로켓에 사용되는 고체연료와 액체연료의 차이점이 무엇인지요?
로켓에 사용되는 연료가 크게 액체 연료와 고체 연료로 나뉘는 것 같습니다. 각각의 차이점이 무엇인지 와 우주선에 주로 사용되는 연료는 무엇인지요?
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
액체 연료 로켓과 고체 연료 로켓
인공위성을 발사하는 로켓, 이른바 우주 로켓과 탄도 미사일은 거의 같은 기술이 사용되고 있습니다.
사람에 따라서는 우주로켓과 탄도미사일의 차이는 탄두 유무뿐이라는 것도.그런 이유로 탄도 미사일의 연료 이야기는 우주 로켓에도 통하는 것이기도 합니다.
그런데 로켓에 실리는 연료에는 액체인 것과 고체인 것이 있는데, 액체인 경우 액체 연료 로켓, 고체인 경우 고체 연료 로켓이라고 부릅니다.
대기 중에서 산소를 흡수해 사용하는 제트 엔진과 달리 로켓은 산소도 직접 가져가지 않으면 안 됩니다.
연료와 함께 산화제가 필요합니다.
액체 연료 로켓의 경우 연료와 산화제 각각을 탱크에 충전하게 됩니다.
반면 고체 연료 로켓은 미리 연료와 산화제를 혼합한 것을 싣고 있습니다.
참고로 연료와 산화제를 합쳐서 추진제라고 합니다.
액체 연료 로켓, 고체 연료 로켓
액체 연료 로켓
액체 연료 로켓은 액체 수소와 탄화 수소 등의 액체 연료와 액체 산소와 사산화2 질소 등의 산화제를 추진제로 사용합니다.
연료·산화제는 별도의 탱크에 넣어 두고, 이것들을 연소실로 보내 혼합·연소시킵니다.
이 연소에 의해 발생한 고온·고압가스는 노즐에서 외부로 분출되며, 이로 인해 발생한 반작용으로 로켓은 추진력을 얻게 됩니다.
액체 연료 로켓은 탱크에서 내보내는 추진제를 조절함으로써 미세한 추력 제어가 가능합니다.
또 한번 불이 붙으면 다 타버릴 때까지 멈추지 않는 고체연료와 달리 불을 끄고 불을 끄고 반복할 수도 있습니다.
또한 로켓을 대형화해도 강력한 추력을 얻기 쉽다고 하는 장점이 있습니다.
반면 추진제 공급이나 혼합, 연소에 이용하는 기기 등 구조가 복잡해지는 단점이 있으며 개발 기간/개발 비용, 품질관리나 보수에서는 불리합니다.
우주로켓은 물론 군용으로도 문제가 됩니다.특히 군용이 되면 신뢰성이 중시되기 때문에 품질관리와 보수정비가 힘들다는 것은 매우 좋지 않은 특징이라고 할 수 있습니다.
액체 연료 로켓의 경우 연료 및 산화제의 특징도 골치 아픈 사항입니다.
초기 군용 로켓에서는 연료에 등유가 주성분인 케로신, 산화제로 액체 산소가 사용되었습니다.
액체산소는 영하 183도라는 낮은 끓는점을 가지기 때문에 로켓탱크에 충전하는 것은 발사직전이 아니면 안됩니다(그렇지 않으면 점점 증발해 없어져 버립니다.하지만 충전에는 30분 이상 소요되므로 즉각적인 발사에는 적합하지 않습니다.)
또한 유기물과 혼합되면 폭발적으로 연소하는 좋치 않은 성질도 있습니다.
나중에는 저장이 가능한 추진제로서 연료에 비대칭 디메틸 하이드라진과 히드라진의 혼합물, 산화제로는 사산화질소를 사용하여 미리 충전해 둘 수 있게 되었습니다.
이 추진제는 양자를 접촉시키는 것만으로 자연적으로 연소를 개시한다는 특징(하이퍼고리크성)이 있으며, 이는 로켓기구의 간소화에서 보면 바람직한 성질이나 사산화질소는 매우 부식성이 강하고 장시간 탱크 내에 충진한 상태로 있으면 탱크 부식에 의한 폭발사고를 일으킬 위험이 있었습니다.
액체연료는 밸브를 잠그는 것만으로 작동을 멈출 수 있고, 다시 재점화도 가능합니다.
이러한 장점 덕분에 하나의 발사체를 활용해 여러 임무를 수행할 수 있습니다.
그러나 액체연료 발사체 엔진은 매우 복잡합니다.
산화제를 담은 탱크와 공급관, 밸브 등이 매우 복잡하게 얽혀 있습니다.
반면에 고체연료는 매우 간결하지만, 액체연료에 비해 정밀한 제어를 할 수 없습니다.
한번 연료가 타면 정해진 추력을 내고 연료가 소진되고 조절할 수가 없습니다.