노즐 (nozzle)
쉽게 풀면
노즐은 엔진 맨 뒤쪽에서 뜨겁고 압력이 높은 가스를 빠르게 뿜어내도록 만들어주는 좁아지는(또는 좁아졌다 넓어지는) 통로입니다. 가스의 압력 에너지를 속도 에너지로 바꿔주는 역할을 하는데, 아음속 배기에는 단순히 좁아지는 형태의 노즐이 쓰이고, 초음속 배기를 얻으려면 좁아졌다가 다시 넓어지는 데라발 노즐 형태가 필요합니다.
왜 중요한가
노즐은 엔진 출구 압력을 외부 대기압에 맞추어 추력을 뽑아내는 마지막 단계이므로, 로켓과 초음속기 연구에서는 노즐 팽창비와 고도별 성능 손실이 주요 설계 변수입니다. 실무에서는 애프터버너 사용 여부에 따라 목 면적을 바꾸는 가변 노즐이 필요하고, 배기 온도와 소음 저감도 노즐 형상으로 다룹니다. 가변 노즐은 애프터버너 작동 여부에 따라 목 면적을 바꿔야 압축기 서지를 피할 수 있으므로, 노즐 제어 로직은 연료 제어와 함께 엔진 전체 제어시스템의 핵심 구성 요소로 다뤄집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
좁아졌다가 다시 넓어지는 형태의 노즐을 사용해 배기가스를 초음속까지 가속시켜 추력을 더 얻었다는 설계 내용입니다.
노즐 형상 변화가 추력에 미치는 영향을 구체적으로 보여준다.
조금 더 깊게 보면
노즐 출구 압력이 대기압보다 낮으면 과팽창, 높으면 부족팽창이며 어느 쪽이든 추력 손실이 생기므로 고정 노즐은 특정 고도에서만 최적입니다. 노즐 목에서 초크유동이 되면 유량이 상류 조건으로만 정해지고 하류 압력 변화는 유량에 영향을 주지 못하는데, 이 성질이 노즐 설계와 엔진 제어의 기본 가정이 됩니다. 추력벡터 노즐은 배기 방향 자체를 기계적으로 바꿔 조종면 없이도 자세 제어를 가능하게 하는데, 이는 단순한 추력 발생 기능을 넘어 노즐이 비행제어의 일부로 편입된 사례로 볼 수 있습니다.
주의할 점
단순히 좁아지기만 하는 수렴형 노즐로는 배기가스 속도를 음속 이상으로 가속시킬 수 없으므로, 초음속 배기가 필요하다면 반드시 수렴-발산(데라발) 형태의 노즐이 필요합니다.
노즐 목 면적은 추력뿐 아니라 압축기의 운전점(작동선)까지 함께 결정하는 변수이므로, 노즐 조정은 엔진 전체의 유량 균형에 영향을 미칩니다.