로켓엔진의 원리에 대해 궁금 합니다.

Question

안녕하세요,

어제 누리호의 발사가 있었는데요, 그걸 보다가 문득 로켓엔진의 원리에 대해 궁금 합니다.

어떻게 그렇게 큰 힘을 낼수 있는지 궁금 합니다.

Answer 1

안녕하세요. 아하(Aha) 과학분야 답변자 배병제입니다.

로켓 엔진은 연료와 산화제를 연소시켜 발생하는 고온, 고압 가스를 노즐을 통해 배출하여 추력을 얻는 엔진입니다. 로켓 엔진의 작동 원리는 뉴턴의 제3법칙인 작용-반작용의 법칙에 기반합니다. 연료와 산화제가 연소되면 고온, 고압의 가스가 발생하고, 이 가스는 노즐을 통해 배출됩니다. 가스가 배출될 때 발생하는 반작용력에 의해 로켓은 앞으로 나아가게 됩니다.

로켓 엔진은 고체 로켓 엔진과 액체 로켓 엔진으로 나눌 수 있습니다. 고체 로켓 엔진은 연료와 산화제가 하나의 고체로 이루어져 있습니다. 액체 로켓 엔진은 연료와 산화제가 각각의 탱크에 저장되어 있으며, 분리된 상태에서 연소실로 공급됩니다.

저의 답변이 도움이 되셨길 바랍니다.

Answer 2

안녕하세요. 김학영 과학전문가입니다.로켓의 힘은 연료의 연소 속도와 연료의 배출 속도에 의해 결정됩니다. 연료와 산소 혼합물이 연소되면서 발생하는 폭발적인 가스의 압력은 로켓 내부에서 매우 큰 압력을 형성하게 됩니다. 이 가스가 로켓 엔진의 노즐을 통해 역방향으로 배출되면, 그 역방향의 힘으로 인해 로켓은 앞으로 밀려나가게 됩니다.

또한, 로켓의 힘을 크게 만드는 또 다른 요소는 연료의 선택과 엔진 설계입니다. 연료의 화력과 연소 속도, 엔진의 효율성 등이 로켓의 힘에 영향을 미치게 됩니다. 따라서 공학적인 설계와 최적화를 통해 로켓의 힘을 극대화할 수 있습니다.

이렇게 로켓은 반작용의 법칙에 기반하여 연료의 연소와 배출로 인한 역방향 힘을 이용하여 큰 힘을 발생시키고, 이를 통해 우주로 나아갈 수 있는 것입니다.

Answer 3

안녕하세요. 이원영 과학전문가입니다.

먼저 로켓에 들어가는 물질은 크게 3가지로 나뉜다. 연료로 사용되는 캐로신(고순도 등유.... 맞다. 등불을 켤 때 사용하는 등유. 가정용 보일러 연료로 사용되는 등유), 액화 산소, 그리고 헬륨 가스이다.

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먼저 캐로신은 그야말로 연료이다. 참고로 예전에는 항공유로 휘발성이 강한 제트유를 많이 썼는데 휘발성이 강할 경우 폭발위험이 높아 최근에는 일반항공기에도 캐로신을 많이 쓴다고 한다. 그래서 공항내에서 사용하는 차량들은 대부분 항공기 등에서 남은 캐로신을 연료로 사용한다고 한다. 공항에서 나는 매연 냄새는 이 냄새

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그리고 산화제가 들어가는 이유는 우주 발사체의 고도가 높아지면 공기중 산소 비중이 확 줄어들게 되고, 대기권을 통과하면 산소가 없어지기 때문에 산소를 따로 공급해주지 않으면 연소가 일어나지 않는다. 우주 발사체를 볼 때 발사체 표면에 하얀 연기가 나는 것을 볼 수 있는데 이는 액화산소의 온도가 낮기 때문에 대기중 공기과 만나면서 일어나는 현상이다(차가운 얼음을 실온에 두면 연기가 나는 원리).

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로켓의 연료가 사용되면 연료탱크의 연료양이 줄어들어 압력이 떨어지게 되는데, 압력이 떨어지면 엔진의 추진력이 떨어질 수 있이다. 헬륨가스는 이때 연료탱크 등의 빈공간을 채워줌으로써 연료탱크의 압력을 일정한 수준으로 유지하게 해주는 역할을 한다.

로켓의 연료탱크에 있는 캐로신과 산소는 액체인데, 이를 기체로 만들어서 주 연소실로 보내야 한다. 이를 위해서 먼저 보조 연소실에서 연소를 시켜 연료를 기화시켜주는 터보펌프의 터빈을 돌리게 된다. 그림에서 보는 것처럼 연소실에서 폭발이 일어나는데 액체상태인 캐로신을 기화시켜 분사시켜 준다. 참고로 이 터보펌프의 rpm은 부당 1만500에서 2만7000에 달한다고 한다. 그래서 우주 발사체 로켓에는 연소실이 두개가 필요하다.