로켓의 노즐 구조

로켓엔진이 추력을 발생하는 것은 연소실에서 발생되는 가스를 노즐에서 가속하여 높은 속도를 부여하기 때문이다. 일반적으로 노즐의 유체가속원리(流體加速原理)는 ‘베르누이의 정리’에 입각하여, (音速) 이하의 유체가 흐르는 속도는 유체가 통과하는 단면적을 좁히면 커지고, 넓히면 작아진다. 그러나 흐름의 속도가 음속에 도달하면 기체의 압축성이 현저해져서 단면적을 좁혀도 가속되지 않는다. 그래서 스웨덴의 기술자 C.G.P.데 라발(1845∼1913)은 음속인 가스의 유통로를 갑자기 넓히면 가스가 급팽창해서 그 속도를 더욱 높인다는 것에 착안, 끝조림 노즐과 확산 노즐을 조합한 이른바 라발노즐을 고안하였다.

이 노즐을 사용하면 연소실 내에서 생긴 아음속(亞音速)의 가스 흐름은 끝조림 노즐의 앞부분에서 음속에 도달하고, 다음에 확산 노즐에서 팽창하여 속도를 얻어 초음속의 흐름이 된다. 또한 2개의 노즐이 결합하는 부분을 목(throat)이라 하고, 확산 노즐의 말단부분을 출구라고 한다. 목에서 음속에 도달한 가스는 그 이후부터 팽창에 의해 출구에 이르는 사이에 속도가 증가하게 되는데, 그 팽창과 가속은 가스가 지닌 압력이 주위의 압력과 같아질 때까지 계속되어 노즐 출구의 내외 압력이 균형을 이루는 것이 이상적이다.

비행체가 상승하는 상태를 볼 때, 노즐에서 분출되는 가스의 흐름이 노즐과 평행을 이루고 있으면 거의 이상적인 상태라고 생각해도 되지만, 노즐에서 나온 후에도 확산할 때에는 가스의 압력이 아직 주위의 압력보다 높고 팽창이 계속되고 있으며 가스의 운동에너지가 낭비되고 있는 것이 된다. 또 비행체의 상승력이 크기 때문에 발사할 때에 노즐 출구의 가스 압력이 주위의 압력과 균형을 이루고 있어도, 고도가 높아지면 주위의 압력은 급속도로 저하되어 결과적으로는 균형을 이루지 못하게 된다.

이것에 대응하기 위해 노즐의 출구 면적이 가변(可變)되는 것이 실험·연구되고 있으나, 구조가 복잡해지고 중량이 무거워지는 문제가 따르기 때문에 아직 일반적으로 사용되지 않는다. 로켓엔진의 배열을 다단식으로 하고, 상승하는 동안에 차례로 고단부(高段部)를 작동시키는 방식에서는 각각의 노즐을 작동하는 고도의 압력에 맞춰서 설계할 수 있으므로 이상적인 상태에 접근시킬 수 있다. 단지 초고도용 노즐은 확산팽창 부분이 상당히 길어져서 구조강도에서 문제가 생기므로 자연한도가 있다. 한편 목과 출구의 단면적의 비를 면적비 또는 팽창비라고 하며, 노즐의 운용조건을 알기 위한 척도로 하고 있다.

또 로켓엔진의 작동 가능시간은 추진제의 총량과 단위 시간의 소비량으로 정해지므로, 추력과 작동시간의 곱(총추력)으로 총일량을 나타낸다. 로켓 동력비행체에는 군사용의 (ICBM 등)이라든지 로켓탄과 우주용이 있으며, 우주용에도 여러 종류가 있어 각기 구성이나 비행형식이 다르다. 로켓탄은 엔진의 추력에 의해 추진하는 것 외에는 전적으로 자유비행을 하는 것인데 시한장치(時限裝置)와 목표물에 접근하면 신관이 작동하여 탄두(彈頭)가 터지는 간단한 것이다. 이것에 대해 탄도미사일은 미리 계획된 탄도 비행으로 목표물에 정밀하게 탄두를 낙하시키기 위해 각 방향의 가속도를 시시각각 계측해서 위치와 속도를 구하고, 계획값과의 변이(變移)를 컴퓨터로 산출하여 수정을 가하면서 비행한다. 성능이 좋은 전자유도나 제어 시스템을 탑재하고 있으므로, 발사 후에는 지상으로부터의 지령 등을 일체 필요로 하지 않는다.

한편 우주용의 경우는 발사 후에도 그 경로를 레이더 등에 의해 지상기지로부터 시시각각 추적해서 지상의 대형 컴퓨터로 계획값과 대조하여 수정지령이나 원격조작에 의한 프로그램의 변경이 가능하다. 또 탄도 미사일의 경우는 발사 후 탄도의 최정점(最頂點)인 최고고도에서 그 속도는 0(제로)이 되고, 그 후부터는 지구의 중력에 끌려 낙하하는 데 대해, 인공위성을 쏘아올릴 때는 발사한 후 점점 속도를 증가하여 최고속도에서 지구 표면과 평행방향의 궤도속도를 얻을 필요가 있어 양자(兩者)는 비행형태가 비슷하면서도 다르다. 따라서 미사일은 도중에서 탄도(彈道)가 교란되지 않도록 초기가속도를 가급적 크게 하지만, 우주 로켓에서는 너무 가속도를 크게 해서 인공위성이나 우주비행사에 과도한 하중이 걸리지 않도록 배려한다. 또한 인공위성에서는 필요한 자세제어나 궤도 변경을 위해 기체 각부에 소형의 로켓 엔진을 배치하는 경우가 많으며 궤도에서 인공위성 또는 일부를 지상으로 강하시켜서 회수할 경우에는 상당히 감속해야 되는데, 그 추력을 위한 역추진 엔진을 갖추고 있다.