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2013-07-03 00:39:51
BGM정보: http://heartbrea.kr/3194972
안녕 게이들아 ㅎㅎ
오랜만에 정보글 쓰는데 쓸까말까 고민 많이 했다. 준비는 많이 했는데 쉽게 전달하기는 힘들거 같아 고민임
이글을 읽고나면 우주개발에 대한 인식이 좀더 현실적으로 바뀔 수 있을거라 기대하면서 글 써볼게
짤은 두번의 운지 끝에 삼세판에 성공한 나로호. ㅎㅎ 1단과 2단 사이의 분리가 항상 애를 먹였지.
나로호는 왜 하필 2단 로켓이어야 했을까? 그리고 왜 대부분의 우주로켓들은 3단로켓, 2단로켓 등 다단(multi-stage)으로 이루어져 있을까?
그냥 간단하게 1단으로 쐇버리지 싶은 궁금증 갖고있는 게이 없음?
이거에 대해 난 이쪽 전공은 아니지만 최대한 내가 이해한 만큼 풀어서 써 볼게 ㅎㅎ
먼저 왜 지구밖으로 물체를 쏘아올릴때 왜 로켓을 사용할까? 그냥 존나 쎈 대포로 존나빠르게 쏴버리면 중력을 뚫고 나갈수 있지 않음?
이렇게 생각하는 게이들 있을수 있는데, 로켓이라는 추진방식의 최대 장점이 '일정한 힘을 계속 가해서 지속적으로 가속이 가능'하는 점이다.
포탄으로 쏴 올리는것도 좋은 방법이겠지만 이러면 포의 속도가 점점 느려지게 된다. 만약에 여기에 사람이 실렸다고 가정하면, 대기권을 탈출하기 위한 속도인 초속 11.2km/s 이상을 얻으려면 이 이상의 가속을 포신안에서 이루어야 하는데, 그정도의 가속도가 사람에 가해지면 중력가속도에 의해 이미 뼈와살이 분리되고 말 거야. 또 속도가 빠를수록 공기와의 마찰도 어마어마 하기 때문에 실질적으로 불가능 해.
하지만 로켓을 사용하면 이보다 작은 힘을 가하면서 사람이 버틸만한 힘으로 계속 가속이 가능하겠지? 그리고 고도가 높아질수록 공기가 희박해지니까 빠른 속도에도 마찰이 줄어들어서 유리해 ㅎㅎ
로켓에 중력이나 공기마찰 같은 외력이 작용하지 않는다면, 로켓의 속도를 결정하는 인자는
배출가스의 속도와 연소 전후의 로켓의 질량비 (Empty Mass Ratio) 이 두 가지야.
로켓은 로켓 안에 자체로 연료와 산화제를 내장하고 있기 때문에, 로켓의 질량은 구조물 + 추진제 질량을 합친 것이 되지.
따라서 연료를 뺀 나머지 로켓의 케이스, 연료탱크, 펌프, 로켓의 엔진, 유도조종 장치, 로켓 적재물(payload) 무게 (Empty Mass)와
로켓 전체 질량의 비율을 로켓의 질량비 라고 해.
연소가 끝나고 나면 추진제는 모두 가스로 변해 배출되고 로켓의 질량은 구조물의 질량과 같아지게 된다.
구조물 질량에 비해 추진체 질량이 크면 클수록 로켓의 질량비가 커지고, 연소종료 시점의 로켓의 속도는 빨라지게 되지.
그런데 많은 양의 추진제를 탑재하려면 추진제 탱크나 로켓 케이스가 커져야 하고,
무엇보다 덩치가 커진 로켓을 중력에 대항하여 가속하려면 더 강력한 로켓 엔진을 필요료 하게 돼 ㅎㅎ
그래서 현실적으로 늘릴 수 있는 질량비의 최대치는 한정될 수밖에 없고 실제로 5~10사이의 질량비를 갖고 있어.
이것은 로켓에서 추진체가 기껏해야 로켓 무게의 90%를 넘기 힘들다는 것을 의미해
이걸 수식으로 풀어쓴 책이 있으니 이해되는 사람은 보고 아니면 패스해 ㅎㅎ
쉽게 말해서, 1단 로켓만으로는
추진제의 양을 설계 한계치까지 싣고 가더라도,
대기권 이탈속도인 11.2km/s를 얻어내지 못해 지구를 벗어날 수 없다는 결론이야.
원인은 결국 ζ값의 한게로 인해 Vb가 유효배출속도 c의 3배를 넘지 못함에 있음을 알 수 있지.
이것을 넘어설 수 있는 방법은 결국 추진제가 연소종료된 후에 불필요한 부분을 떼어내 버려 비행체의 무게를 줄이는 것이야.
이 경우에 2단 로켓의 payload 는 원래 고려했던 1단 로켓의 payload에 비해서 훨씬 작을 수밖에 없겠지만, 속도는 2배 이상으로 증가하게 된다.
그리고 2단로켓이 점화될 시점에는 이미 대기가 희박하고 마찰이 거의 없어서 연료의 배출속도도 이론값에 근접하므로, 이때는 ζ값이 작더라도 payload 가 크도록 설계를 한다. 이런식으로 3단, 4단 로켓을 설계하는 거지.
뭐 우리나라는 나로호를 1단은 러샤에서, 2단 킥모터는 한화 기술로 만들었는데 단분리 기술이 완벽하지 못했지.. ㅠㅠ
요로코롬 간지나게 까줘야 하는디말여~
결국 우리가 원하는 물체를(우주선이든 인공위성이든) 충분히 높은 속도로 가속하려면 전체 로켓의 크기가 급격하게 커질 수밖에 없다.
그래서 필요한 임무를 완수하기 위해서 되도록 연소가스 배출속도가 큰 연료를 사용하고, 필요한 궤도를 최적화하여 로켓의 크기와 무게를 줄이도록 조정을 한다.
감이 안 온다면, 새턴V 로켓이 추진제 합쳐서 3038톤인데, 지구저궤도에 올릴수있는 payload의 무게는 118톤에 불과해. 3.8% 정도 되네..
근데 또 엄청난 한계에 부딪히는 부분이 하나 더 있어.
바로 추력을 내는 강력한 로켓엔진 만들기가 열라 빡세다는 거.. ㅎㅎ
위 사진은 유인 우주선인 달로켓 새턴 V의 1단 로켓엔진인 F1의 연료배출 노즐의 모양이야. 이거 해결하는데만도 3년이 넘게 걸렸다고 함.
전무후무한 크기의 연소실에 액체로켓 연료와 산화제가 적절하게 뿜뿜 해줘야 하는데 이걸 NASA 천재들은 8각 + 빗겨진 4각으로 해결 해냈어.. 덕분에 필요한 추진력을 얻는 데 이 엔진 5개로 충분했어.
요런거 5개 말여.. ㅎㅌㅊ ? 헤헤...
반면에 동시대의 소련은 이만한 엔진을 만들지 못해서, 목표추력을 위해 30개의 1단로켓을 묶는 N1로켓을 만들었지만.. 결과는.. 2단로켓 분리전에 모두 실패하여 운지.. ㅎㅎ 자세한건 http://www.ilbe.com/520886243 여기가서 봐라
