우주탐사 매뉴얼

3장. 로켓으로 올라가기

그림 3-1

한 쪽에 구멍이 뚫려 있는 구. a) 구 내부에만 가스가 들어 있는 경우, b) 구 내부와 외부에 모두 가스가 있는 경우, c) 구 외부에만 가스가 있는 경우. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 3-2

시간에 대한 로켓의 질량과 실제 가속도의 변화. a) 로켓이 g0의 일정한 가속도를 내도록 연소율이 (3-5)식과 같은 경우. b) 연소율이 일정한 경우. a)와 b) 모두 veff=3 km/s을 가정하여 계산되었고, b)를 위해서는 로켓이 g0의 균일한 중력장에서 수직으로만 상승하며 추진제의 질량이 로켓 초기 질량의 68%를 차지하고 추진제를 160초 만에 모두 연소하는 경우를 가정했다. b)에 보이는 가속도는 g0의 일정한 중력장에서 로켓이 결과적으로 가지는 상승 가속도다(a에서는 g0의 중력장에서 로켓이 같은 고도에 머물고 있게 되므로 상승 가속도는 항상 0이다). a)와 b)의 계산 모두 로켓의 질량은 초기 질량에 상대적으로 나타내어져 있으며, 초기 질량이 실제로 얼마인지는 가정할 필요가 없다. 초기 질량(또는 추진제를 제외한 질량)을 지정하면 (3-3)식으로부터 로켓에 필요한 연소율이 결정된다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 3-3

a) 드 라발 노즐 안에서 이동하는 가스가 가지는 내부 에너지, 밀도, 이동 속도의 변화. b) Falcon 9의 1단에 사용되는 Merlin 1D 엔진의 연소 시험 장면으로, 아랫부분에 드 라발 노즐의 형태가 보인다. (a: ЮК / Wikimedia Commons / Public Domain; b: SpaceX / Wikimedia Commons / CC0 1.0)

그림 3-4

배기가스의 노즐 출구 압력이a) 대기압보다 작은 경우, b) 대기압과 같은 경우, c) 대기압보다 큰 경우. a)의 경우는 추력 감소가 야기되고, c)의 경우는 추진제 효율 손실이 야기된다. (Wisdom House, Inc. / CC BY-SA 4.0)

그림 3-5

a) Falcon 9 로켓의 1단에 사용되는 Merlin 1D Sea level 엔진과 b) 2단에 사용되는 Merlin 1D Vacuum 엔진. 노즐 발산 부분의 크기 차이가 극명하게 비교된다. (Wisdom House, Inc. / CC BY-SA 4.0)

그림 3-6a

두 수소 원자가 공유결합 하여 수소 분자(H2)를 이루고 있는 상태. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 3-6b

두 수소 원자의 공유결합 전과 후의 결합 퍼텐셜에너지. 두 원자 사이의 거리가 너무 가까워지면 양자역학적 반발력에 의해 척력이 생기며, 이로 인해 결합 퍼텐셜에너지가 양의 방향으로 급격히 올라간다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 3-7

수소(a)와 메탄(b)의 연소 반응식. 각 원자 간을 있는 선 중 “–“는 단일 공유결합을, “=”는 이중 공유결합을 나타내며, 원자 위아래에 있는 점의 수는 공유결합에 참가하지 않는 전자(비공유 전자)의 개수를 나타낸다. 분자 위와 아래에 있는 파란색 숫자는 반응에 참여하는 분자의 개수이며, 분자 아래에 있는 숫자는 공유결합 퍼텐셜의 절댓값이다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 3-8

수소와 산소의 연소 전후 퍼텐셜에너지의 변화. 연소를 위해서는 활성화 에너지의 투입이 필요하다. (Sungsoo S. Kim / CC BY-SA 4.0)

그림 3-9

고체 추진제 로켓의 구조. 적재된 추진제의 가운데에 빈 공간이 존재하고, 이 공간에서 연소가 일어난다. (Wisdom House, Inc. / CC BY-SA 4.0)

그림 3-10

고체 추진제의 적재 모양(왼쪽과 가운데 열)과 연소율 프로파일(오른쪽 열). 오른쪽 열의 그래프는 시간(x축)에 대한 연소율(y축)을 나타낸다. (Nubifer / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0)

그림 3-11

전개식 노즐을 가진 Pratt & Whitney사의 XLR-129 로켓엔진. (US Air Force / Wikimedia Commons / Public Domain)

그림 3-12

Rocketdyne사의 XRS-2200 에어로스파이크 엔진. 여러 개의 작은 엔진이 중심부 벽 양쪽에 일렬로 배치되어 있다. (NASA / Wikimedia Commons / Public Domain)

그림 3-13

2020년대 중반 현재 운용 중인 공중 발사 로켓. a) Orbital Sciences사가 개발하고 현재는 Northrop Grumman사에 의해 제조 및 발사되고 있는 Pegasus와 b) Virgin Orbit사에 의해 개발 및 발사되고 있는 LancherOne. (a: NASA / Wikimedia Commons / Public Domain; b: Glenn Beltz / Wikimedia Commons / CC BY 2.0)

그림 저작권 안내

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