있는 것이어야 한다. 일반적인 금속으로 만들어도 로켓에서 발생되는 기체가 온도가 상온이라면(압축은 고려 안하고) 충분히 버틸 수 있는 것이지만, 로켓 배기 플륨은 연소관 내부에서 연소된 기체로 구성된 만큼 매우 고온이다. 금속은 고온이 되면 물성이 현저하게 떨어진다. 또한 배기 플륨의 열유속(heat flux)은 웬만한 금속을 삽시간에 녹는점 이상으로 가열시킬 정도다. 이 때문에 흔히 로켓 엔진은 "날아가는 고압 용광로"에 비유된다. [[https://news.naver.com/main/read.naver?mode=LSD&mid=sec&sid1=105&oid=023&aid=0003647952|#]] 따라서 현대 로켓 엔진에서는 연소실과 노즐에 대해 다음과 같은 냉각 방식이 단일로, 혹은 복합적으로 적용된다: 1. 복사 냉각: 연소 가스의 열유속이 크지 않은 경우 노즐이 견딜 수 있는 열(온도)보다 더 높은 열을 전달한다면, 노즐 바깥으로 복사 방출한다. 2. 삭마 냉각: 고열에 노출될 경우 표면에 다공성 탄소 매트릭스(carbon matrix)를 남기며 비교적 낮은 온도의 가스를 만드는 재질로 연소실과 노즐을 만든다. 3. 재생 냉각: 연소실과 노즐을 2중 금속 벽으로 만들고, 그 사이로 추진제가 지나가며 벽으로 방출되는 열을 흡수하도록 한다. 매우 간단한 형태의 모형 로켓을 취미로 즐기는 사람들도 많은데 보통 밑에 설명할 간단한 구조의 고체추진 방식이다. 전기신호 등으로 점화시키면 발사대를 따라 수직으로 슝-하고 날아오르는데, 로켓이 다 타버리면 위쪽으로도 순간적으로 높은 압력의 가스를 분출하도록 되어있다. 그러면 로켓 앞쪽 머리 부분으로 가스가 분출되면서 뚜껑 형태의 머리 부분이 분리되고, 그 안에 [[낙하산]]이 바깥으로 빠져나와 펼쳐져 낙하산을 타고 로켓이 내려온다.[* 바람 부는 날에는 엉뚱한 곳으로 날아가서 못 찾게 되기 쉬우므로 로켓에 이름과 연락처를 써 놓으면 좀 낫다. 법적 절차를 밟은 다음 발사를 해야 한다. 한국은 분단 국가라 무기로 활용될 소지가 높은 물건에 대한 제재가 심하다. 절차를 밟은 다음 반드시 주변에 사람이 없는 곳에서 발사하도록 하고 설계를 제대로 하고 발사해야 한다. 이를 제대로 안 하면 폭발하는 경우도 있고 심각한 상해를 야기한다. 발사 전에 반드시 어디 묶어놓고 테스트를 해보아야 한다. 제대로 된 설계 없이 발사하는 것은 자살 행위이다. 주변에 있는 사람이 사망할 수 있다. 최근 아마추어 로켓 커뮤니티에서 이런 일이 자주 발생하는데 아주 위험한 행위이다. 안 그래도 사고가 자주 발생해서 이미지 자체가 좋지 않은데 이는 본인 집에 불지르기 그 이상 그 이하도 아니다. 사람이 사망하는 사고도 일어난다.][* 별거 아닌 거 같이 보여도 설계를 제대로 하고 제작을 하면 음속은 가뿐히 넘는다.] 어린이 용으로 [[모형로켓]]이 유행이다. 주로 미국에서 사용하는 모형로켓은 일회용 고체연료엔진을 사용해서 300m 정도 상공으로 발사를 한다. 거의 대부분의 로켓은 연료와 산화제를 반응·연소해서 얻는 가스로 추진력을 얻지만 물로켓 방식처럼 미리 높은 압력의 가스나 액체 등을 저장해 두었다가 필요하면 이를 분출하여 추진력을 얻는 방식도 실제로 쓰이기도 한다. 이를테면 우주선의 자세제어용 로켓들이다. 주로 상대적으로 작은 미사일 등에 쓰이는 로켓은 '''대충''' 제작하면 되지만[* 물론 우주발사체나 대륙간 탄도 미사일에 비해 대충 제작해도 된다는 거지 이쪽 역시 상당히 정밀한 설계가 필요하다.] 장거리 탄도 미사일인 ICBM이나 [[우주선]], [[인공위성]], 혹은 사람이 탑승하는 우주발사체의 경우 매우 정교하게 제작해야 된다. (특히 사람이 탔는데 극심한 [[포고 현상]]에 빠지면 승무원은 요단강 익스프레스) 또 로켓 기관이란 것 자체가 (간단하게 말하면) 폭발중인 상황에 연료와 산소를 계속 공급하는 것이기 때문에 잘못 제작하면 그대로 저 하늘의 별이 되는 수가 있다. 최악의 경우에는 자폭장치마저 제어불능이 된 채 도시에 떨어져 폭발, 최소 수백 명이 사망하는 참사가 일어나기도 한다. [youtube(FBJ9ue6GKek)] (대표적인 사례가 중국의 [[창정 3호 참사]]) 무기로서의 로켓 이외에도 인공위성이나 [[우주인]] 등을 [[우주]]로 쏘아올리는 것도 흔히 로켓이라 하는데, 이는 실질적으로 현재 인류가 가진 기술로는 우주로 무언가를 쏘아올리는 방법으로는 로켓 추진기관이 유일하기 때문. 다만 로켓 자체는 추진기관을 일컫는 말이므로, 로켓 추진 기관을 포함하여 전체 시스템을 일컫는 말로 우주발사체(Space launch vehicle)라는 단어가 있다. 러시아의 수학자인 [[콘스탄틴 치올코프스키]]가 고안한 [[치올코프스키 로켓 방정식|로켓 방정식]]은 로켓의 무게와 연료의 무게를 계산해 목표한 궤도에 올리는 데 사용된다. 또한 단계식, 묶음식 로켓과 같이 여러개의 엔진을 통합하거나 무게를 줄이는 방식을 구상하기도 하였으며, 때문에 로켓을 실제로 만든 적은 없음에도 로켓 연구 역사에 빼놓을 수 없는 인물이 되었다. 그리고 최초로 액체연료로켓을 개발해서 발사에 성공한 사람이 미국의 과학자 [[로버트 고다드]]로 현대로켓의 아버지(Father of Modern Rocket)라고 불린다. 이들의 업적을 이어받아서 [[R-7]] 로켓으로 세계 최초로 [[인공위성]] [[스푸트니크]] 1호를 발사하여 우주 시대의 문을 연 구 소련의 [[세르게이 코롤료프]], 인류 역사상 가장 거대한 [[새턴 로켓]]으로 [[아폴로 11호|인간의 달착륙]]을 실현시킨 [[베르너 폰 브라운]]이 유명하다. 최근에는 최초로 로켓의 재사용을 가능하게 만든 [[스페이스X]]의 창립자 [[일론 머스크]]가 주목받고 있다. [[파일:engineChart01.jpg|width=100%]] 로켓엔진들을 비교하는 좋은 수치는 추력과 [[비추력]]이다. 위 그래프에서 가로축은 추중비[* 추력을 무게로 나눈 것을 추력 대 중량비, 즉 추중비라고 한다.]이며 세로축은 비추력, 다른말로 연비이다. 두 수치는 에너지 밀도라는 상수를 공유하기 때문에 서로 반비례 관계를 가져 현 과학기술로는 SF에 나오는 고추력 고효율 엔진은 불가능하다.[* 오른쪽 위에 Speculative (의심되는) 물리라고 나온 영역이 SF의 영역이다.] 또한 위 그래프의 붉은색 영역은 화학로켓이나 [[이온 엔진]]과 같이 현실에서 운용되는 기술성숙도가 높은 로켓기술을 의미한다. 주황색은 [[핵분열]] 추진이나 레이저/태양열 엔진[* 지상에서 보내온 레이저나 태양열을 오목거울로 모아 연료(주로 수소)를 가열하여 추진하는 엔진] 등 어느정도 성과를 보이고있는 개발중인 기술들이다. 노란색은 연속적인 [[핵융합]] 추진이나 [[반물질]]과 같은 증명되지 않은 컨셉 기술들을 의미한다. 현존하는 대부분의 로켓은 화학반응을 이용하고 이는 다시 연료와 작동방식에 따라 고체, 액체, 하이브리드식, 그리고 램로켓으로 분류할 수 있다. 화학반응이 아닌 [[핵융합]]이나 [[핵분열]]을 이용하는 로켓 시스템도 연구된 바 있고 실제 테스트까지 된 바 있으나 ([[플루토 계획]] 문서 참조) 현재 기술로 가능한 수준의 개방형 원자력 로켓엔진은 방사능을 풀풀 뿌리고 다니기에 핵 만능주의 시대 이후 연구되고 있지 않고 폐쇄식 원자력 로켓엔진은 엄청난 기술력이 필요하기에 최소한 인류가 태양계를 벗어날 필요성이 있어야 개발될 것으로 보인다. 이외에도 이온로켓이 개발되었고 광자로켓과 전자기추진로켓이 연구 중이다.저장 버튼을 클릭하면 당신이 기여한 내용을 CC-BY-NC-SA 2.0 KR으로 배포하고,기여한 문서에 대한 하이퍼링크나 URL을 이용하여 저작자 표시를 하는 것으로 충분하다는 데 동의하는 것입니다.이 동의는 철회할 수 없습니다.캡챠저장미리보기