고체 추진 기관

[모닥불]

추진 기관은 비행체를 목표 지점까지 도달시키는데 필요한 에너지를 공급하는 장치를 말한다. 추진기관은 로켓 추진기관과 포 발사 추진기관 및 공기 흡입 추진기관으로 분류할 수 있으며, 로켓 추진기관은 화학 추진기관과 비화학 추진기관으로, 다시 화학 추진기관은 고체 추진기관, 액체 추진기관, 혼합 추진기관으로 분류된다. 이 중 고체 추진기관은 구조가 간단하고 취급이 용이하며 신뢰성과 저장성이 우수하므로 유도탄의 추진기관으로 매우 광범위하게 적용되고 있다.

작동원리는 작용과 반작용의 법칙을 응용한 것이며, 밀폐된 공간에서 추진제를 연소시켜 발생한 고압 가스를 노즐을 통해 분출시켜 그 반작용으로 얻은 추진력에 의해 유도탄은 음속 또는 초음속으로 비행하게 된다.

 

고체추진기관 <고체 연료 추진제를 적용한 추진기관>

고체 추진기관은 구조가 간단하고 취급이 용이하며 신뢰성과 저장성이 우수하므로 유도탄의 추진기관으로 매우 광범위하게 적용되고 있다. 중 장거리 전략 유도탄에는 액체 추진기관이, 전술 유도탄에는 고체 추진기관이 널리 쓰여 왔었으나, 최근에는 중 장거리 유도탄에도 고체 추진기관을 많이 채택하고 있는 추세이다.

구성품은 추진제 충전체와 노즐 조립체로 분류할 수 있다. 충전체에는 연소 가스를 발생시키는 추진제와 고압 가스에 견디는 연소관, 추진제와 연소관을 접착시키는 라이너, 고온 가스로부터 연소관을 보호하는 인슐레이션, 추진제에 불을 붙이는 점화 장치가 설치된다. 노즐 조립체는 고압 가스에 견디는 노즐 구조체와 고온으로부터 노즐 구조체를 보호하는 노즐 내열재로 구성되며, 때로는 추력 방향을 조종하기 위한 TVC 장치(Thrust Vector Control Device)도 설치하게 된다.

 

고체 추진기관의 핵심 기술

내탄도성능은 고체 추진기관의 성능을 설계하는 중요한 핵심 기술이며, 유도탄의 추력과 작동 시간, 총역적, 유도탄의 길이와 직경 등 체계 설계 요구 조건을 만족할 수 있도록 추진제를 선정하고, 추진제의 그레인 형상과 노즐 내면 형상을 설계하게 된다. 연소실 내에서의 침식 연소와 연소 불안정성 해석 및 추진제의 응력 해석에 의한 노화 특성 해석 등을 통해 최적의 그레인 형상을 설계하며, 노즐 내의 유동 해석을 통해 최적의 노즐 내면 형상을 설계하게 된다.

추진제는 복기형(Double Base)과 혼합형(Composite)으로 구분된다. 복기형 추진제는 주성분이 니트로글리세린과 니트로셀루로즈로 구성되어 연소 중에 연기가 비교적 적기 때문에 소형 단거리 유도탄에 주로 사용되어 왔으며, 혼합형 추진제는 산화제 분말을 폴리머바인더와 혼합하여 제조한 것으로서 비추력과 밀도가 크고 기계적 성질과 연소 속도 조절의 우수성으로 발전된 유도탄에 많이 사용된다. 최근에는 에너지가 더욱 증가된 고에너지 추진제의 연구개발에 박차를 가하고 있으며, 연소속도를 높이기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다.

내열재는 연소실의 평균 압력과 연소 시간 또는 비행 시간 등의 기본 설계 조건을 바탕으로 연소 가스의 특성치와 내열 재료의 열적·기계적 물성치, 외면 제한 조건 등을 고려하여 노즐의 내면 형상을 최대한 유지하고 노즐 구조체의 온도 상승을 일정 수준 이하로 유지하도록 형상을 설계하게 된다. 예측된 삭마량과 숯층 두께를 고려하여 적절한 내열 재료를 선정하고 제작 공정을 설계한다.

구조체는 연소관과 노즐 구조체 및 각종 체결 부품으로 구성된다. 연소관은 고압을 견디어야 하므로 강도 수준이 높은 강을 주로 사용하며, 최근에는 추진기관의 무게를 감소시키기 위하여 복합재를 사용하는 추세이다. 연소실의 최대 작동 압력과 공력 하중을 설계 조건으로 하여 상세한 구조 해석을 통해 무게를 최소화하는 방향으로 최적 설계를 수행하게 된다. 노즐 구조체는 노즐의 내면 형상과 노즐 내열재를 보호하는 역할을 수행하며, 외부온도 조건에 따라 스틸이나 Al 또는 Ti 재료 등을 사용한다.

점화장치는 착화기와 점화기로 구성되는데, 외부에서 착화기로 전달된 전기 신호가 열 에너지로 변환되어 점화기에 충전된 파우더나 점화 알약 또는 추진제에 불을 붙이고 점화기에서 발생된 화염이 연소실의 추진제를 점화시키게 된다. 원하지 않은 전자기적인 신호에 의한 우발 점화를 방지하기 위해서는 점화 안전 장치를 장착한다.

품질보증은 추진기관의 궁극적 목적인 비행 성능을 시험하기 전에 지상에서 여러 가지 성능시험을 통하여 수행하게 된다. 추진기관이 제작되면 지상 연소 시험으로 내탄도 성능을 보증하며, 사용 환경에 대한 적용성을 판단하기 위하여 온도나 진동 시험 등의 환경 시험을 거쳐 지상 연소 시험을 수행한다. 지상 연소 시험으로 획득한 압력과 추력 등의 추진기관 내탄도 성능, 온도 및 변형률 자료를 분석하여 추진기관의 각 부품에 대한 품질을 보증하게 된다