로켓엔진의 구조와 원리
로켓이 날아가는 원리는 풍선과 비슷합니다. 풍선을 불었다가 구멍을 떼면 풍선안에 있는 공기가 빠져나오면서 풍선을 앞으로 밉니다. 로켓도 마찬가지입니다. 고온,고압의 가스가 로켓엔진을 통해 배출되면서 로켓이 움직입니다. 어떤 물체가 다른 물체에 힘을 가하면, 동시에 같은 크기·반대 방향의 힘을 되돌려 받습니다. 이것이 바로 뉴턴의 제 3운동법칙인 작용 반작용의 법칙인데요, 아이스링크에서 스케이트를 신고 손으로 벽을 밀면 반대 방향으로 밀려나가는 것도 작용 반작용의 법칙이 적용된 현상입니다.
로켓엔진은 연료가 연소되어 가스를 만들어냅니다. 이때 아주 중요한 재료가 있습니다. 바로 산소입니다. 그런데 우주에는 산소가 없기 때문에 산소를 액체상태로 저장합니다. 이 산소와 연료를 합쳐 추진제라고 합니다. 추진제는 연소실에 분사되고 점화장치로 점화되어 고온,고압의 가스를 만듭니다. 이 가스가 노즐로 분출되어 추진력이 생깁니다.
✅우주선에서 액체산소의 다양한 쓰임새
액체산소는 극저온 상태에서 저장하면 부피가 대폭 줄어들기 때문에 우주선에서 여러 용도로 사용된다. 유인 우주선 승무원들에게 숨 쉴 수 있는 산소를 공급하거나 부피를 줄이기 위해 산소를 수소와 함께 액체 상태로 저장해두었다가 촉매를 통해 전기 에너지와 물을 만들어내는 것이 좋은 예이다. 출처 : 로켓의 과학적 원리와 구조 / 데이비드 베이커
보통 로켓엔진을 보면 위의 사진과 같이 콜라병 형태를 보입니다. 왜 그럴까요? 유체는 음속보다 느릴 경우 좁은 폭의 공간을 지나갈때 빨라지며, 유체가 음속을 돌파할 경우에는 넓은 공간에서 빨라집니다. 따라서 추진력을 극대화하기 위해 로켓엔진의 노즐은 콜라병과 같이 좁아졌다가 넓어지는 형태를 보입니다.
로켓엔진의 개발이 어려운 이유는 출력을 마음대로 높일 수 없다는 것입니다. 연소실은 고압 상태를 버텨야하고 합니다.산소와 연료의 조합비가 틀어져 순식간에 고압의 상태가 되면 폭발이 일어날 수 도 있습니다. 또한 추력실(연소실+노즐)은 2,000도 이상의 고온을 버텨야합니다.
로켓엔진 추력실 냉각용 부품
로켓 엔진의 핵심 구성 요소인 추력실(연소실 + 노즐)은 고온 가스의 열에너지를 운동에너지로 변환하여 비행에 필요한 추력을 생성하는 중요한 역할을 수행합니다. 추력실의 성능은 엔진의 작동 성능과 신뢰성을 직접적으로 좌우합니다. 그러나 기존 제조 공정은 가공 기술상의 한계로 인해 복잡한 냉각 채널을 구현하는 데 어려움이 있으며, 이는 엔진 냉각 효율 및 전체 성능 향상을 제약하는 요인으로 작용해 왔습니다.
금속 3D 프린팅 기술은 복잡한 구조를 자유롭게 형성할 수 있는 장점을 바탕으로 추력실 제조 분야에 획기적인 돌파구를 제시했습니다. BLT는 대형 구리 합금 부품의 조형 공정 난제를 극복하고, 추력실 용 구리 내부 라이너(inner wall liner) 개발에 성공했습니다. 이 혁신적인 성과는 2025년 독일에서 개최되는 Formnext 2025 전시회를 통해 공개되었습니다. 최첨단 항공우주 제조 분야에서 금속 3D 프린팅 기술의 실제 적용 성과와 폭넓은 가능성을 산업계에 제시할 것입니다.
해당 부품은 고성능 CuCrZr 분말을 사용하여 6개의 레이저 방식의 BLT-S615 장비로 일체형 출력되었습니다. 최종 치수는 직경 φ502 mm × 높이 946 mm, 중량은 35 kg으로, 대형이면서도 복잡한 유로 구조를 정밀하게 구현할 수 있습니다.
고성능 CuCrZr 합금: 부품 신뢰성의 핵심 기반
본 부품에는 구리 합금인 CuCrZr(구리-크롬-지르코늄)이 적용되었습니다. 이 소재는 구리 matrix에 크롬과 지르코늄 등의 미량 원소를 첨가한 미세합금 구조로, 순구리의 우수한 열전도성을 유지하면서도 강도와 경도를 크게 향상시킨 것이 특징입니다. 또한 고온 변형 저항성과 내식성이 우수하여, 고온·고압의 극한 운용 환경에서도 추력실 내부 벽이 구조적 건전성과 안정성을 유지할 수 있도록 합니다. 이러한 물성 조합은 효율적인 열 방출과 장기적인 엔진 신뢰성 확보를 동시에 가능하게 합니다.
일체형 냉각 채널 설계: 최적화된 열 방출 구현
기존 제조 공정은 가공 한계로 인해 내부에 복잡하고 정교한 컨포멀(conformal) 냉각 채널을 구현하는 데 제약이 있습니다. 이로 인해 연소실의 냉각 성능과 효율을 추가로 향상시키는 데 한계가 존재해 왔습니다.
금속 3D 프린팅 기술로 일체형 구현된 추력실 내부의 복잡한 냉각 채널 구조는 열교환 면적을 대폭 증가시키는 동시에, 냉각수가 유로 전체에 균일하게 흐르도록 하여 국부적인 과열을 효과적으로 방지합니다. 이러한 혁신적인 유로 설계는 고추력 액체로켓 엔진 연소실의 냉각 효율을 크게 향상시키고, 엔진의 수명을 연장하는 데 기여합니다.
또한 냉각 채널과 내부 벽을 단일 공정으로 통합 제작함으로써 기존의 용접 공정이 불필요해졌으며, 이는 잠재적인 용접 결함을 원천적으로 제거하는 동시에 전체 제작 리드타임을 획기적으로 단축하는 효과를 제공합니다.
✅추천 글
