우주 환경은 진공 상태인데 어떻게 로켓 연료에 불이 붙을까?

 

우주 환경은 지구 대기권 너머의 광활한 공간인 우주공간의 조건과 특성을 말한다.

 

 

 

 

우주 환경

 

▶ 진공 : 우주는 대부분 진공 상태이며 이는 공기와 대기가 부족함을 의미한다. 다양한 가스로 구성된 대기를 가진 지구와 달리 우주는 거의 비어 있다.

▶ 미세중력 : 우주에서는 중력이 지구보다 훨씬 약하다. 이로 인해 미세 중력 또는 무중력 상태가 발생한다. 우주에 있는 물체와 우주비행사는 지구 주위를 끊임없이 자유 낙하하기 때문에 무중력 상태를 경험한다. 미세중력은 인체의 생리적 변화, 유체의 이동, 물체의 이동 등 우주 생활의 다양한 측면에 영향을 미친다.

▶ 극한 온도 : 우주는 극한의 온도 변화에 영향을 받는다. 직사광선 아래에서는 기온이 섭씨 수백도까지 올라가는 반면 그늘진 지역에서는 기온이 영하 수백도까지 떨어질 수 있다. 이러한 극단적인 온도 변화는 우주선과 장비에 문제를 일으킬 수 있으며 특수 절연 및 온도 조절 시스템의 개발이 필요하다.

▶ 방사선 : 우주는 태양 복사, 우주 광선 및 지구 자기장에 갇힌 입자(밴 앨런 방사선 벨트)를 포함하여 다양한 유형의 방사선으로 채워져 있다. 지구 대기가 없기 때문에 생명체와 민감한 전자 시스템에 해로울 수 있는 이러한 고에너지 입자로부터 거의 보호할 수 없다. 우주선과 우주복은 우주 비행사를 방사선 노출로부터 보호하기 위해 차폐 재료로 설계되었다.

▶ 미세 유성체 및 우주 잔해 : 우주에는 미세 유성체(작은 먼지 입자)와 더 큰 우주 잔해(작동하지 않는 위성, 사용된 로켓 잔해, 이전 우주 임무의 잔해 등)가 있다. 이러한 물체는 고속으로 이동하며 우주선과 충돌할 위험이 있다. 물체와 관련된 위험을 완화하기 위해 차폐 및 능동 모니터링과 같은 보호 조치가 사용된다.

▶ 공기 및 압력 부족 : 앞서 말했듯이 우주 공간은 진공 상태이며 공기 또는 대기압이 부족하다. 압력의 부재는 우주 비행사에게 통기성 환경을 제공하기 위한 가압 거주지 및 우주복의 필요성을 포함하여 우주 탐사의 다양한 측면에 영향을 미친다. 또한 유체의 거동과 우주에서 연소 과정이 일어나는 방식에도 영향을 미친다.

▶ 극도의 침묵 : 우주 환경에는 음파를 전달할 공기나 매질이 없다. 결과적으로 우주 공간은 믿을 수 없을 정도로 조용하다. 우주 비행사는 종종 그 경험을 몸이나 장비를 통해 전달되는 진동을 통해서만 소리가 들리는 섬뜩한 침묵 속에서 활동한다. 우주에서의 통신은 전파와 전자 시스템에 의존한다.

 

 

우주 환경은 진공 상태인데 어떻게 로켓 연료에 불이 붙어 추진할 수 있을까?

 

우주에 산소가 없음에도 불구하고 로켓 연료는 연소하고 로켓을 추진할 수 있다. 그 이유는 로켓 엔진이 연료와 산화제를 모두 탑재해 대기 중 산소에 의존하지 않는 자급식 시스템을 만들기 때문이다.

▶ 로켓 추진의 기본 사항 : 로켓 엔진은 뉴턴의 운동 제3법칙에 설명된 작용과 반작용의 원리에 따라 작동한다. 추진력을 생성하기 위해 로켓은 한 방향으로 고속의 가스를 분출하고하고 이 방출에 대한 반응으로 로켓을 앞으로 추진한다.

▶ 연료 및 산화제 : 로켓 엔진은 연료와 산화제의 조합을 사용하며 로켓에 탑재된 별도의 탱크에 저장된다. 연료는 에너지원을 제공하고 산화제는 연소 과정에 필요한 산소를 공급한다. 일반적인 조합에는 산화제인 액체 산소(LOX)와 연료인 액체 수소(LH2) 또는 등유가 있다.

▶ 연소 과정 : 로켓 엔진 내부에서 연료와 산화제가 함께 혼합되어 점화된다. 연소 과정은 일반적으로 연료와 산화제가 접촉하고 반응하는 연소실 내에서 제어된 환경에서 발생한다.

▶ 독립형 시스템 : 지구의 연소 과정과 달리 로켓 엔진은 자체 산화제를 탑재하여 대기 중 산소가 필요하지 않다. 산화제와 연료는 우주의 진공 상태에서도 연소를 유지하기 위해 정확한 비율로 혼합된다.

▶ 점화 및 연소 : 로켓 엔진은 연소 과정을 시작하기 위해 전기 스파크 또는 하이퍼골릭 반응(연료와 산화제가 접촉 시 자발적으로 점화됨)과 같은 점화원을 사용한다. 점화되면 연료와 산화제가 반응하여 엄청난 양의 에너지를 열과 팽창 가스 형태로 방출한다.

▶ 추진력 발생 : 연소 과정에서 생성된 고압 가스는 로켓 후면의 노즐을 통해 방출된다. 가스가 한 방향으로 가속되면 로켓에 동등하고 반대되는 힘이 가해져 앞으로 나아간다.

▶ 진공 효과 : 우주에서 기압이 없으면 로켓 추진의 일부 측면에 영향을 미친다. 가스의 팽창은 대기에 비해 진공에서 더 빠르고 강력하게 발생하여 더 높은 속도와 더 효율적인 추진력을 생성할 수 있다.

 

로켓은 자체 산화제를 가지고 있기 때문에 우주에 대기 산소가 없어도 연소 과정에 장애가 되지 않는다. 산화제 분자와 연료 분자는 연소실 내에서 결합하고 반응은 외부 산소 공급원의 유무에 관계없이 에너지를 방출한다.