로켓 엔진은 어떻게 동작할까

우주로 향하는 수많은 로켓은 액체 연료를 이용한다. 이런 액체 연료 로켓이 동작하는 구조는 어떻게 될까.

액체 연료 로켓 엔진 시동을 걸려면 엔진 내 밸브나 펌프로 복잡하게 압력과 온도를 관리해야 하며 작은 실수로도 엔진 분해를 일으키게 된다. 연료를 점화할 때에는 발생한 열로 엔진이나 연소실이 녹지 않도록 벽이나 펌프에 냉각용 추진제를 흘린다. 이 때 초당 수천 리터에 달하는 추진제를 흘리기 때문에 금속, 밸브, 베어링이 부서지기 쉽고 고장이 발생한다는 것. 이는 케러신(등유)과 액체 산소를 이용하는 케러룩스라고 불리는 추진제나 액세 수소와 산소를 이용하는 하이드로룩스, 액체 메탄과 산소를 이용하는 메탈룩스로 움직이는 엔진 등이 있다. 액체연료 로켓 대부분은 이런 추진제를 이용하고 있으며 스페이스X 멀린, 새턴V 엔진, 아틀라스V RD-180 등 다양한 엔진에 채택되고 있다.

어쨌든 연료에 점화할 때 먼저 수행되는 건 냉각이라는 작업이다. 엔진을 식히는 건 차가운 추진제로부터 엔진을 보호하는 것 뿐 아니라 뜨거운 엔진으로부터 추진제를 보호하기 위해서다.

추진제가 펌프 튜브에 도달하기 전 끓으면 캐비테이션이라는 액체에 작은 기포가 발생하는 현상이 발생할 수 있다. 이 기포는 펌프 재료를 깎아 날을 손상시킬 수 있다. 거품이 발생하면 연소실에 보내는 추진제량이 미쳐 버릴 가능성도 있으며 이렇게 되면 연소에 필요한 공기량이 부족해지는 등 엔진에 피해를 주거나 파괴되어 버리는 일도 있다고 한다.

엔진 시동 준비가 끝나면 다음 목표는 펌프를 회전시키는 것으로 이동한다. 가장 간단한 방식을 널리 채택되는 건 압송식 사이클로 불리는 동작 방식은 밸브를 여는 것만으로 추진제를 연소실에 유입시킬 수 있지만 지표로부터 물체를 궤도에 올리려면 압송식 사이클은 충분하지 않다.

따라서 터보 펌프가 장착된 고전력 고압 엔진이 필요하다. 대부분 엔진에서 터빈은 단지 하나가 수십만 마력을 발휘한다. 터빈을 고속으로 회전시키려면 고압 헬륨 또는 질소를 가스 발생기, 프리버너로 전달해야 한다. 하지만 이런 시스템 비추력은 약하기 때문에 필요 이상으로 엔진을 가동시키지 않도록 엔진 연소를 유지하기 위해서만 사용된다.

발사를 위한 컨디션이 갖춰진 곳에서 엔진에 추진제가 흐르기 시작한다. 하지만 이 과정에서 작은 오차가 실수로 이어지고 추진제가 잘못된 비율로 흐르거나 잘못된 타이밍, 잘못된 장소에서 연소하면 엔진이 과압되어 폭발해버릴 가능성도 있다.

엔진에 점화하는 방법으로는 화공품을 실은 큰 목재에 점화하는 방법이나 전기를 흘려 불꽃을 흩어 점화하는 방법 등이 있다. 또 발화성이 있는 액체 등을 사용하는 방법도 채용되는 일이 있다. 스페이스X 로켓인 팔콘9 등이 마지막 방법을 채택해 점화할 때에는 선명한 녹색 빛을 발하는 것으로 알려져 있다.

여기까지는 지구상 점화 방법이지만 로켓은 항행할 때 우주 공간에서 점화하는 경우도 있다. 중력 영향을 받는 지상에선 액체 추진제가 탱크 바닥에, 기체가 탱크 상부에 있지만 우주 공간에선 그렇지 않다. 따라서 우주 공간에선 먼저 추진제가 탱크 어디에 있는지 확인해야 한다.

이 때 사용되는 게 가속 모터(Ullage motor)다. 가속 모터는 비교적 소형 로켓 엔진으로 메인 엔진에 앞서 발사되어 가속에 의해 메인 탱크 내 액체를 후방으로 침전시키는 역할을 한다.

냉각과 엔진에 점화가 끝나면 다음으로는 내부에서 수분을 날리는 시동 준비 단계에 들어간다. 이를 위해 주 연료 사전 밸브를 열고 액체수소를 연료 펌프에서 주 연료 밸브로 유입시킨다. 이 추진제 일부는 재순환되어 수소 일부를 선외로 버리거나 연료 주입구로 되돌린다. 엔진 수분이 없어진 곳에서 발사를 향한 열적 컨디션을 정돈한다.

엔진 시동 3초 전이 되면 산소와 수소 라인 블리드 밸브가 닫히고 엔진은 시동 명령을 기다린다. 이 명령을 받으면 먼저 메인 연료 밸브가 완전히 열린다. 이 밸브가 완전히 열릴 때까기 시간은 3분의 2초다.

이 시점 펌프는 빠르게 회전하고 엔진 점화 1.25초 뒤 컴퓨터는 연료 펌프 터빈 속도 점검을 수행한다. 점화 시퀀싱 시작 1.4초 뒤 압력이 크게 떨어지면 급격하게 압력이 상승할 때 연료 프리버너가 시동된다.

엔진 시동 0.2초 뒤 메인 연료실 산소 밸브가 열리기 시작하고 점화 장치에 산소를 흘려 넣는다. 밸브는 60% 미만 개도까지 천천히 열리지만 이 지연을 마련해 적절한 시기에 충분한 양의 산소가 점화 장치에 공급되게 된다.

또 메인 연료실 점화부터 불과 10분의 1초 뒤 이번에는 산소 프리버너 점화 장치가 가동해 점화한다. 이 작동에 필요한 산소 유량은 항상 겸손하고 엔진에 필요한 전력을 공급하기 충분한 양이면서 고온에 도달할 정도로 과도한 산소량이 되지 않도록 조심스럽게 균형을 잡는다. 이런 과정을 거쳐 엔진은 시동 5초 만에 작동에 필요한 출력만 도달한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.