로켓은 단순히 “하늘을 향해 날아가는 거대한 기계”가 아니다.
그 속에는 중력의 족쇄를 끊고 지구를 벗어나기 위한 정밀한 물리 계산과, 강력한 추진 시스템을 중심으로 한 첨단 공학 기술이 집약되어 있다.
특히 로켓의 심장이라 할 수 있는 추진 시스템은 우주 미션의 성공 여부를 좌우하는 핵심 중의 핵심이다.
이 시스템은 단순히 연료를 태우는 수준이 아니라, 고온·고압 환경에서 수 톤의 추력을 안정적으로 발생시키고, 정밀한 궤적 제어까지 수행해야 한다.
이번 글에서는 우주로켓 추진 시스템의 기본 원리, 주요 구성요소, 설계 시 고려사항, 그리고 현대 로켓 엔진 기술의 발전 방향까지
항공우주공학을 공부하는 이들이 반드시 이해해야 할 핵심 개념들을 체계적으로 정리한다.
1. 로켓 추진 시스템이란 무엇인가?
**로켓 추진 시스템(Rocket Propulsion System)**은 연료(추진제)를 연소시키거나 반응시켜 고속의 가스를 분사함으로써,
뉴턴의 운동 제3법칙(작용-반작용 법칙)에 따라 **추력(Thrust)**을 발생시키는 시스템이다.
지구 대기권 안팎 모두에서 작동해야 하기 때문에, 공기흡입이 가능한 제트엔진과 달리 산화제를 자체 공급하는 독립적인 추진 방식이 필요하다.
즉, 로켓 엔진은 자체 폐쇄형 추진체계를 갖춘 자율적인 동력 장치인 것이다.
2. 로켓 추진 시스템의 작동 원리
로켓은 단순한 물리 법칙에 기반한다.
▶ 작용-반작용의 법칙
로켓이 배출구로 연소 가스를 빠르게 내보내면, 그 반작용으로 로켓 본체는 반대 방향으로 힘을 받는다.
이 힘이 바로 **추력(Thrust)**이다.
▶ 추력 공식
Thrust (F) = ṁ × ve + (Pe – Pa) × Ae
- ṁ : 단위 시간당 배출 질량 유량 (kg/s)
- ve : 배출 가스의 상대 속도 (m/s)
- Pe : 노즐 출구의 압력
- Pa : 외부 대기압
- Ae : 노즐 출구 면적
진공에서는 Pa가 0에 가까워지므로, 진공 추력은 더 커진다.
즉, 같은 로켓이라도 진공에서는 지상보다 더 큰 추력을 낼 수 있다.
3. 주요 로켓 엔진의 분류
로켓 엔진은 사용하는 추진제의 형태와 연소 방식에 따라 여러 가지로 나뉜다.
✅ 1) 고체로켓엔진 (Solid Rocket Motor)
- 추진제가 고체 상태로 연료와 산화제를 혼합한 상태
- 구조 단순, 가격 저렴, 신뢰성 높음
- 점화 후 제어 불가 (한 번 발사하면 정지 불가)
- 예: 미사일, 일부 발사체의 보조추진체 (SRB)
✅ 2) 액체로켓엔진 (Liquid Rocket Engine)
- 연료와 산화제를 각각 탱크에 저장하고, 연소실에서 혼합·연소
- 추력 제어, 재점화, 정밀한 방향 조절 가능
- 복잡한 구조, 고압 펌프와 냉각 시스템 필요
- 예: SpaceX의 랩터, NASA의 RS-25, 누리호의 KRE-075
✅ 3) 하이브리드 로켓엔진
- 한쪽은 고체, 다른 쪽은 액체 (예: 고체연료 + 액체 산화제)
- 구조 간단 + 추력 제어 가능의 절충안
- 상용화는 제한적이지만 연구 활발
4. 추진 시스템의 기본 구성 요소
로켓의 추진 시스템은 단순히 엔진만이 아니라 여러 구성요소로 이루어진 복합 시스템이다.
🔹 1) 연료 탱크
- 산화제와 연료를 저장하는 용기
- 고압 저장을 위해 특수 합금 또는 복합재 사용
- 액체 추진제의 경우 냉각 및 절연 설계 필수
🔹 2) 터보펌프 (Turbopump)
- 연료와 산화제를 연소실로 고속 압송
- 수만 rpm 이상 회전 → 고온·고속 환경에서 작동
- 엔진 성능을 좌우하는 핵심 부품 중 하나
🔹 3) 연소실 (Combustion Chamber)
- 연료와 산화제가 혼합되어 연소되는 구역
- 수천 도의 고온을 견디기 위한 냉각 구조 설계 필수
- 내부 압력은 100~300bar 수준
🔹 4) 노즐 (Nozzle)
- 연소가스를 가속하여 음속 이상으로 분사
- 벨 형태(De Laval nozzle)를 사용
- 진공 환경에 따라 최적 형상 조정 필요 (확산 비 중요)
5. 설계 시 고려해야 할 주요 요소
✅ 1) 비추력(Specific Impulse, Isp)
- 단위 추진제 질량 당 생성되는 추력 (초 단위)
- 로켓의 ‘연비’에 해당하는 개념
- 고체로켓: 약 250
300초 / 액체로켓: 350450초 / 전기추진: 수천 초
✅ 2) 연소 안정성
- 연소실 내부의 폭발, 진동, 연소불균형 방지
- 고압·고온 조건에서의 안정성 확보가 핵심
✅ 3) 냉각 시스템
- 연소실 및 노즐은 수천 °C의 고온에 노출
- 재생냉각(연료를 외벽에 순환시켜 냉각) 방식 주로 사용
✅ 4) 추력 조절 및 방향 제어
- 밸브, 연료 유량 조절, 노즐 피벗 또는 벡터링(TVC)을 통해 구현
- 궤도 진입 및 자세 제어에 필수
✅ 5) 신뢰성과 반복 사용성
- 발사 실패 시 리스크가 매우 크기 때문에
- 높은 신뢰도 확보 및 반복 사용 가능성 확보가 최근 트렌드
6. 한국형 로켓 추진 기술 사례: 누리호
▶ 엔진 구조
- KRE-075: 액체 산소(Lox) + 케로신 기반
- 1단: 75톤급 엔진 4기 클러스터링 (총 300톤 추력)
- 2단: 75톤급 단일
- 3단: 7톤급 정밀 제어용
▶ 기술 특징
- 국내 독자 개발 터보펌프, 연소실, 노즐 기술
- 재생냉각 방식, 추진제 공급 최적화
- 2023년 3차 발사 성공 → 우주 자립화 기념비적 성과
7. 차세대 로켓 추진 기술의 방향
🔹 재사용 로켓 기술
- SpaceX: 팰컨9 → 1단 회수 재사용 성공
- 엔진 반복 점화, 내구성 높은 구조 설계 요구
🔹 전기추진 (이온엔진 등)
- 속도는 느리지만 비추력이 수천 초 이상
- 인공위성, 딥스페이스 탐사 등에 적합
🔹 친환경 추진제 개발
- 기존의 독성 강한 하이드라진 대체
- 메탄 연료, 녹색 연료(Green Propellant) 연구 활발
🔹 추력-질량비 극대화 설계
- 엔진 무게는 줄이고, 출력은 높이는 설계 최적화
결론: 추진 시스템은 우주 미션의 ‘심장’이다
로켓이 우주로 올라가기 위해선, 그 어떤 장치보다도 신뢰성 있고 정밀한 추진 시스템이 필요하다.
이는 단순한 연소 기술이 아니라, 연료의 흐름, 열의 제어, 고온 고압 구조, 진동 저감, 궤도 입력 등 모든 공학적 원리의 총집합이다.
항공우주공학도에게 추진 시스템은 도전의 상징이자,
가장 복잡하지만 동시에 가장 흥미로운 설계 대상이기도 하다.
앞으로 한국도 누리호 이후 차세대 재사용 발사체 개발, 소형 위성 로켓, 전기추진 위성 기술 등으로 나아갈 것이다.
그 중심에 설 수 있는 준비된 인재가 바로 지금의 여러분이다.