배기속도 (exhaust velocity)
쉽게 풀면
배기속도는 엔진 뒤로 뿜어져 나오는 가스가 얼마나 빠른지를 나타냅니다. 로켓방정식에서 알 수 있듯이, 배기속도가 빠를수록 같은 양의 연료로도 로켓을 더 크게 가속시킬 수 있습니다. 그래서 로켓 개발자들은 노즐의 형상을 최적화하거나 추진제 조합을 바꾸는 등 여러 방법으로 이 배기속도를 최대한 높이려고 노력합니다.
왜 중요한가
배기속도는 치올콥스키 로켓 방정식에서 속도 변화량과 질량비를 잇는 유일한 엔진 성능 변수이므로, 임무 해석에서는 비추력 대신 유효배기속도로 계산하는 것이 일반적입니다. 실무에서는 시험에서 측정한 추력과 유량으로 유효배기속도를 역산해 엔진 성능을 판정합니다. 동일한 연소 온도에서도 배기가스의 평균분자량이 작을수록 배기속도가 커지므로, 수소를 연료로 쓰는 이유는 에너지 밀도보다 연소 생성물이 가벼운 물 분자라는 점에 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
노즐 모양을 진공 환경에 맞게 최적으로 설계하자 가스가 뿜어져 나오는 속도가 더 빨라졌다는 개선 결과입니다.
배기속도가 클수록 같은 추진제 양으로 더 큰 속도 변화를 얻을 수 있다는 점이 설계 기준으로 활용됩니다.
조금 더 깊게 보면
노즐 출구의 실제 가스 속도와 추력을 유량으로 나눈 유효배기속도는 서로 다르며, 후자는 출구 압력과 대기압의 차이에 의한 압력 추력까지 포함한 값입니다. 배기속도는 연소 온도가 높고 배기가스 분자량이 작을수록 커지므로, 수소가 에너지 밀도와 무관하게 높은 배기속도를 내는 이유는 생성물의 분자량이 작기 때문입니다. 이론 배기속도는 노즐이 완전 팽창한다는 가정에서 계산되지만 실제 엔진은 점성 손실과 불완전 팽창으로 이보다 낮은 값을 내므로, 시험에서 측정한 유효배기속도가 설계 검증의 기준이 됩니다.
주의할 점
배기속도는 대기압에 따라 달라질 수 있어, 같은 엔진이라도 지상에서 측정한 값과 진공(우주)에서의 값이 서로 다르므로 어떤 조건에서 측정된 값인지 반드시 확인해야 합니다. 비추력은 배기속도를 중력가속도로 나눈 값으로도 표현되어, 단위 체계에 따라 초(second) 단위나 초속 단위로 서로 다르게 보고될 수 있으니 혼동에 유의해야 합니다.