하늘과 우주를 향한 도전
항공우주 과학기술은 국가 경쟁력을 좌우하는 전략기술로, 관련 연구개발을 위한 노력을 여러 연구원과 산업체에서 하고 있다. 이들의 연구 결과를 관련 전공의 학생과 산업체 인력이 활용할 수 있는 도서를 출간할 계획이다. 항공분야에서는 국산 헬리콥터 개발을 위한 민군 겸용 핵심부품 및 세계 최초로 수직 이착륙과 고속비행이 가능한 틸트로터 무인기를 개발하고, 위성분야에서는 세계 수준의 고해상도 지구관측위성인 아리랑위성과 기상·해양관측이 가능한 천리안위성을 개발하였다. 또한 우주발사체 분야에서는 나로우주센터 건립, 나로호와 시험발사체 발사에 성공하는 등 국가 항공우주 과학기술 발전을 이끌어 왔다. 향후 4차 산업혁명 시대에 미래 국가 경쟁력과 성장동력 확보를 위해 핵심기술 확보가 중요한 시점으로 생각하고 그에 따른 관련 도서를 출간하여 차세대 항공우주산업 인력에게 도움을 드리고 자 한다.
“최상의 엔진 설계는 임무 요구조건을 만족시키면서 엔진 및 엔진과 관련된 모든 시스템의 전체 엔트로피를 가장 적게 증가시킨다.”
이 책은 로켓엔진을 직접 제작하고자 하는 개발자를 돕기 위하여 지난 70년간 축적된 해외의 로켓기술과 연구경험을 바탕으로 정리하였다.
• 액체로켓엔진의 설계과정 이해와 설계의 준비
• 액체로켓엔진의 구조와 작동 원리
• 액체로켓엔진 시스템의 주요 파라미터 선정
• 액체로켓엔진 구성품의 성능 파라미터 결정 방법
• 액체로켓엔진 구성품의 성능 파라미터 계산 예
• 외국의 주요 액체로켓엔진들에 대한 설명
액체로켓엔진의 설계과정에 대한 이해로부터 가압식과 터보펌프 추진제 공급방식 엔진의 구조, 추진제 선정, 엔진 사이클의 결정, 엔진시스템의 주요 파라미터 선정, 엔진 구성품의 성능요구조건 계산 등 엔진설계에 필수적인 내용만을 설계 순서에 따라 설명함으로써 독자들이 점진적으로 안목을 높일 수 있도록 기술하였다.
더불어 액체로켓엔진의 주요 연료(케로신, 액체수소, 액체메탄)와 사이클(가압식 사이클, 가스발생기 사이클, 다단연소 사이클, 팽창식 사이클, 전기펌프 사이클)에서 엔진시스템의 성능파라미터를 결정하는 방법과 예시를 보여줌으로써 엔진 설계를 시작하려는 개발자와 엔진 설계에 관심이 있는 독자에게 어렵게 느껴지는 액체로켓엔진 설계에 대하여 쉽게 이해할 수 있도록 하였다.
이 책은 액체로켓엔진을 설계하고자 하는 개발자, 로켓 산업 종사자와 로켓에 대해 깊이 있게 이해하고자 하는 독자에게 좋은 지침서가 될 것이다.
머리말 중에서
책은 독자가 점진적으로 지식을 획득할 수 있도록 고려되었고, 목차는 엔진의 설계과정과 동일한 순서로 배치하였습니다.
1장에서는 액체로켓엔진의 설계에 대한 이해를 돕고, 엔진 설계를 시작하기 위한 기본적인 환경과 조건을 다루고 있습니다.
2장은 가장 상위시스템인 로켓으로부터 추진기관과 엔진 순으로 설명함으로써 로켓시스템의 관점에서 엔진의 기능과 역할을 보여주고, 가압식 엔진을 예로 하여 엔진에 대한 이해를 도왔습니다.
3장에서는 액체로켓엔진의 보편적인 형태인 터보펌프를 이용한 추진제 공급방식에 대한 설명과 함께 추진제 선정, 엔진의 사이클 선정, 연소압 결정 등 엔진시스템 차원에서 주요한 설계 파라미터들을 정하는 방법에 대해 서술하였습니다.
4장에서는 팽창식 사이클, 다단연소 사이클, 가스발생기 사이클 및 전기펌프 사이클 엔진에 대해 구성품 차원에서 주요 설계 파라미터들을 결정하는 방법(에너지 밸런스 해석)을 기술하였습니다. 세 가지 사이클 중에서 상대적으로 이해가 쉬운 팽창식 사이클 엔진을 먼저 설명하고, 다음으로 구조적으로 팽창식 사이클과 유사한 다단연소 사이클을, 이어서 가스발생기 사이클과 전기펌프 사이클 순서로 서술하였습니다. 이 사이클 해석결과는 엔진 구성품의 설계 요구조건이 됨으로 엔진시스템 설계에서 매우 중요한 부분을 차지합니다.
5장에서는 4장에서 설명한 엔진 구성품의 주요 파라미터의 결정 방법을 실제 예를 들어 설명함으로써 엔진개발자나 독자가 엔진의 설계를 명확히 이해하고 활용할 수 있도록 하였습니다.
6장은 액체로켓엔진의 예로서 케로신을 연료로 사용하는 엔진(가스발생기 사이클의 Merlin 1D 엔진, 다단연소 사이클의 RD-170계열 엔진과 전기펌프 사이클의 Rutherford 엔진), 수소를 연료로 사용하는 엔진(가스발생기 사이클의 Vulcain 엔진, 다단연소 사이클의 SSME 엔진, 팽창식 사이클의 RL10 엔진), 그리고 메탄을 연료로 사용하는 엔진(가스발생기 사이클의 Prometheus 엔진, 다단연소 사이클의 BE-4와 Raptor 엔진, 팽창식 사이클의 M10 엔진)을 차례대로 제시하였습니다.
부록에는 1∼6장에서 가독성을 위하여 생략한 물리적인 원리나 배경, 수학적 설명들을 모아서 독자의 지적 호기심을 충족시키고자 하였습니다.
