액체 로켓 추력실 3D프린팅, 구리 연소실에서 노즐까지 잇는 순서
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로켓 엔진의 연소실 끝에 노즐을 바로 쌓으면 무엇이 달라질까? NASA의 기술 자료에 따르면, 개발 중인 일체형 액체 로켓 추력실은 두 부품 사이의 조립 접합부를 줄여 잠재적인 누출 지점을 줄이려는 설계다.
추력실 안에서는 연소한 추진제가 팽창하며 추력을 만든다. 기존 제조 방식은 분사기, 주 연소실, 노즐을 따로 만든 다음 볼트나 용접으로 잇는다. NASA는 이런 복잡한 접합부의 밀봉이 실패하면 치명적인 사고로 이어질 수 있다고 설명한다.
AI 개념 이미지: 구리 합금 연소실에 냉각재 통로가 있는 노즐을 쌓고 복합재 외피를 감싼 추력실 구조를 나타낸다. 실제 NASA 장비의 사진은 아니다.
구리 합금 연소실에서 시작하는 적층제조
일체형이라고 해서 모든 부분을 한 금속으로 한꺼번에 출력하는 것은 아니다. 중심은 내부에 통로를 함께 만든 구리 합금 연소실이다. NASA가 앞서 개발한 GRCop42 또는 GRCop84 적층제조 기술을 이 부분에 사용한다.
연구진은 연소실의 노즐 쪽 끝에 서로 다른 금속을 잇는 연결부를 쌓는다. NASA는 구리 합금 끝에서 금속 간 확산이 적절히 일어나 연소실과 연결부가 강하게 결합한다고 설명한다. 그 연결부가 노즐을 쌓을 바탕이 된다.
기존 방식에서는 완성된 연소실과 노즐을 맞대고 접합한다. NASA의 구성에서는 노즐 쪽 구리 합금 끝에 연결부를 먼저 형성한 다음 그 위에 노즐을 쌓는다. 따라서 ‘일체형’의 핵심은 금속이 한 종류라는 뜻이 아니라, 두 부품 사이의 조립 접합부를 줄이는 제작 순서에 있다.
재생냉각 노즐의 통로는 어떻게 이어지나
냉각재가 내부 통로를 지나는 구조를 재생냉각이라고 부른다. 노즐은 분말을 불어 넣어 금속을 쌓는 DED 공정으로 만들며, 냉각재 통로도 그 안에 넣는다. 이어 반경 방향으로 재료를 덧입혀 통로들을 연결하는 매니폴드를 더하고 냉각재 회로를 닫는다.
마지막에는 연소실과 노즐을 포함한 조립체를 복합재 외피로 감싼다. 외피는 필요한 압력과 온도 하중을 견디도록 설계되며, 금속 연소실 바깥의 표면 형상은 외피와의 결합과 열적 분리를 돕는다.
접합부 감소와 무게 감소는 서로 다른 변화
노즐을 직접 쌓는 구성은 조립 접합부와 잠재적인 누출 지점을 줄인다. NASA는 별도로, 지지용 기존 일체형 금속 재킷을 복합재 외피로 대체하면 추력실 조립체의 전체 무게가 40% 넘게 줄어든다고 설명한다. 이 수치는 외피 구성까지 바꾼 경우의 무게 설명이다.
NASA는 서로 다른 재료의 열팽창 차이를 최소화해 열응력도 줄인다고 설명한다. 이 기술은 RAMPT 프로젝트에서 개발 중이며, NASA가 제시한 적용 대상은 부스터와 상단 엔진에 쓰이는 재생냉각 액체 로켓 엔진이다.
NASA는 전문 대형 적층제조 공급업체를 육성하기 위한 민관 협력도 모색하고 있다.
연소실과 노즐을 별도로 만드는 추력실을 검토한다면, 아이컨택은 접합부의 밀봉 문제와 지지용 외피의 무게를 함께 살펴볼 만하다고 본다. NASA 사례에서는 두 설계 변경이 맡는 역할이 분명히 다르다.
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