로켓 ( 英語 : rocket )은 로켓엔진 에서 推力 을 얻는 미사일, 宇宙船, 飛行機 또는 다른 運送手段(vehicle)이다. 排出 가스를 빠르게 噴射시켜 그 反作用으로 推力 을 얻는 飛行體를 말한다. 種種 로켓은 '로켓 엔진'을 指稱하는 말로도 쓰이며 軍事的으로는 彈頭 를 싣고 敵의 主要 建物, 基地等을 打擊하기 위해 發射하는 미사일 中 固體 推進劑를 使用하고 비誘導 方式의 미사일 에 限定하여 使用하기도 한다.

로켓이 다른 제트 엔진 에 비해 유리한 點은 排出 가스의 速度와 크기가 크기 때문에 高速에 유리하다는 것이다. 마하 10 以上이면 로켓이 運用할 수 있는 유리한 推進 方法이고 地球 軌道 速度(마하 25)에 이를 수 있는 方法은 現實的으로 로켓이 唯一하다. 또한 로켓만이 가지는 長點으로는 酸素가 없는 곳에서 作動이 可能하다는 것이다. 로켓은 大氣圈 밖에서 運用할 때 酸化劑를 함께 積載하여 推進劑를 연소시킨다.

로켓이 낼 수 있는 速度는 로켓 方程式 으로 計算할 수 있다. 이 式을 통해 排出 가스 速度에 對한 速度 差異(delta-v)와 初期 重量과 最終 重量의 비(mass ratio)를 求할 수 있다. 이 두 가지 값은 로켓의 諸元이나 技術을 敍述할 때 資料로써 자주 使用된다.

로켓은 加速뿐 아니라 軌道 變更, 第進入과 着陸을 위한 軌道離脫, 空氣가 없는 곳에서 着陸時 減速을 위한 用途로도 쓰인다.

歷史 [ 編輯 ]

中國은 오래前에 火藥 을 發明하여 抛 와 爆彈 을 만들어 使用하였다. 元來는 宗敎的 目的에서 崇拜意識의 하나로 使用되었으나 漸次 軍事的 目的으로 利用되었고 불꽃놀이 에도 使用되었다. 10世紀頃에 이르면 火藥은 本格的으로 戰爭에 使用되어 砲擊戰이 벌어지기도 하였다. 16世紀에는 壬辰倭亂 에서 朝鮮 이 開發韓 世界最初의 多聯裝 로켓인 神機箭 이 實戰에 使用되었다. 代身棋戰은 現代의 彈道미사일과 같은 原理였으며 酸化 神機箭은 世界 最初의 2段 로켓이였다.

로켓 技術이 유럽에 傳해진 것은 몽골 에 依해서였다. 몽골軍은 中國 宋나라 를 征服하면서 火藥 技術을 習得하였고 中國 技術者를 몽골軍의 宂兵으로 참가시켜 유럽 征服에 活用하였다. 몽골이 유럽을 侵犯하여 로켓이 유럽에 알려진 以後에도 한동안 유럽人들에게는 神奇한 것에 不過하였다. 그러다가 폴란드-리투아니아 聯邦 貴族인 카지미에쉬 세메노비치(Kazimierz Siemienowicz)가 《砲擊戰의 大技術(Artis Magnae Artilleriae pars prima)》을 著述했고 한동안 이 冊은 유럽에서 砲擊戰의 基本 매뉴얼이 되었다. 이冊은 로켓, 抛, 불꽃놀이 器具 製作에 이르기까지 基本 設計 方法을 提供하였다.

18世紀 印度에서 벌어진 마이소르-英國 戰爭에서 鐵製로켓이 成功的으로 使用된다. 以後 英國은 19世紀 동안 로켓을 開發 使用하였으며 이 時代에 人物로 윌리암 컨그래브가 있다. 이 때부터 로켓은 軍事的으로 많이 使用하게 되고 1814年 볼티모어 戰鬪 에서는 포트 脈헨리를 攻擊하는 데 英國의 로켓函 Erebus가 使用되었는데 美國 國家에 나오는 'rocket's red glare'가 바로 이것이다.

軍事的 使用이 많아지던 이 時期의 로켓은 正確度가 떨어졌다. 水平維持裝置도 없었고 스핀도 없었으며 進路를 벗어나는 境遇가 많았다. 이 問題를 解決하기 위해 컨그레브 로켓은 고리에 긴 막대를 붙여 進路를 벗어나는 것을 防止했다.

1903年에 高等學校 數學 敎師였던 콘스탄틴 치올콥스키 (Konstantin Tsiolkovsky)가 《反作用 모터를 利用한 宇宙 空間 探險(Исследование мировых пространств реактивными приборами)》을 發刊했다. 宇宙旅行에 關한 科學著作物로는 最初로 評價되는 이冊을 통해 치올콥스키 로켓 方程式 -로켓 推進 理論의 基本 方程式-李 나왔다.

初期의 로켓은 熱 에너지가 排氣구로 輩出되면서 效率이 매우 나빴다. 現代의 로켓은 로버트 고다드 (Robert Goddard)가 超音速 노즐을 로켓 엔진의 燃燒室에 附着하면서 槪念을 定立했다. 노즐이 燃燒室의 뜨거운 가스를 제트氣流로 噴出하면서 2倍의 推力을 내었고 效率이 向上되었다.

1923年에 헤르만 오베르트 (Hermann Oberth)는 拒絶當한 博士學位 論文 《行星사이로의 로켓(Die Rakete zu den planeten raumen)》을 出版했다. 이 冊은 全 世界의 注目을 받게 되었고 로켓에 對한 關心이 높아지는 契機가 되었다.

1931年에서 1937年 동안에 로켓에 關한 科學的 成果가 레닌그라드 氣體 力學 實驗室(Gas Dynamics Laboratory)에서 이루어졌다. 資金과 人力을 제공받으며 100餘個의 實驗用 엔진을 발렌틴 글類스코(Valentin Glushko)의 指導아래 製作되었다.

構成 要素 [ 編輯 ]

機械的 要素 [ 編輯 ]

로켓은 推進 燃料와 推進 燃料를 貯藏할 곳(推進燃料탱크와 같은 곳), 노즐로 構成되어 있다. 이는 또한 1個나 그 以上의 로켓 엔진, 方向 安定 裝置(vernier engine, fin, 推力 方向 制御와 gyroscope를 위한 엔진 짐발과 같은 것)와 이 部品들을 모두 받쳐주는 構造物(典型的으로 monocoque가 쓰인다)을 가지고 있다. 또한 로켓은 大氣에서 높은 速度를 내기 위해 普通 搭載 裝備를 싣는 nose cone(로켓, 航空機 等의 圓錐形 앞部分)과 같은 空氣疫學的인 流線型 몸體로 設計된다.

게다가 로켓은 위의 部品에 더하여 날개(로켓 飛行機에 쓰인다), 落下傘, 바퀴(로켓 自動車에 쓰인다) 甚至於 사람과 같은 다른 要素도 실을 수 있다. 또한 이 같은 運送 手段은 ‘典型的으로 人工衛星 操縱과 inertial navigation system에 使用되는’ 네비게이션 시스템과 誘導 裝置를 자주 所有하고는 한다.

디자인的 要素 [ 編輯 ]

로켓 디자인은 火藥으로 가득 찬 板紙 튜브만큼 쉬울 수 있다. 하지만 더 效率的이고 正確한 로켓이나 미사일을 製作하는 일은 많은 다른 問題들을 克服하는 것을 隨伴한다. 가장 큰 問題는 燃料를 펌프하는 우지方向을 統制하고 修正하는 燃燒室을 冷却시키는 일을 包含한다.

燃料의 分類 [ 編輯 ]

固體 燃料와 液體 燃料 [ 編輯 ]

固體燃料는 燃料와 酸化劑를 섞어 凝固시킨 燃料를 연소시키는 시스템으로 적은 數의 構造 部品으로도 커다란 推進力을 낼 수 있다. 하지만 불이 붙으면 燃燒를 멈출 수 없어 正確한 制御 컨트롤이 어렵다는 短點이 있다. 또한 燃料가 年少할 때 發生하는 高溫과 高壓을 견뎌내도록 로켓 全體를 堅固하게 製作해야 하기 때문에 무게가 많이 나간다.

液體 燃料는 燃料와 酸化劑를 個別 탱크에 分離해서 넣은 다음 燃料室에서 둘을 混合해 연소시키는 시스템이다. 따라서 燃燒 狀態 制御가 比較的 容易하고 正確한 推進力 調整이 可能하다. 構造가 多少 複雜하다는 欠이 있지만 一旦 붙이 붙으면 燃燒를 멈출 수 없는 固體燃料 로켓과 달리 點火와 消化를 反復할 수 있다. 德分에 發射 前 段階에서 燃燒 實驗을 反復해 性能과 確實性을 함께 높일 機會가 있다.

現在 各 國家에서 發射되는 大型 로켓은 거의 大部分 液體燃料를 使用한다. 이는 로켓의 大量生産이 容易해 같은 機種을 여러 臺 製作하면서 信賴性과 製品의 均一度를 높일 수 있고, 그 過程에서 製造費를 낮추어 經濟的 利點을 取할 수 있다. 例를 들어 美國의 代表的인 로켓 企業 Space X의 Falcon 1號를 비롯해 大部分의 로켓들은 모두 液體燃料 方式으로 設計되었다. 몇몇의 로켓은 ‘蒸氣 로켓, 太陽熱 로켓, 核熱 로켓 엔진’ 또는 ‘물로켓, 低溫가스噴出기와 같은 單純한 壓力 로켓’ 等의 化學的 反作用을 利用한 推進燃料보다 다른 source로부터 供給받는 熱과 壓力을 利用한다.

種類 [ 編輯 ]

推力에 따른 分類 [ 編輯 ]

로켓은 推力을 얻는 方式에 따라 ‘化學推進方式’과 ‘非化學推進方式’으로 크게 區分할 수 있으며 이 둘을 함께 使用하는 境遇도 있다.

化學 推進 方式 [ 編輯 ]

化學推進方式의 境遇, 에너지源으로 推進劑(propellant)와 酸化劑(oxidizer)를 같이 싣고 있으며, 이를 燃燒室(chamber) 內에서 연소시켜 排出 가스를 노즐(nozzle)을 통해 超音速으로 輩出함으로써 그 反作用으로 機體를 加速한다. 그러나 化學推進方式 로켓은 타 로켓보다 많은 量의 燃料價 必要해 最近 이온로켓, 光子로켓 等 다양한 로켓 等이 開發 되고 있다.

非化學推進方式 [ 編輯 ]

非化學 推進方式으로는 電氣推進로켓, 蒸氣 推進 로켓 (steam powered rocket)이나 核熱 로켓 (核 推進 로켓, nuclear powered rocket)도 있다.

電氣推進로켓은 에너지源으로 電氣를 使用하며 이를 얻는 方法에 따라 다시 太陽電池, 原子力發展 等으로 區分할 수 있다.

蒸氣 推進 로켓은 過熱 蒸氣를 噴射하여 推力을 얻으며 推進제인 물이 求하기 쉽고 安全하다는 長點이 있는 反面 效率이 낮다. 核 推進 로켓은 冷戰 期間 中 美國에서 大陸間 彈道 미사일 (ICBM)用으로 硏究하였으나 化學推進로켓이 목적하는 性能을 達成하면서 計劃이 抛棄되었다. 非化學 推進方式은 化學推進로켓에 비하여 얻을 수 있는 推力이 매우 낮아 實用化 되지는 않았지만 最近에 一部 宇宙船에 쓰이고 있다.

實用的인 面에서 로켓으로는 適當하지 않지만 學習用으로 물로켓 (bottle rocket) 이 使用된다.

推進劑에 따른 分類 [ 編輯 ]

로켓은 現在까지는 燃燒化學 反應을 推力發生원으로 하는 化學로켓이 週(主)이며, 推進藥의 狀態에 따라 다음의 세 가지으로 나뉜다.

固體로켓 [ 編輯 ]

固體推進藥을 使用한다. 燃燒室은 同時에 推進藥의 倉庫가 되며, 構造가 簡單하다. 燃燒가 均一하고 迅速하게 傳해지도록 推進藥 內部에 適當한 形象의 共同(空洞)을 만들어 둔다. 共同의 形態는 燃燒가 進行되더라도 燃燒面積이 거의 달라지지 않도록 設計한다. 內部 溫度는 2,500~3,000℃, 壓力은 40~50氣壓이 된다. 長點으로는 構造가 簡單하고 部品수가 적으며 取扱이 容易하고 推進劑를 充電한 채로 長期保存이 可能하며, 必要하면 卽時 發射할 수 있고 初速度(初速度)가 크다는 것을 들 수 있다. 液體로켓에 비해 一般的으로 比推力이 낮고 年少中斷이나 推進力方向의 制御가 어려운 等의 短點이 있다. ^[1]

液體로켓 [ 編輯 ]

推進藥은 液體이며, 로켓모터, 推進藥의 탱크와 供給裝置, 制御裝置 等으로 構成된다. 普通 燃料와 酸化劑를 各各 別個의 탱크에 貯藏해 두었다가, 펌프 또는 가스의 壓力에 依하여 高壓의 燃燒室로 强制的으로 보내어 연소시킨다. 各種 制御裝置에서 必要에 따라 推進藥의 供給을 調節하고, 이로써 推進力을 制御한다. 그 때문에 固體로켓에 比해서 構造는 複雜하다. ^[2]

가스加壓式은 構造가 簡單하고 輕量이지만 一般的으로 가스壓力이 낮고 持續時間이 짧으므로 推進藥의 流量이 制限되며, 큰 推進力은 내지 못한다. 또 推進藥 勇氣는 壓力에 견딜 수 있어야 한다. ^[2]

大型로켓은 大部分 펌프加壓式을 採用하고 있다. 펌프는 다른 系統의 가스 發生 裝置로부터 噴出되는 가스에 依해서 터빈을 돌려서 驅動한다. ^[2]

특별한 境遇로서, 燃料와 酸化劑의 兩쪽 性質을 가진 單一한 推進藥을 觸媒 等으로 分解하고 연소시키는 方法이 있다. 構造는 簡單하나 推進力이 작고, 補助制御用이라든가 가스發生龍 等으로 쓰인다. ^[2]

混合로켓 [ 編輯 ]

하이브리드엔진(hybrid engine)이라고도 한다. 固體推進藥에다 液體의 酸化第(過酸化水素·液體酸素 等)를 부어넣어서 연소시킨다. 固體만에 依한 것보다 性能이 좋고 또 制御될 수 있다. ^[3]

로켓의 推力 [ 編輯 ]

다음은 로켓의 推力을 近似的으로 計算하는 公式이다:

${\displaystyle F_{g}={\dot {m}}\;V_{e}+A_{e}(P_{e}-P_{amb})}$

여기서:

${\displaystyle {\dot {m}}=\,}$排氣가스 質量의 時間變化率

${\displaystyle V_{e}=\,}$排氣口 斷面의 제트 速度

${\displaystyle A_{e}=\,}$排氣口 斷面의 面積

${\displaystyle P_{e}=\,}$排氣口 斷面의 靜壓(static pressure)

${\displaystyle P_{amb}=\,}$大氣壓

로켓은 제트 엔진과 다르게 空氣 吸入口가 없기 때문에 全體 推力을 감소시키는 램 抵抗이 없다. 따라서 로켓 엔진의 順 推力은 그 로켓의 推力이 된다.

港 ${\displaystyle {\dot {m}}\;V_{e}\,}$ 은 로켓 엔진의 實際 推力을 나타내는 項으로 恒常 一定한 推力을 갖고

港 ${\displaystyle A_{e}(p_{e}-p_{amb})\,}$ 은 實際 運動量으로 나타나는 로켓의 推力이다. 이것은 大氣壓이 減少할수록 實際 推力은 增加함을 意味한다. 高度가 높아짐에 따라 大氣壓은 減少하고 로켓 엔진의 實際 推力은 變함이 없음에도 로켓은 더 빠르게 加速하게 된다.

이것은 宇宙 空間에서 適用하면 다음과 같이 簡單히 適用할 수 있다.

${\displaystyle F_{g}={\dot {m}}.V_{e(vac)}+A_{e}P_{e}}$

여기서: ${\displaystyle V_{e(vac)}=\,}$ 로켓엔진의 實際 排氣 速度

發展方向 [ 編輯 ]

• 核熱 로켓 은 이미 冷戰期間 中 開發이 始作되어 相當한 成果가 있었다. 未來 行星間 宇宙船 추진용으로 다시 使用하기 위해 開發 中이다.
• 太陽熱 推進 로켓 銀 熱員으로서 太陽熱을 使用하는 方式이다. 宇宙 空間에서 얻을 수 있는 에너지源으로 가장 合理的으로 생각되지만 效率面에서 核推進보다는 못한 것이 短點이다. 이 方式은 宇宙로 燃料를 싣고 가지 않아도 되고 核으로 인한 安全 問題로부터 자유롭다는 長點이 있어서 硏究 中이다.
• 그 밖에 論議되고 있는 로켓은 Neofuel 等이 있다. 開發 中이다.

各州 [ 編輯 ]

같이 보기 [ 編輯 ]

• 로봇
• 多段 로켓( en:Multistage rocket , 스텝 로켓/step rocket)
• 核熱 로켓
• 原子力 펄스 로켓
• 太陽熱 推進 로켓
• 로켓 目錄
• 제트 엔진
• 社運딩 로켓
• 미사일
• 이온 드라이브 (이온 스러스터, 이온 엔진)

外部 링크 [ 編輯 ]

• 로켓工學 講義 채널
• 네이버 캐스트 - 로켓 燃料