로켓 추진 기관의 종류

로켓 추진 기관에는 많은 종류가 존재하며 이는 화학 추진 로켓, 전기 추진 로켓, 저온 가스 추력기 등 다양한 형태가 존재하는데, 일반적으로 '로켓 추진 기관'이라 함은 지상에서 강력한 힘을 내기 위해 사용하는 화학 추진 로켓을 주로 의미합니다. 이러한 화학 추진 로켓에서는 추진제의 연소로 발생한 가스를 노즐로 분사하여 그 반작용에 의한 힘을 활용한다고 할 수 있는데요. 대부분의 로켓 노즐이 채택한 공통적인 구조는 뒤로 갈 수록 구멍이 점점 좁아지는 구조입니다. 이는 가스가 지나는 관의 직경을 줄이면 줄일수록 속도가 빨라진다는 베르누이의 정리에 기인하는데, 가스의 속도가 빨라질수록 가스에 의해 발생하는 반작용, 즉 로켓의 추진력이 증가하게 된다는 것으로 설명할 수 있습니다.

한편 단면적을 줄이는 것만으로 배기 노즐을 만드는 것에는 한계가 있습니다. 압축성 유체가 지나는 관의 단면적을 일정 수준 이상으로 줄이면 유체의 속도가 음속에 도달해 더이상 빨라지지 않고 연소관 내부의 압력만 증가하기 때문인데요. 이렇게 더이상 수축 노즐로 속도를 높일 수 없는 유체의 흐름을 질식 유동이라고 합니다. 수축 노즐의 한계점을 극복하기 위해 고안된 것이 데 라발 노즐인데, 데 라발 노즐의 경우 수축 노즐의 끝에 확장 노즐이 달려 있는 형태입니다. 질식 상태에 도달한 음속 유동을 다시 확장시킬 경우 가스의 속도는 임계 속도를 넘겨 초음속 유동이 되는데, 로켓은 이를 통해 추진제의 연소 에너지를 더 효율적으로 추력으로 변환할 수 있게 됩니다. 오늘날 절대 다수의 로켓 엔진들이 채택하고 있는 노즐 또한 이러한 데 라발 노즐이죠. 나머지 소수는 무엇인가 하면 노즐 꼬깔 무게조차 아쉬운 우주탐사체들이 쓰는 단순한 원통형 직사 노즐과 해수면과 우주공간에서 큰 증감 없이 고른 비추력을 내주는 에어로스파이크 엔진입니다.