Aerospike 엔진이 로켓과 우주 비행의 미래인 이유

혁신적인 로켓 엔진은 우리가 알고 있는 우주 비행에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

로켓은 20세기에 도입된 이래로 거의 변하지 않았습니다. 1969년 아폴로 11호부터 2018년 시작된 SpaceX Falcon Heavy 임무까지 두 가지 모두 종 모양 노즐이 달린 로켓에 의해 추진되었습니다. 따라서 이 디자인은 검증된 것일 뿐만 아니라 지구 궤도 밖으로 우주선을 던질 수 있을 만큼 튼튼합니다. 하지만 더 좋은 방법이 있다면 어떨까요?

에어로스파이크 로켓 엔진 뒤에 있는 사람들은 확실히 그렇게 믿습니다. 이 상대적으로 혁신적인 개념은 비효율적이고 비싸며 무거웠던 초기 종 모양 노즐 로켓의 단점을 활용할 것을 약속합니다. 엔지니어들은 1950년대부터 에어로스파이크 엔진 개념을 연구해 왔지만 2000년대 초반 NASA의 프로젝트 X-33에 대한 관심이 다시 높아졌습니다. 실제로 올해 독일군은 최근 새로운 선형 에어로스파이크 로켓 엔진을 테스트하는 소규모 스타트업인 Polaris와 계약을 체결했습니다.

시작하기 전에 기존 로켓의 기능과 에어로스파이크가 어떻게 다음 단계로 발전할 수 있는지에 대해 이야기해 보겠습니다. 아직 명확하지 않은 경우 모든 로켓은 뜨거운 배기 가스를 가속하여 추력을 생성하는 특정 유형의 노즐을 사용해야 합니다. 노즐 자체는 뜨거운 가스가 흐를 수 있는 특별한 모양의 튜브일 뿐입니다.

모든 로켓은 뉴턴의 제3운동법칙에 따라 작동합니다.

위 사진은 우주 왕복선 디스커버리호에 있는 기존의 종 모양 로켓 노즐(수렴-발산 노즐이라고도 함)입니다. 이름에서 알 수 있듯이 노즐은 핀치 지점까지 수렴하고 출구쪽으로 갈라지고 확장됩니다. 수렴점(노즐의 목이라고도 함)의 크기를 변경하여 로켓이 생성하는 추력의 양을 조정할 수 있습니다. 이 설계는 다양한 고도에서 다양한 수준의 성능을 제공하므로 이 프로세스는 매우 중요합니다.

이는 우주선이 상승함에 따라 연소 사이클 동안 최적의 성능을 생성하기 위해 노즐 목의 크기를 선택해야 함을 의미합니다. "기본적으로 가장 좋은 작동 고도를 선택합니다. 그리고 높은 고도에 도달하면 가능한 모든 추진력을 얻지 못하기 때문에 효율성이 감소한다는 것을 깨닫게 됩니다."라고 기계 및 항공우주 공학 교수인 Stephen Whitmore는 말합니다. 유타 주립대학교에서. 엔지니어가 노즐의 목 부분 크기에 대해 계산된 절충안을 만들도록 강요하는 것은 벨 노즐 설계의 눈에 띄는 단점입니다.

벨 노즐은 실제로 지구 표면 근처에 있는 것보다 우주에서 더 효율적입니다. 이는 대기 내의 기압이 특정 로켓이 생성하는 추력을 억제하기 때문입니다. 즉, 로켓이 지구보다 우주에서 더 많은 추력을 생성한다는 의미입니다.

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에어로스파이크 엔진, 특히 원뿔형 에어로스파이크는 기존 로켓과 매우 유사해 보이며 열에너지를 운동 에너지로 교환한다는 동일한 원리를 사용하여 작동합니다. 위의 단면에서 에어로스파이크는 벨 노즐의 분기 부분이 있는 내부에 맞는 스파이크 모양의 섹션을 사용하는 것을 볼 수 있습니다. "이 고정된 경계를 자유 경계로 대체합니다. 종 모양이 외부 경계가 되는 대신에 밀어붙이는 내부 경계입니다."라고 Whitmore는 말합니다.

선형 에어로스파이크 엔진도 본 적이 있을 것입니다. 이는 본질적으로 펼쳐져 편평하게 펴진 원뿔형 에어로스파이크입니다. 이 구성은 우주선의 평평한 모양에 더 적합했기 때문에 프로젝트 X-33에 사용되었습니다. "X-33의 선형 에어로스파이크는 기본적으로 x-33의 베이스 모양에 따라 만들어졌습니다."라고 Whitmore는 말합니다.

평범하고 단순한 이 제품은 본질적으로 위아래가 뒤집어진 벨 노즐입니다. 이는 에어로스파이크 노즐이 벨 노즐보다 작게 포장될 수 있을 뿐만 아니라 훨씬 더 효과적으로 고도를 보상할 수 있음을 의미합니다. 이는 로켓이 지구 대기의 바깥 가장자리로 발사되는 동안 성능 저하를 상당히 감소시킵니다.