로켓 엔진의 작동 원리

인간이 수행한 가장 놀라운 노력 중 하나는 우주 탐사입니다. 놀라움의 큰 부분은 복잡성입니다. 우주 탐사는 해결해야 할 문제와 극복해야 할 장애물이 너무 많기 때문에 복잡합니다. 다음과 같은 것들이 있습니다.

그러나 무엇보다도 가장 큰 문제는 우주선을 지상에서 띄우기에 충분한 에너지를 활용하는 것입니다. 로켓 엔진 이 등장하는 곳 입니다.

로켓 이미지 갤러리

한편 로켓 엔진은 매우 간단하여 자신만의 모델 로켓을 매우 저렴하게 제작하고 비행할 수 있습니다(자세한 내용은 기사의 마지막 페이지에 있는 링크 참조). 반면에 로켓 엔진(및 그 연료 시스템)은 너무 복잡하여 실제로 사람을 궤도에 올려놓은 국가는 단 3개국뿐입니다. 이 기사에서는 로켓 엔진을 살펴보고 작동 방식을 이해하고 이를 둘러싼 복잡성을 이해합니다.

대부분의 사람들은 모터나 엔진에 대해 생각할 때 회전에 대해 생각합니다. 예를 들어, 자동차 의 왕복 가솔린 엔진 은 바퀴를 구동하기 위한 회전 에너지를 생성합니다. 전기 모터 팬 드라이브 또는 디스크를 회전하는 회전 에너지를 생산하고 있습니다. 증기 기관은 증기 터빈 대부분이기 때문에, 같은 일을하는 데 사용되는 가스 터빈 .

로켓 엔진은 근본적으로 다릅니다. 로켓 엔진은 반응 엔진입니다. 로켓 엔진을 구동하는 기본 원리는 "모든 작용에는 동등하고 반대되는 반작용이 있다"는 유명한 뉴턴의 원리입니다. 로켓 엔진은 한 방향으로 질량을 던지고 결과적으로 다른 방향에서 발생하는 반응의 이점을 얻습니다.

"덩어리를 던지고 반응으로부터 이익을 얻는다"는 이 개념은 처음에는 이해하기 어려울 수 있습니다. 왜냐하면 그것이 일어나고 있는 것 같지 않기 때문입니다. 로켓 엔진은 "던지는 것"이 ​​아니라 화염, 소음 및 압력에 관한 것 같습니다. 현실을 더 잘 이해하기 위해 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.

다음으로, 행동과 반응을 설명하는 또 다른 시나리오인 우주 야구를 살펴보겠습니다.

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로켓 엔진에 대한 추가 정보

자동차, 오토바이, 비행기 및 모터가 있는 모든 것에 대해 프로그래밍할 수 있는 터보 채널에 집중하세요.

1. 액션과 반응: 우주 야구 시나리오
2. 추력
3. 고체 연료 로켓: 연료 혼합물
4. 고체 연료 로켓: 채널 구성
5. 액체 추진 로켓
6. 로켓 엔진의 미래

다음 상황을 상상해 보십시오. 당신은 우주복을 입고 우주 왕복선 옆에 떠 있습니다 . 당신은 손에 야구공을 가지고 있습니다.

야구공 을 던지면 몸이 공의 반대 방향으로 움직여 반응합니다. 몸이 멀어지는 속도를 조절하는 것은 던지는 야구공 의 무게 와 가속도당신이 그것에 적용합니다. 질량에 가속도를 곱하면 힘이 됩니다(f = m * a). 야구공에 어떤 힘을 가하든 몸에 가해지는 동일한 반력(m * a = m * a)으로 균등화됩니다. 야구공의 무게가 1파운드이고 몸과 우주복의 무게가 100파운드라고 가정해 보겠습니다. 당신은 초당 32피트(21마일)의 속도로 야구공을 던졌습니다. 즉, 21mph의 속도를 얻도록 팔로 1파운드짜리 야구공을 가속합니다. 몸이 반응하지만 무게는 야구공의 100배입니다. 따라서 야구공 속도의 100분의 1, 즉 초당 0.32피트(0.21mph)로 이동합니다.

야구공에서 더 많은 추력 을 생성 하려면 질량을 늘리거나 가속도를 높이는 두 가지 옵션이 있습니다. 더 무거운 야구공을 던지거나 여러 야구공을 차례로 던지거나(질량 증가), 더 빨리 야구공을 던질 수 있습니다(가속도 증가). 하지만 그것이 당신이 할 수 있는 전부입니다.

로켓 엔진은 일반적으로 고압 가스 의 형태로 질량을 던지고 있습니다. 엔진은 반대 방향의 반응을 얻기 위해 한 방향으로 가스 덩어리를 방출합니다. 질량은 로켓 엔진이 태우는 연료의 무게에서 나옵니다. 연소 과정은 연료의 질량을 가속화하여 로켓 노즐에서 고속으로 나옵니다. 연료가 연소될 때 고체 또는 액체에서 기체로 변한다는 사실은 질량을 변경하지 않습니다. 1파운드의 로켓 연료를 태우면 1파운드의 배기 가스가 고온의 고속 가스 형태로 노즐에서 나옵니다. 형태는 변하지만 질량은 변하지 않는다. 연소 과정은 질량을 가속화합니다.

다음으로 추력에 대해 자세히 알아보겠습니다.

로켓 엔진의 "강도"를 추력 이라고 합니다 . 추력은 미국에서 "추력 파운드"로 측정되며 미터법 시스템에서는 뉴턴으로 측정됩니다(추력 4.45뉴턴은 추력 1파운드와 같습니다). 1파운드의 추력은 1파운드의 물체 를 지구 중력 에 대항하여 정지 상태로 유지하는 데 필요한 추력의 양입니다 . 따라서 지구 에서 중력 가속도는 초당 32피트(초당 21mph)입니다. 야구공 가방을 들고 우주를 떠다니고 있다면그리고 당신이 초당 21마일로 야구공 하나를 멀리 던졌다면, 당신의 야구공은 1파운드의 추력을 생성할 것입니다. 대신 42mph로 야구공을 던지면 2파운드의 추력이 생성됩니다. 2,100mph로 던지면(아마도 일종의 야구 총에서 쏘아) 100파운드의 추력을 발생시키는 식입니다.

로켓이 가지고 있는 재미있는 문제 중 하나는 엔진이 던지고자 하는 물체가 실제로 무게를 싣고 로켓이 그 무게를 운반해야 한다는 것입니다. 예를 들어 시속 2,100마일의 속도로 초당 하나의 야구공을 던져 한 시간 동안 100파운드의 추력을 생성한다고 가정해 보겠습니다. 즉, 1파운드 야구공 3,600개(1시간에 3,600초) 또는 야구공 3,600파운드로 시작해야 합니다. 우주복의 무게가 100파운드에 불과하기 때문에 "연료"의 무게가 탑재체(당신)의 무게를 왜소하게 만드는지 알 수 있습니다. 실제로 연료는 탑재량보다 36배나 더 무겁습니다. 그리고 그것은 매우 일반적입니다. 이것이 바로 지금 작은 사람을 우주로 보내기 위해 거대한 로켓을 가지고 있어야 하는 이유입니다. 많은 연료를 운반해야 합니다.

우주 왕복선에서 무게 방정식을 매우 명확하게 볼 수 있습니다. 우주 왕복선 발사를 본 적이 있다면 세 부분으로 나뉩니다.

Orbiter의 무게는 165,000파운드입니다. 외부 탱크의 무게는 78,100파운드입니다. 두 개의 고체 로켓 부스터의 무게는 각각 185,000파운드입니다. 그러나 그 다음에는 연료를 충전해야 합니다. 각 SRB에는 110만 파운드의 연료가 들어 있습니다. 외부 탱크에는 143,000갤런의 액체 산소(1,359,000파운드)와 383,000갤런의 액체 수소(226,000파운드)가 들어 있습니다. 전체 차량(셔틀, 외부 탱크, 고체 로켓 부스터 케이싱 및 모든 연료)은 발사 시 총 중량이 440만 파운드입니다. 궤도에서 165,000파운드를 얻기 위해 440만 파운드는 꽤 큰 차이입니다! 공정하게 말하면, 궤도선은 65,000파운드의 페이로드(최대 15 x 60피트 크기)를 운반할 수 있지만 여전히 큰 차이입니다. 연료는 궤도선보다 거의 20배나 더 무겁습니다[출처: The Space Shuttle Operator's Manual].

그 모든 연료는 약 6,000mph(화학 로켓의 일반적인 로켓 배기 속도는 5,000~10,000mph 범위)의 속도로 우주 왕복선 뒤쪽으로 버려집니다. SRB는 약 2분 동안 연소되고 발사 시 각각 약 330만 파운드의 추력을 생성합니다(연소 시 평균 265만 파운드). 외부 탱크의 연료를 사용하는 3개의 주 엔진은 약 8분 동안 연소되며 연소하는 동안 각각 375,000파운드의 추력을 생성합니다.

다음 섹션에서는 고체 연료 로켓의 특정 연료 혼합물을 살펴보겠습니다.

고체 연료 로켓 엔진은 인간이 만든 최초의 엔진입니다. 그들은 수백 년 전에 중국에서 발명되었으며 그 이후로 널리 사용되었습니다. 국가(1800년대 초에 작성됨)의 "로켓의 붉은 섬광"에 대한 라인은 폭탄 이나 소이 장치 를 운반하는 데 사용되는 소형 군용 고체 연료 로켓에 대해 이야기하고 있습니다. 그래서 로켓이 꽤 오랫동안 사용되었다는 것을 알 수 있습니다.

간단한 고체 연료 로켓의 아이디어는 간단합니다. 당신이 하고 싶은 것은 매우 빠르게 타지만 폭발하지 않는 무언가를 만드는 것입니다. 아시다시피 화약은 폭발합니다. 화약은 질산염 75%, 탄소 15%, 황 10%로 구성되어 있습니다. 로켓 엔진에서는 폭발을 원하지 않습니다. 일정 기간 동안 더 균등하게 전력이 방출되기를 원합니다. 따라서 혼합물을 질산염 72%, 탄소 24%, 황 4%로 변경할 수 있습니다. 이 경우 화약 대신 간단한 로켓 연료를 얻습니다. 이러한 종류의 혼합물은 매우 빠르게 연소되지만 제대로 로드되면 폭발하지 않습니다. 다음은 일반적인 단면입니다.

왼쪽에 점화되기 전의 로켓이 보입니다. 고체 연료는 녹색으로 표시됩니다. 원통형이며 가운데에 구멍이 뚫린 튜브가 있습니다. 연료에 불을 붙이면 튜브의 벽을 따라 연소됩니다. 연소하면서 모든 연료가 연소될 때까지 케이싱을 향해 바깥쪽으로 연소됩니다. 소형 로켓 엔진이나 작은 병 로켓에서는 화상이 1초 이하로 지속될 수 있습니다. 백만 파운드 이상의 연료를 포함하는 우주 왕복선 SRB에서 연소는 약 2분 동안 지속됩니다.

셔틀의 고체 로켓 부스터와 같은 고급 고체 연료 로켓에 대해 읽을 때 종종 다음과 같은 내용을 읽습니다.

이 단락에서는 연료 혼합물뿐만 아니라 연료 중앙에 뚫린 채널의 구성에 대해서도 설명합니다. "11포인트 별 모양 천공"은 다음과 같이 보일 수 있습니다.

아이디어는 채널의 표면적을 증가시켜 연소 면적과 추력을 증가시키는 것입니다. 연료가 타면서 모양이 원으로 균일해집니다. SRB의 경우 엔진에 높은 초기 추력을 제공하고 비행 중간에 낮은 추력을 제공합니다.

고체 연료 로켓 엔진에는 세 가지 중요한 이점이 있습니다.

또한 두 가지 단점이 있습니다.

단점은 고체 연료 로켓이 짧은 수명의 작업(예: 미사일 )이나 부스터 시스템에 유용하다는 것을 의미 합니다. 엔진을 제어할 수 있어야 하는 경우 액체 추진제 시스템을 사용해야 합니다. 다음에는 이러한 가능성과 기타 가능성에 대해 알아보겠습니다.

1926년 로버트 고다드(Robert Goddard)는 최초의 액체 추진 로켓 엔진을 시험했습니다. 그의 엔진은 가솔린 과 액체 산소를 사용했습니다. 그는 또한 펌핑 메커니즘, 냉각 전략 및 조향 장치를 포함하여 로켓 엔진 설계의 여러 근본적인 문제에 대해 연구하고 해결했습니다. 이러한 문제는 액체 추진 로켓을 그렇게 복잡하게 만드는 것입니다.

기본 아이디어는 간단합니다. 대부분의 액체 추진 로켓 엔진에서 연료와 산화제(예: 가솔린 및 액체 산소)는 연소실로 펌핑됩니다. 그곳에서 그들은 고온 가스의 고압 및 고속 흐름을 생성하기 위해 연소됩니다. 이 가스는 더 가속하는 노즐을 통해 흐른 다음(일반적으로 5,000~10,000mph 출구 속도) 엔진을 떠납니다. 다음의 매우 단순화된 다이어그램은 기본 구성 요소를 보여줍니다.

이 다이어그램은 일반적인 엔진의 실제 복잡성을 보여주지 않습니다(실제 엔진에 대한 좋은 이미지와 설명은 페이지 하단의 일부 링크 참조). 예를 들어, 연료나 산화제가 액체 수소나 액체 산소와 같은 차가운 액화 가스인 것은 정상입니다. 액체 추진 로켓 엔진의 큰 문제 중 하나는 연소실과 노즐을 냉각시키는 것이므로 극저온 액체가 먼저 과열된 부품 주위를 순환하여 냉각합니다. 펌프는 연소하는 연료가 연소실에서 생성하는 압력을 극복하기 위해 극도로 높은 압력을 생성해야 합니다. 우주 왕복선의 주 엔진은 실제로 두 개의 펌핑 단계를 사용하고 연료를 연소하여 두 번째 단계 펌프를 구동합니다.이 모든 펌핑 및 냉각으로 인해 일반적인 액체 추진제 엔진은 다른 어떤 것보다 엉망이 된 배관 프로젝트처럼 보입니다. 엔진을 보세요.이 페이지 에서 내가 의미하는 바를 알 수 있습니다.

모든 종류의 연료 조합은 액체 추진제 로켓 엔진에 사용됩니다. 예를 들어:

우리는 추진력을 발생시키기 위해 연료를 태우는 화학 로켓 엔진을 보는 데 익숙합니다. 그러나 추력을 생성하는 다른 많은 방법이 있습니다. 질량을 던지는 어떤 시스템도 할 것입니다. 야구공 을 매우 빠른 속도 로 가속하는 방법을 알아낼 수 있다면 실행 가능한 로켓 엔진을 갖게 될 것입니다. 이러한 접근 방식의 유일한 문제는 공간을 통해 스트리밍되는 야구 "배기"(고속 야구공)가 될 것입니다. 이 작은 문제로 인해 로켓 엔진 설계자는 배기 제품에 가스를 선호하게 됩니다.

많은 로켓 엔진은 매우 작습니다. 예를 들어, 위성의 자세 추진기 는 많은 추진력을 생산할 필요가 없습니다. 위성에서 발견되는 일반적인 엔진 설계 중 하나는 "연료"를 전혀 사용하지 않습니다. 가압 질소 추진기는 단순히 탱크에서 노즐을 통해 질소 가스를 불어 넣습니다 . 이와 같은 추진기는 Skylab을 궤도에 유지하고 셔틀의 유인 기동 시스템에도 사용됩니다.

새로운 엔진 설계는 이온 이나 원자 입자 를 매우 빠른 속도로 가속 하여 추력을 보다 효율적으로 생성 하는 방법을 찾으려고 노력하고 있습니다. NASA의 Deep Space-1 우주선은 추진을 위해 이온 엔진을 사용한 최초의 우주선이었습니다[출처: SPACE.com ]. 플라즈마 및 이온 엔진에 대한 추가 논의는 이 페이지 를 참조하십시오 .

로켓 엔진 및 관련 주제에 대한 자세한 내용은 다음 페이지의 링크를 확인하십시오.

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