Beyond the Space

작으면 수 톤에서 많게는 수백 톤까지의 추력을 내는 로켓 엔진. 이들은 그 강력한 힘으로 엄청난 무게의 발사체와 인공위성을 우주로 날려보내는데 온 힘을 다합니다. 엔진들은 보통 극한의 상태에서 작동하기 때문에 어지간한 외란이나 진동에도 끄떡 없도록 튼튼하게 만들어야 하지요. 그것을 위해서 오늘도 수 많은 로켓 엔지니어들이 고군분투하며 엔진의 성능 향상과 신뢰성 확보를 위해서 불철주야 여러가지 노력을 다 하고 있습니다.

로켓 엔진을 개발하는데 있어서 위에서 언급한 이유로 여러가지 고려해야할 요소들이 많은데요. (압력에 의한 힘이라던가, 고온/극저온에 의한 영향이라던가, 폭발적인 연소 반응으로 인한 진동이라던가 말입니다.) 그 중에서도 빼놓지 말아야 할 것이 바로 소음에 의한 영향입니다.

'소음? 로켓 엔진에 귀가 달려 있는 것도 아니고, 소리가 엔진에게 무슨 영향을 준단 말이야?'

라는게 일반적인 반응입니다만... 그래도 공학에 대해서 조금이나마 아시는 분들은 고개를 끄덕이시겠지요 ^^; 결론부터 말하자면 이 소리라는 녀석이 좀 과장해서 로켓 엔진과 발사체를 사정없이 흔들어버릴 수 있다는 것입니다.

강력한 출력을 가지는 앰프에서 멋들어진 rock'n roll이 흘러나오고 있다고 합시다. 그 앰프 바로 앞에 서있게 되면 마치 온 몸이 음악과 같이 울리는 듯한 느낌을 받게 됩니다. 심한 경우에는 진짜로 소리만으로 유리컵이나 유리창까지 박살낼 수 있는 지경에 이르게 됩니다. 그 이유는 소리가 공기를 매질로하는 파동이기 때문입니다. 음파는 종파의 특성을 가지기 때문에 공기를 밀었다 당겼다 하면서 스프링 처럼 앞으로 나아가지요. 그렇게 되면 음파의 진행에 따라 공기에는 미세하지만 압력 차이가 발생합니다. 소리가 크면 클 수록 이 압력 변동은 점점 커집니다. 이러한 현상이 어느 물체에 도달했을 때, 그 물체는 압력 변화에 따른 힘을 주기적으로 받게 되고 이것이 곧바로 진동으로 이어지는 겁니다.

이와 똑같은 현상이 로켓 엔진에도 벌어집니다. 로켓 엔진이 작동할 때 발생하는 소리라는 것은 위와 같은 앰프에 비견할 바가 아니지요. 그 소리에 의한 공기 압력 변화가 각종 구조체에 전달되면 연소 반응에 의해서도 격심하게 흔들리고 있을 엔진과 발사체가 소리 때문에 추가적인 힘을 받게 됩니다. 이 힘만 문제가 아니라 진동이 로켓이나 발사체의 고유 진동수와 공진을 일으키면 한층 더 큰 문제가 발생합니다.

사실, 이 소음에 의한 힘은 작은 물체에는 별다른 영향을 주지 못합니다. 소리에 의한 압력 변화라는 것이 어디까지나 '압력'이다 보니 표면적이 작은 물체에게는 작은 힘 밖에 행사하지 못하지요. 따라서 물체가 커지고 표면적이 넓어질 수록 소리에 의한 영향이 심대해지기 시작합니다. 꼭 로켓 엔진 뿐만 아니라 큰 소리가 발생되는 시스템에서는 어디서건 이러한 소리에 의한 힘을 설계에 반영하고 있습니다.
      <ESA ATV Acoustic Test>                         <JAXA MMO Acoustic Test>

다른 분야에서는 어떻게 하고 있는지는 잘 모르겠습니다만, 인공위성이나 로켓 엔진에서는 표면적을 질량으로 나눈 비율이 일정 수치 이상일 경우 소리 하중을 적극적으로 고려하고 있습니다. 로켓 엔진은 중량이 상당하지만 소음의 주 원인인데다가 그 영향을 다이렉트로 받아야 할 녀석이고, 커다란 노즐 덕분에 표면적이 또한 상당하므로 거의 반드시 소음에 의한 힘을 고려해야 하고, 중대형 인공위성에서도 위의 기준에 따라 소리 하중에 대한 영향을 컴퓨터 프로그램으로 분석하고 실제 시험을 해서 설계를 검증하고 있습니다.