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연소가스와 동력[편집]

燃燒 gas-動力

열을 기계적 에너지, 즉 동력으로 변환하기 위해서 "기체는 체적을 일정하게 하여 열을 가하면 일반적으로 압력이 커진다"라는 물리법칙을 응용하고, 열에 의하여 기체를 고압으로 하고 이것이 팽창할 때의 일을 이용한다. 열에 의해 고온·고압의 기체를 얻는 방법으로서는 ① 기체(공기) 속에 연료를 분사(噴射)하고 연소시키거나 또는 화약류를 폭발시키는 방법, ② 외부에서 열을 발생시켜 열교환기(熱交換器)를 사이에 넣어 공기나 물을 간접적으로 가열시키는 방법이 있다. 전자를 이용하여 일을 얻는 기관(엔진)이 내연기관(內燃機關)이고, 후자에 속하는 기관이 외연기관이다(증기터빈은 보일러나 원자로에서 발생한 열을 간접적으로 이용하므로 외연기관에 속한다). 여기서는 내연기관에 대해서 설명한다. 내연기관을 구조적으로 분류하면 피스톤기관·가스터빈기관·로켓기관의 셋으로 대별된다.

피스톤기관[편집]

4사이클기관과 2사이클기관[편집]

4cycle 機關-2cycle 機關  피스톤기관은 연소가스의 팽창력으로 피스톤을 실린더 내에서 왕복운동시켜, 이것을 크랭크기구(機構)로 회전력화(回轉力化)하는 것이다(〔그림〕-3). 크랭크축의 회전과 가스의 흡입(吸入)·압축·팽창·배기 관계에서 4사이클기관과 2사이클기관으로 분류된다. 4사이클기관은 〔그림〕-4처럼 크랭크축의 2회전, 즉 4행정 사이에 ① 흡입, ② 압축, ③ 팽창, ④ 배기의 사이클을 행한다. 2사이클기관은 〔그림〕-5처럼 크랭크축의 1회전, 즉 2행정 사이에 ① 팽창·배기·흡입과 ② 압축의 사이클을 행한다. 단 배기와 흡입은 피스톤이 하강하고 있는 팽창행정(膨脹行程)의 끝에서부터 상승행정의 시작까지 걸쳐서 행해진다. 또 연소실에 흡입되는 연료와 공기의 혼합기체는 미리 압축과정의 끝에서 크랭크실로 흡입되고 있다. 이들 2개의 기관의 특징은 〔표〕-1과 같다.

 


〔표〕-1  4사이클기관과 2사이클기관의

비교


 


4사이클기관

(④로

약기)


2사이클기관

(②로

약기)


이유 또는 결과


폭발횟수


2회전에 1회.


1회전에 1회.


동일 치수 기관에서 ②는 ④의 2배의 마력을

낼 수 있음.


회전의 균일성


작다.


크다.


②의 플라이 휠은 ④보다 가벼워도 됨.


밸    브


흡기판·배기판이 필요.


불요.


따라서 ②의 구조가 ④보다 간단.


혼합기(混合氣)의 압축


크다.


작다.


폭발력은 ④가 ②보다 큼.


동일 마력에 대한 연료 소비


작다.


크다.


②에서는 배기 때 흡기한 혼합기의 일부가

빠져나감.


평균가스온도


작다.


크다.


②는 ④보다 냉각손실·열응력(熱應力)이 늘어

윤활이 곤란.



 

사이클[편집]

cycle

기관 내에서 작동하는 기체가 규칙적으로 반복되는 상태변화. 또 피스톤의 왕(往)과 복(復)을 각각 1행정이라고 하며, 기체의 상태변화 1사이클을 피스톤 1왕복(2행정)으로 행하는 것이 2행정사이클기관, 생략해서 2사이클기관이라 한다.

냉각방식[편집]

(冷却方式)    실린더 내에서 연료가 폭발연소하여 생기는 온도는 매우 높으며, 실린더벽이 불에 타고 윤활유의 분과조폭발(過早爆發)을 일으키므로 실린더벽을 식힐 필요가 있다. 이 냉각법에는 수냉식과 공냉식이 있다(〔표〕-2). 수냉식(水冷式)에서는 냉각수를 펌프로 순환케 하고 실린더 둘레로 흐르게 함으로써 열을 빼앗아, 이 온수를 라디에이터(放熱器)로 보내고, 외기로 식혀서 다시금 실린더 둘레로 보낸다.공냉식에서는 실린더 둘레에 직접 외기(外氣)가 닿게 함으로써 실린더에 붙어 있는 핀(fin)의 열을 냉각시킨다. 결국 수냉식·공냉식을 막론하고 공기(외기)에 의하여 열이 반출되어 나간다.


 


〔표〕-2  수냉식과 공냉식의 비교


수 냉 식


공 냉 식


물이 필요.


물이 불필요.


중량이 큼.


중량이 작음.


냉각의 정도가 큼.


냉각의 정도가 작음.


냉각수를 순환시키는 펌프가 필요.


냉각수 순환 펌프는 불필요.


냉각 핀은 불필요하나 라디에이터를 갖고 있음.


실린더 바깥쪽에 특별히 냉각핀이 필요.

점화방식[편집]

(  點火方式)    연료와 공기의 혼합기체에 착화시키는 데는 4사이클기관·2사이클기관을 불문하고 스파크점화방식과 압축점화방식의 2방식이 있다.스파크점화방식에서는 기화기(氣化器)에서 보내는 혼합기체 중에서 스파크플러그에 의해서 전기불꽃을 튀게 해서 점화한다. 압축점화방식의 대표적인 예는 디젤기관인데, 이 기관에서는 미리 공기를 고온이 될 때까지 압축하고 거기에 적당량의 연료를 분사해서 자연히 점화 연소시킨다. 핫벌브 엔진(hot bulb engine) 등에서는 고온의 벽면에 연료를 뿜어 점화하는데, 이것도 일종의 압축점화 방식이다.
 


〔표〕-3  스파크점화기관과 압축점화기관의

비교


 


스파크점화기관


압축점화기관


압 축 비


한도가 있다.


크다.


열 효 율


너무 높일 수 없다.


높다.


과 급(過給)


한도가 있다.


유효(출력이 50∼100% 증가함).


전기점화회로


필요.


불필요.


중 량


경량(輕量)소형으로 할 수 있다.


단위마력당 커진다.


대 형 화


한도가 있다.


가능하다.


기 타


고속회전이 쉽게 얻어진다.


저급연료를 쓸 수 있다.

진동이

심하다.


용 도


자동차·오토바이·항공기 (가솔린기관)·농업기계·기타(가솔린기관·석유기관).


선박용(대형 2사이클·중형디젤기관·핫벌브엔진)·발전용·철도차량이나

차동차(고속 디젤기관)·농업기계·건설기계 등.

연료[편집]

燃料

피스톤기관의 연료에는 가솔린·LPG(액화석유가스:liquefied petroleum gas)·중유(重油)·경유(輕油)·혼합유(경유에 소량의 윤활유를 섞은 것)가 쓰인다. 중유와 경유는 디젤기관에 쓰이며, 혼합유는 특히 배기량이 수십에서 수백cc급의 소형 2사이클기관에 쓰인다.

피스톤기관의 예[편집]

piston 機關-例

자동차용 4사이클기관 같은 것은 중형(中型)승용차에 많이 쓰인다.

가솔린은 흡입행정(吸入行政)에서 피스톤이 상승할 때의 흡인력에 의하여 기화기(氣化器)에서 안개 모양 또는 기체상(機體狀)으로 되고 공기와 혼합되어서 연소실로 들어간다. 기관의 작동(作動)상태나 부하상태에 따라서 가솔린과 공기의 혼합비율을 초크(choke)로, 다시금 혼합기체의 양이 가장 알맞게 되게 가속장치(加速裝置:accelator)로서 조정할 수 있도록 되어 있다. 배기가스는 소음기(消音器)를 통하여 대기로 방출된다. 배기가스에는 일산화탄소·이산화유황 등의 유해가스가 포함되어 있으므로, 이것들을 되도록 적게 하기 위해 최근 여러 가지로 개선방법이 연구되고 있다.

흡입판(吸入瓣)과 배기판은 4행정 중에서 각각 흡입과 배기 때에만 1회 열린다. 이 조작은 캠축에 달린 캠에 의하여 행해진다. 캠축은 치차에 의하여 크랭크축과 연결되며, 회전이 크랭크축의 절반이 되도록 돼 있다. 점화시간도 똑같은 방법으로 조절한다.

냉각은 수냉식으로서 기관 전면(前面)의 라디에이터에서 냉각된 물을 펌프로 연소실이라든가 실린더의 재키트에 보내어 흡열하고, 다시금 라디에이터로 되돌려보냄으로써 냉각시킨다. 라디에이터 뒤에 있는 팬에 의하여 바깥 냉기를 라디에이터를 통해서 빨아들이고 냉각수와 열교환을 하게 되어 있다.

또 크랭크케이스에 괴어 있는 윤활유를 기관 각부의 마찰부로 보내어 윤활한다.

일반적으로 압축점화기관에서는 고압의 연소실로 연료를 분사하여, 공기와 연료의 접촉을 좋게 하는 방법이 문제이며, 직접분사식 외에 와류실식(渦流室式) 등이 쓰인다(〔그림〕-6). 또 기관에서 배기로 터빈을 돌리고, 송풍기를 움직임으로써 연소실로 공급하는 공기량을 늘려서 출력을 올리는 배기터빈 과급법(過給法) 등의 과급방식(〔그림〕-2)도 일반화해서, 선박용 대형 2사이클기관에서는 4만 마력이 넘는 출력을 하는 것도 생겼다.

피스톤기관의 기본성능[편집]

piston機關-基本性能

열을 이용하는 기관에서는 연료의 연소로 발생한 열량의 전부가 이용되지 않고 일부는 손실된다. 이 손실은 냉각수(冷却水) 혹은 냉각공기 등에 의해 빼앗기는 냉각손실, 배기가스가 가지고 가는 배기손실, 기계적 마찰 등에 의한 기계손실로 나눠진다. 이들 손실은 기관의 크기·운전조건·종류에 따라 서로 다른 값(値)을 갖지만, 대략 〔그림〕-7과 같이 된다. 기관축(機關軸)의 일(진정일)의 비율, 즉 열효율은 일반적으로 압축점화기관쪽이 스파크점화기관에 비해서 높다.

피스톤기관의 성능을 보다 더 구체적으로 나타내는 양(量)으로서 다음과 같은 양이 있다.

진정연료소비율(眞正燃料消費率):단위의 진정마력을 단위시간으로 나눠서 얻기 위하여 소비하는 연료.

진정평균유효압(眞正平均有效壓):행정체적(피스톤이 1행정에 지나가는 실린더 체적)으로 진정일을 끝낸 수치. 이 수치가 클수록 출력이 크다.

공기과잉률(空氣過剩率):실제로 연소실에서 소비되는 공기량을 이론공기소비량(연료를 연소시키는 데 필요한 최소 공기량)으로 나눈 값.

스파크점화기관·압축점화기관 모두가 공기과잉률을 증대함에 따라 연료소비율은 처음에는 줄어들지만, 나중에는 다시 증대한다. 이것은 공기과잉률을 증가시킴에 따라서 진정평균유효압이 감소되고, 피스톤에 대한 마력이 줄어드는 데도 불구하고 기계손실이 거의 변함없기 때문이다.

상사점(上死點)과 하사점에서의 실린더 용적의 비(압축비)를 높이면 기계손실은 커지지만 마력이나 연료 소비의 성능은 향상한다. 거기에서 압축비를 스파크점화기관에서는 4∼8, 압축점화기관에서는 12∼18 정도로 취하고 있다. 그 밖에 자동차의 설계명세서 등에는 다음과 같은 양이 제시되고 있다.

총배기량(總排氣量):피스톤이 하사점에 왔을 때의 실린더 용적의 총계. cc(㎤) 또는 ℓ(리터)로 나타낸다.

운행연비(運行燃費):바람이 불지 않는 날에 평탄한 장소를 경제속도(經濟速度)로 달렸을 때의 단위 연료당의 운행거리.

로터리 엔진[편집]

rotary engine

피스톤의 왕복운동을 회전운동으로 바꾸는 대신에 연소가스의 폭발에 의해 피스톤을 직접 회전시키는 기관으로서(왕복동피스톤 엔진과는 달리 로터리 피스톤 엔진이라고도 함), 실용화되고 있는 것은 반켈(독일)이 1959년에 발명한 것이다.

왕복운동기관의 실린더에 해당하는 로터하우징(rotorhousing)의 내면은 단면이 에피트로코이드(epytrochoid)곡선이라고 불리는 형상을 하고 있다. 이 가운데에 피스톤에 해당하는 3각형 모양의 로터(rotor)가 있으며, 로터와 하우징벽 사이에 3개의 공간이 구성되었고, 이들 공간은 로터의 회전에 따라서 회전방향으로 주기적으로 용적을 변화시키면서 회전한다.

흡기공(吸氣孔)·배기공(排氣孔)·스파크플러그를 갖는다(밸브는 없다). 흡입·압축·폭발팽창·배기의 4행정을 독립하여 순차로 행한다. 로터가 1회전하는 동안에 각 행정이 3회씩 행해지며, 이 동안에 중심의 동력축은 3회전하게 돼 있으므로 동력축의 1회전에 대해 1회의 폭발 팽창행정이 있게 된다. 그러므로 로터리 엔진은 왕복기관의 2사이클기관에 해당한다고도 할 수 있다.

로터리 엔진의 역사는 아직 깊지 못하며, 특히 가스가 새는 것을 막기 위한 로터 정부(頂部)와 하우징과의 기밀(氣密) 유지에 커다란 노력이 기울어졌다. 또 연소가 하우징의 한쪽편에서만 행해지기 때문에 열응력(熱應力)의 불균형이 파생되므로 냉각·윤활 등의 문제도 중요하다.

가스 터빈과 제트 엔진[편집]

가스 터빈의 작동원리[편집]

gas turbine-作動原理

증기터빈과 작동원리는 같으며, 다만 증기 대신에 공기의 압축·가열 등에 의해서 생긴 고온·고압의 기체(여기에서는 수증기와 달라서 작동 중에 액화하지 않는 기체를 뜻함)를 작동유체로서 사용하는 점만이 다르다.

가스터빈에는 압축기가 쓰인다(증기터빈의 경우는 수증기가 압축된 물이 자연히 생기므로 압축기는 필요치 않다). 가스터빈에 압축기가 쓰이는 까닭은, 대량의 공기를 빨아들이고 동시에 압축에 의하여 흘러들어오는 기체의 단위 시간당 에너지 밀도를 높여 기관의 크기에 비해서 출력을 크게 하기 위한 것이다.

압축된 기체에 열에너지를 가해서 다시 고온·고압으로 하는 방법에는 내연식(內燃式)과 외연식의 2종류가 있다. 내연식 가스터빈에서는 압축기에서 보내져 온 작동유체(공기) 속에서 연료를 연소시킨다. 외연식 가스터빈에서는 작동유체는 밖에 있는 열원(熱源)에 따라 전열벽(傳熱壁)을 사이에 두고 가열된다(가스터빈은 보통 내연식이 많으므로 내연기관에 넣고 있다).

이렇게 해서 얻은 에너지 밀도가 높은 기체를 터빈에 작용시켜 기계적 일을 얻는 것인데, 이 때의 작동기체의 흐름으로부터 가스터빈은 개방(開放) 사이클형식과 밀폐(密閉) 사이클형식으로 나눠진다. 전자에서는 작동기체가 터빈에서 작용한 뒤에 대기 속으로 배출되며, 별도의 새로운 공기를 흡입한다. 후자에서는 터빈에서 작용한 뒤의 기체를 라디에이터에서 식히고, 다시 압축기로 보내서 순환시키고 있다. 따라서 밀폐 사이클형식에서는 외연식 가열법을 취하여야 한다. 또 에너지의 흐름에 대해서도 기계적 에너지로 변환된 나머지의 에너지를 배기와 함께 대기 속으로 방출하는 방법(개방사이클)과 라디에이터를 사이에 두고 대기중으로 방출하는 방법(밀폐사이클)이 있다. 따라서 가스터빈의 기본형식으로서는 〔그림〕-8에 보이는 3개의 방법이 있다.

가스터빈기관의 터빈구조·작동은 증기터빈과 비슷하며 반동식(反動式)과 충동식(衝動式)이 있다. 또 압축기에는 원심식(遠心式)과 축류식(軸流式)이 있다. 터빈에서 발생된 출력의 일부는 압축기에 쓰이고, 나머지가 유효출력이 된다. 보통 터빈의 회전력, 즉 축출력(軸出力)으로서 이것을 빼내며 발전기와 차량·프로펠러 등을 구동(驅動)시킨다.

가스 터빈의 특징[편집]

gas turbine-特徵

가스 터빈은 소형이긴 하지만 대량의 공기를 연속적으로 흘려보내 가열하기 위해서도, 또 기체의 유로(流路)를 크게 하고 유체역학적 손실을 작게 하기 위해서도 대출력기관이 된다. 출력 범위도 넓으며, 내연 개방사이클형식에서는 수십마력으로부터 수만마력, 밀폐사이클형식에서는 그 이상의 출력을 하는 것도 있다.

일반적으로 가스터빈은 고속회전(매분 1만회전 이상)하므로, 저속회전으로 움직이게 하기 위해서는 감속치차 장치를 필요로 한다. 소음이 큰 것이 결점이다.

가스터빈의 연료는 일반적으로 피스톤기관에 비하여 저급(低級)이라도 무방하다. 외연식으로 하면 미분탄(微粉炭)이라도 좋으며, 원자력을 이용할 수도 있다. 작동유체(作動流體)는 밀폐 사이클형식으로 하면 공기 이외의 기체라도 좋으며, 압력레벨도 자유로이 선택할 수 있다.

또 증기터빈에 비하여 시동(始動)·정지를 신속히 할 수 있다. 그러므로 선박용·긴급발전용 등으로 쓰이며, 자동차용으로도 연구되고 있다.

가스터빈에서는 사이클의 각 과정을 각각 독립된 기기(機器)로 행하고 있다. 그러므로 사용 목적에 따라서 이것들을 적당히 조롭할 수 있는 자재성(自在性)이 있다. 그러나 이들 기기를 관(管)으로 연결하며 각 기기를 각각 효율좋게 작용하게 하는 이른바 정합(整合)기술이 중요하게 된다.

터빈은 고온의 기류 속에서 고속 회전하므로 원심력·열응력에 대한 터빈날개의 강도(强度)가 설계상에서 문제가 된다. 또 연소가스 중의 유황이나 바나듐화합물 등에 의한 부식(腐蝕)에 대처하기 위한 재료의 문제도 있다.

항공기용 가스 터빈(제트 엔진)[편집]

航空機用 gas turbine(jet- engine)

제트엔진은 압축 가열된 기체의 에너지를 축출력(軸出力) 형태로서가 아니고 주로 분류(噴流)의 운동에너지로 변환한다. 이것을 직접 추진력(推進力)으로서 이용하는 것으로서, 주로 항공기의 추진에 쓰인다. 따라서 제트엔진은 개방 사이클형식을 취하고, 이것을 사용하고 있는 항공기의 비행은 밖에서부터 공기를 빨아들이기 때문에 필연적으로 대기권(大氣圈) 내에 한정된다.

공기를 대량으로 흡입 압축하는 방법에는, 육상의 가스 터빈처럼 터빈으로 압축기를 구동하는 것과 비행에 의한 풍압(램압)에 의하여 행하는 것이 있다. 현재 항공기에 쓰이고 있는 가스터빈(제트엔진)에는 다음과 같은 4종류의 것이 있다(〔그림〕-10).

터보제트[편집]

turbo-jet

항공기에 대부분 쓰이는 형식이며, 터빈은 압축기의 구동용으로만 쓰이고 분류 추진(分流推進)만으로 추진력을 발생하고 있다. 마하수 2 이상인 것도 있다.

터보프롭[편집]

turboprop

배기의 분류추진과 터빈의 유효출력에 구동된 프로펠러 추진을 병용한 것. 마하수 0.6∼0.7 정도.

덕티드 팬 제트[편집]

ducted fan jet

터보프롭의 프로펠러(propeller)를 짧게 하고 팬으로 작용하게 하여 엔진 주위에 마련된 덕티드 속에 넣는 것으로서 흡입 공기가 둘로 갈라지며, 하나는 터빈(turbine)을 통과하지 않고 직접 대기로 분출된다. 이 때문에 '바이패스 터보제트(by­pass turbojet)' 또는 '터보 팬(turbo fan)'이라고도 불린다. 마하수는 1 이상도 가능하나, 0.7∼1.0 정도가 좋은 듯하다.

램제트[편집]

ram­jet

구조적으로 가동부분(可動部分)이 없으며, 간단하지만 저속에서는 램압이 낮고 추진력도 낮으므로 이륙(離陸)할 때에는 로켓 등의 보조기관을 사용해야 한다. 고속비행 성능은 다른 제트 엔진보다 우수하며, 마하수는 3∼5 정도이다.

로켓[편집]

로켓엔진[편집]

rocket engine

제트엔진과 동일하게 연소실에서 생성된 고온·고압의 기체를 고속도로 뒤쪽으로 분출케 하여, 그 반작용으로써 추진력을 얻는 것이다. 제트엔진에서는 연료의 연소에 필요한 산소를 외계의 공기에서 얻고 있는 것과는 달리, 로켓은 이것을 엔진 속에 저장을 하고 있으므로 대기권 밖의 운행에는 전적(全的)으로 로켓이 쓰인다.

고체로켓과 액체로켓[편집]

固體 rocket-液體 rocket

로켓은 현재까지로 봐서는 연소화학 반응을 추력발생원(推力發生源)으로 하는 화학로켓이 주(主)이며, 추진약의 상태에 따라 다음의 셋으로 나눠진다.

고체로켓[편집]

( 固體 rocket)    고체추진약(〔표〕-4)을 사용한다. 연소실은 동시에 추진약의 창고이기도 하므로 구조가 간단하게 된다(〔그림〕-11). 연소가 균일하고 신속하게 전해지도록 추진약 내부에 적당한 형상의 공동(空洞)을 만들어 둔다. 공동의 형태는 연소가 진행되더라도 연소면적이 거의 달라지지 않도록 설계한다. 내부 온도는 2,500∼3,000℃, 압력은 40∼50기압으로 된다.

 


〔표〕-4  고체추진약의 보기


`


더 블 베 이 스 형


콤  포  지  트  형


연료성분과 산화성분이 균질하게 결합되어

있다.


산화제를 연료로 반죽하여 굳게 한다.


니트로셀룰로스 52%

 니트로글리세린 43%

 기타

          5%


산화제(75∼85%) 과염소산 또는 질산의 암모늄(또는 칼륨, 나트륨) 염.

연료(10∼20%) 폴리설파이드·폴리부타디엔·폴리우레탄 등의 수지·아스팔트 등.

기타(5%).


 

액체로켓[편집]

( 液體 rocket)    추진약은 액체이며, 로켓모터(연소실·노즐·분사장치·냉각장치), 추진약의 탱크와 공급장치, 제어장치 등으로 구성된다.보통 연료와 산화제(酸化劑)를 각각 별개의 탱크에 저장해 두었다가, 펌프 또는 가스의 압력에 의하여 고압의 연소실로 강제적으로 보내어서 연소시키다. 각종 제어장치(조압기나 밸브류)에서 필요에 따라 추진약의 공급을 조절하고, 이로써 추진력(推進力)을 제어한다. 그 때문에 고체로켓에 비해서 구조는 복잡하게 된다(〔그림〕-14).가스가압식(gas 加壓式)은 구조가 간단하고 경량(輕量)이지만 일반적으로 가스압력이 낮고 지속시간이 짧으므로 추진약의 유량이 제한되며, 큰 추진력은 내지 못한다. 또 추진약 용기를 내압(耐壓)적인 것으로 하지 않으면 안 된다. 대형로켓은 대부분 펌프가압식을 채용하고 있다. 펌프는 다른 계통의 가스 발생 장치로부터 분출되는 가스에 의해서 터빈을 돌려서 구동한다.연료와 산화제로는 〔표〕-5와 같은 것이 있다. 특별한 경우로서, 연료와 산화제의 양쪽 성질을 가진 단일한 추진약(예컨대 과산화수소 H2O2)을 촉매 등으로 분해하고 연소시키는 방법이 있다. 구조는 간단하나 추진력이 작고, 주기관(主機關)으로서는 적당치 않으며 보조제어용이라든가 가스발생용 등으로 쓰인다.

 


〔표〕-5  액체추진약의 보기 


연      료


산      화      제


케로신

알코올

히드라진 N2H4

비대칭(非對稱)디메틸히드라진

(UDMH)

액체수소


액체산소(LOX)

질산

사이산화질소 N2O4

액체 플루오르

 

과산화수소

H2O2

혼합로켓[편집]

混合 rocket

하이브리드엔진(hybrid engine)이라고도 한다. 고체추진약에다 액체의 산화제(과산화수소·액체산소 등)를 부어넣어서 연소시킨다. 고체만에 의한 것보다 성능이 좋고 또 제어될 수 있다.

노즐[편집]

nozzle

연소실에서 발생한 가스의 열에너지를 운동에너지로 유효하게 바꾸는 것이 노즐이다. 가스의 흐름은 노즐의 출구(出口)를 좁힐수록 빨라지지만, 이 방법으로는 음속 이상으로 되지 않는다. 초음속(일반적으로 2,000∼3,000m/sec 정도)으로 하기 위해서는 일단 좁아진 노즐 통로를 다시 넓힌 형태로 한다. 이 같은 깔때기 형태의 노즐을, 이 이론을 전개한 드 라발의 이름을 따서 드 라발관이라 한다.

끝의 넓어지는 부분의 형상(벌리는 각도나 길이)은 로켓의 성능에 결정적인 영향을 준다. 열손실이라든가 마찰손실·와류(渦流)에 의한 손실 등을 줄이고 중량증가를 억제하기 위해 각종 연구가 시행되고 있다.

프란들노즐은 가공은 다소 어려우나 효율이 좋다.

연소실과 노즐은 고온도에 접하게 되므로 특수한 내열재료(흑연·세라믹스·강화 플라스틱 등)로 내장(內裝)하거나 추진약을 주위에 순환시켜서 냉각시킨다(〔그림〕-12·13).

로켓의 성능[편집]

rocket-性能    로켓의 성능 중에서 가장 중요한 것은 추진력(推進力)이다. 추진력은 1초간에 분출하는 가스의 질량과 속도가 클수록 크다. 분출 속도를 크게 하기 위해서는 가스의 분자량을 적게 하여 연소가스의 온도를 높여서 연소실과 외기의 압력비(壓力比)를 크게 하는 것 등이 효과적이다.

  미국의 새턴5형 로켓(액체)의 제1단의 추진력은 1기(基)당 약 700t이다.

  로켓의 성능을 구체적으로 나타내기 위해서는 단위중량의 추진약이 단위시간에 소비되었을 때 얻어지는 추진력의 크기, 즉 단위중량의 추진약이 단위추진력을 몇 초 동안 계속 발생시킬 수 있는가를 표시하는 비추진력(比推進力)이라는 양을 사용한다. 식으로 나타내면 추진력을 , 단위시간의 추진약 소비중량을로 두었을 때 비추진력는 는

  

이며, 단위는 초(秒)로  된다. 화학추진약에서는  비추진력은  보통 200∼300초, 분출속도는 2,000∼3,000m/초로 된다. 이 때 추진력은 분출가스의 단위시간당의 운동량(=질량×속도)이며 비추진력은 그것을 중량 (질량×중력가속도)으로 나눈 것(속도÷중력가속도)이 된다. 따라서 속도=비추진력×중력가속도가   된다. 

추진력의 단위[편집]

推進力-單位

물리학에서는 힘을 다인(dyne)이나 뉴턴(newton)단위로 나타내나, 공학에서는 kg 등으로 나타낸다. 1kg의 힘이란, 물리학에서 말하는 1kg중(重)=9.8 뉴턴을 말하는 것이다.

비화학로켓[편집]

非化學 rocket

이상에서 말한 로켓은 추진약의 연소화학반응을 이용한 이른바

화학로켓이었으나 비화학로켓도 몇 가지 있다.

핵에너지로켓[편집]

核 energy rocket

원자로(原子爐)에서 발생한 열로써 암모니아·액체수소 등을 가열하여 고속기체류(高速氣體流)로서 분출시키고, 그 반동으로 추진력을 얻는다. 중량이 커지지만 가스의 분출속도는 화학로켓의 수배가 된다. 장시간의 작동(作動)이 가능하므로 앞으로의 우주비행용 추진기관으로서 유망하다.

이온로켓[편집]

ion­rocket

세슘(Cs) 등의 증기를 이온화하여 전장(電場)의 작용으로 가속·분출시켜 추진력을 얻는다. 분출속도는 크며, 화학로켓의 수십배가 된다. 전장을 만들기 위한 발전장치(보통 원자로를 포함)가 무거워지나 수개월이란 오랜 기간 동안에 작동을 할 수 있다고 하며, 일단 대기권(大氣圈) 밖으로 나와 궤도를 돌게 된 우주선 등을 먼 거리까지 항행시킬 수 있다.

광자로켓[편집]

光子 rocket

빛은 미소한 질량을 지니는 입자(粒子)로서 작용하고(광자), 면(面)에 부딪치면 면은 압력을 받고 거꾸로 빛을 방사(放射)하며 면은 반작용(反作用)의 힘을 받는다. 이 힘을 추진력으로 이용한다. 광자의 배출속도는 광속도이므로 광자로켓은 이온로켓 이상의 비추진력을 지니며, 광자로켓을 사용하여야만 태양계 바깥의 우주여행이 가능하다. 그러나 로켓을 추진시키려면 다량의 광자를 방출시킬 필요가 있으며, 이렇게 하려면 핵에너지 이상의 효율로써 물질을 빛으로 변환시켜야 한다.