2009년 11월 04일
액체 로켓 엔진의 심장 : 터보펌프
그간 로켓 엔진에 관해서 여러 글을 썼지만... 오늘은 한번 가장 기본으로 돌아가 보겠습니다. 사실 인터넷을 뒤지면 다 나올만한 이야기들이긴 하니... 그다지 새로운 정보는 담고 있지 않을 지도..쿨럭;
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액체로켓엔진은 크게 두 가지 추진제 공급 방식을 가지고 있습니다. 첫 번째가 '가압식' 이라는 방식이고 두 번째가 '터보펌프식'이라는 방식인데, (이 두 가지 방식의 기본적인 설명은 저의 옛날 옛적 포스팅을 참조해 주세요.) 오늘 주제로 할 것은 바로 터보펌프식입니다.
로켓 엔진이라는 녀석은 기본적으로 작용 반작용의 원리를 이용하기 때문에 강한 힘을 얻으려면 가능한한 많은 추진제를 빠른 속도로 뿜어내야 합니다. 그런데 실질적으로 개발하게 되면 여러가지 현실적인 문제에 당면하게 되지요. 수도꼭지를 예로 들면, 수도꼭가 크면 클수록 당연히 물은 많이 나오겠지만, 그 큰 수도꼭지를 어떻게 만들 것이며, 무게도 갈수록 무거워집니다. 로켓 엔진과 같이 엄청난 힘을 필요로 하면 크기만 키워서는 그 무게의 증가를 힘의 증가가 따라오지 못하는 경우도 생깁니다.
그야말로 현실의 한계...인 거죠;
그렇다면 똑같은 크기의 수도꼭지에서 한 번에 더 많은 양의 물이 나오게 하려면 어떻게 해야 할까요? 그 방법중 하나가 바로 '수압'을 높이는 것입니다. 수압이 낮으면 졸졸 나오는 물도 높으면 콸콸 쏟아지게 됩니다. 물론 한정없이 수압을 높여버리면 수도꼭지의 재질이 못견디고 터져나가겠지만 적당한 수준까지 높이는 것은 큰 수도꼭지를 만드는 것 보다는 효율적인 작업입니다. 수압을 높이려면 당연히 '펌프'가 필요하겠죠? 똑같이, 로켓 엔진에도 펌프가 필요합니다. 그 펌프를 바로 '터보펌프'라고 부르는 거죠.
이 터보펌프의 내부는 상당히 복잡하지만, 그래도 간단히 설명을 하면 길다란 축에 커다란 블레이드들이 달려있는 형태입니다. 무슨소리냐구요? 선풍기 말이에요. 날이 더 촘촘하고 강하고 큰 선풍기가 터보펌프에 들어있다고 생각하시면 대강 비슷합니다. 정확하지 않은 비유이지만, 선풍기도 뒤쪽에 손을 대보면 공기 흐름이 별로 안느껴 지지만 앞쪽에서는 시원한 바람이 나오지요? 그런 식으로 추진제의 압력을 높이는 겁니다. ) 대략 개념은 아래의 움직이는 그림을 보고 참고하시면 되겠습니다. 위의 30톤급 터보펌프 사진에서는 금속 빛깔이 찬란한 위쪽 부분이 바로 펌프입니다. (아래쪽은 뭐냐구요? 잠깐만 기다려 주세요 ^^;)
(출처 : http://en.wikipedia.org/wiki/File:Axial_compressor.gif)
그렇다면 선풍기는 선풍기 날을 전기 모터가 돌려주는데 터보펌프는 뭘 가지고 돌아가는 걸까요? 그 크고 아름다운...(응?)녀석이 전기의 힘으로 돌아가기는 힘들어 보입니다. 그래서 터보펌프에 '터빈(Turbine)'이라는 녀석이 함께 달려있지요. 이 터빈은 선풍기의 모터 역할을 해줍니다. 생긴 것은 펌프의 날과 비슷해서 고온 고압으로 쏴지는 가스를 받아서 그 힘으로 돌아가게 되지요. 이렇게 터빈이 돌아가면서 터빈 중앙에 달려있는 축이 회전하게 되고 거기에 다시 연결되어 있는 터보펌프의 날들이 회전하는 구조입니다. 아래 그림 처럼 말이지요. 저 위의 30톤급 터보펌프 사진에서는 거무죽죽한 아랫부분이 되겠습니다.
<일본 H-II 발사체에 탑재되는 LE-7A 엔진의 터보펌프 형상>
(출처 : http://www.rocket.jaxa.jp/kspc/english/tf/kpc-hats/turbopump_b.jpg)
터보펌프는 수 만 rpm으로 고속회전하면서 수 기압의 압력을 가진 추진제를 수 백 기압까지 뻥튀기해서 내놓습니다. 사람으로 치자면 혈액을 펌프질하는 심장과도 같은 존재이지요. 사람의 심장이 아주 민감한 부분인 것 처럼 로켓 엔진의 터보펌프도 굉장히 민감한 구성품입니다. 말했던 것 처럼 고속 회전을 하는 부분과 액체 산소등으로 인한 극저온에서부터 터빈 부의 고온의 가스로 인한 수 백도 이상의 고온 환경까지, 액체 로켓 엔진에서 가장 극한 조건의 인기를 한 몸에 받고 있는 녀석이에요. 거기에다가 한 번 쓰면 버리는 일용직...(퍽) (아, SSME는 제외합니다.) 여러가지로 비운의 녀석인 것 같습니다.
아무튼 오늘도 지구 어디선가 수 분에 불과한 자신의 생명을 하얗게 불태우고 사라지는 터보펌프를 애도합시...<<응?
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액체로켓엔진은 크게 두 가지 추진제 공급 방식을 가지고 있습니다. 첫 번째가 '가압식' 이라는 방식이고 두 번째가 '터보펌프식'이라는 방식인데, (이 두 가지 방식의 기본적인 설명은 저의 옛날 옛적 포스팅을 참조해 주세요.) 오늘 주제로 할 것은 바로 터보펌프식입니다.
로켓 엔진이라는 녀석은 기본적으로 작용 반작용의 원리를 이용하기 때문에 강한 힘을 얻으려면 가능한한 많은 추진제를 빠른 속도로 뿜어내야 합니다. 그런데 실질적으로 개발하게 되면 여러가지 현실적인 문제에 당면하게 되지요. 수도꼭지를 예로 들면, 수도꼭가 크면 클수록 당연히 물은 많이 나오겠지만, 그 큰 수도꼭지를 어떻게 만들 것이며, 무게도 갈수록 무거워집니다. 로켓 엔진과 같이 엄청난 힘을 필요로 하면 크기만 키워서는 그 무게의 증가를 힘의 증가가 따라오지 못하는 경우도 생깁니다.
그렇다면 똑같은 크기의 수도꼭지에서 한 번에 더 많은 양의 물이 나오게 하려면 어떻게 해야 할까요? 그 방법중 하나가 바로 '수압'을 높이는 것입니다. 수압이 낮으면 졸졸 나오는 물도 높으면 콸콸 쏟아지게 됩니다. 물론 한정없이 수압을 높여버리면 수도꼭지의 재질이 못견디고 터져나가겠지만 적당한 수준까지 높이는 것은 큰 수도꼭지를 만드는 것 보다는 효율적인 작업입니다. 수압을 높이려면 당연히 '펌프'가 필요하겠죠? 똑같이, 로켓 엔진에도 펌프가 필요합니다. 그 펌프를 바로 '터보펌프'라고 부르는 거죠.
이 터보펌프의 내부는 상당히 복잡하지만, 그래도 간단히 설명을 하면 길다란 축에 커다란 블레이드들이 달려있는 형태입니다. 무슨소리냐구요? 선풍기 말이에요. 날이 더 촘촘하고 강하고 큰 선풍기가 터보펌프에 들어있다고 생각하시면 대강 비슷합니다. 정확하지 않은 비유이지만, 선풍기도 뒤쪽에 손을 대보면 공기 흐름이 별로 안느껴 지지만 앞쪽에서는 시원한 바람이 나오지요? 그런 식으로 추진제의 압력을 높이는 겁니다. ) 대략 개념은 아래의 움직이는 그림을 보고 참고하시면 되겠습니다. 위의 30톤급 터보펌프 사진에서는 금속 빛깔이 찬란한 위쪽 부분이 바로 펌프입니다. (아래쪽은 뭐냐구요? 잠깐만 기다려 주세요 ^^;)
(출처 : http://www.rocket.jaxa.jp/kspc/english/tf/kpc-hats/turbopump_b.jpg)
터보펌프는 수 만 rpm으로 고속회전하면서 수 기압의 압력을 가진 추진제를 수 백 기압까지 뻥튀기해서 내놓습니다. 사람으로 치자면 혈액을 펌프질하는 심장과도 같은 존재이지요. 사람의 심장이 아주 민감한 부분인 것 처럼 로켓 엔진의 터보펌프도 굉장히 민감한 구성품입니다. 말했던 것 처럼 고속 회전을 하는 부분과 액체 산소등으로 인한 극저온에서부터 터빈 부의 고온의 가스로 인한 수 백도 이상의 고온 환경까지, 액체 로켓 엔진에서 가장 극한 조건의 인기를 한 몸에 받고 있는 녀석이에요. 거기에다가 한 번 쓰면 버리는 일용직...(퍽) (아, SSME는 제외합니다.) 여러가지로 비운의 녀석인 것 같습니다.
아무튼 오늘도 지구 어디선가 수 분에 불과한 자신의 생명을 하얗게 불태우고 사라지는 터보펌프를 애도합시...<<응?
# by | 2009/11/04 13:12 | 우주 저 너머로 | 트랙백 | 덧글(14)
