로켓의 액체 연료 탱크는 여러 가지를 고려해야 한다. 예를 들어 극저온 연료(액체수소 등)의 증발이나 연료 탱크의 부식, 단열, 슬로싱(액체의 출렁임) 문제, 압력 같은 것들 말이다. 우주에서는 연료를 넣어줄 만한 외부 힘인 중력이 없기 때문에 엔진에 추진체를 넣는 것이 어렵다.
이러한 문제들을 해결하는 장치는 로켓 방정식 때문에 최소한의 무게를 가져야 한다.
또한, 연료탱크는 우주선의 무게에 가장 큰 비율을 차지한다. 예시로 로켓의 연료 탱크는 알루미늄 캔보다 두께가 얇지만 가장 큰 무게를 차지한다. 이 게임에서 우주선 장갑의 무게가 연료탱크보다 더 많이 나가기 때문에 우주선 표면(장갑 등)을 그대로 탱크로 쓰자고 할 수도 있다. 예를 들면 모노코크(뼈대가 없는 갑각류 같은 구조) 구조로 말이다.
모노코크 구조는 별도의 연료탱크를 갖지 않고 우주선의 외피에 연료탱크를 만들기 때문에, 최신 로켓들에 사용된다. SpaceX의 Falcon 1같은 로켓들은 모노코크 구조를 사용한다. 이 방식을 사용하면 연료 탑재량을 늘릴 수 있다.
*스페이스 X의 팰콘 1 말고도 아틀라스 로켓(V 말고)은 모노코크 탱크를 사용한다.
그러나 연료 탱크에 외부 힘이 작용한다면(투사체나 우주선 자체 추진력 등으로) 액체의 충격파가 탱크에 전달되어서 탱크를 부서 버릴 수도 있다. 그러므로 모노코크 탱크는 투사체에 관통되어 파괴될 필요도 없이 액체의 충격파만 일으키면 부서진다.
*우주에는 생각보다 많은 물체들이 돌아다닌다. 소규모 유성이나 우주 쓰레기들 때문에 인공위성이 망가지기도 한다.
**액체의 슬로싱은 유조선이나 천연가스 운반선 등에서 많이 발생하고 있다.
이러한 이유로 연료 탱크는 장갑과 분리되어야 한다. 더 많은 무게를 차지하겠지만, 연료탱크를 더 가볍게 만들 수 있다.
*연료탱크가 작을수록 슬로싱이 덜 발생한다.
이 게임의 배경은 무중력 공간이기 때문에 연료탱크의 연료를 로켓 엔진에 넣는 것은 자연스럽게 일어나지 않는다. 이 문제를 해결하는 방법은 여러 가지가 있다. ullage rocket(우주선을 앞으로 밀어줘서 액체가 우주선의 뒤쪽에 오게하는 작은 고체로켓)부터 압력 막(추진체를 눌러주는 막)이나 피스톤 방식까지.
이 게임에서는 표면장력 방식과 터보펌프 방식을 같이 사용한다. 이 표면장력 방식은 압력막 방식과 비슷하지만, 압력 막 방식이 요구하는 별도의 압축가스가 필요하지 않고, 탱크에 약간의 압력만 주면 된다.
연료탱크의 압력이 작을수록 우주선이 급가속을 할 때 슬로싱으로부터 더 많이 버틸 수 있다. 저압 탱크는 또한 슬로싱 배플로 슬로싱 현상을 막는데 효과적이다.
*슬로싱 배플: m.blog.naver.com/karipr/221123033798 참조
극저온 탱크는 단열되어야 한다. 우주선이 상온의 열을 전달해줄 대기 중에서 만들어지지 않기 때문에 큰 문제는 아니다. 또한, 몇몇 연료는 부식성이 있어서 특정한 물질에만 담을 수 있다. 마지막으로, 이런 극저온 연료들은 느리지만 꾸준히 증발하므로 이것 또한 계산에 넣어야 한다.
구형 탱크가 가장 좋겠지만, 우주선의 모양은 길쭉한 원통 모향일 것이므로(다른 포스트에서 설명하겠지만) 탱크도 원통 모양이 쓰일 것이다.
이 모든 것들은 모두 무게를 더한다. 모든 우주선 설계자들이 매우 싫어하겠지만. 어쨋든 로켓 방정식
$\triangle v = v_e \ln\frac {m_0}{m_f}$을 떠올려보자
$v$는 여기서 우주선의 Delta v(최대 가속 가능한 속도)를 나타낸다. $v_e$는 로켓 엔진의 배출 속도, $\frac {m_0}{m_f}$는추진체를 포함한 질량/추진체를 제외한 질량이다.
우주 전투(단순 탐사나 수송에는 이온 엔진이 더 좋겠지만)에서 사용할 만한 추진 방식은 화학 로켓이나 원자력 로켓이 합리적이다. 이 경우에 화학 로켓이나 고체 코어 원자력 로켓은 추진체 배출 속도를 몇 km/s로 제한한다.
그러면 delta v를 늘리는 방법은 질량비를 늘리는 것이다. 간단히 연료량을 늘리면 된다. 더 많은 연료를 넣을수록 더 높은 delta v를 갖는다.
화학 로켓 중 가장 높은 배출 속도를 갖는 5km/s의 엔진을 가진 로켓은 질량비가 $e$(2.7) 일 때 5km/s $e^2$(7.4) 일 때 10km/s, $e^3$(20) 면 15km/s를 갖는다. 질량비 20의 의미는 연료 질량 19에 우주선 공중량 1이라는 의미다.
그럼 얼마나 많은 델타 V가 필요한가? 행성이나 중력이 큰 달 주위에서 움직일 때는 5~10km/s가 효율적이다(미사일, 드론, 적 함대를 피할 때). 위성 간 이동에는 더 많이 필요하고 행성 간 이동에는 수십km/s가 필요하다.
델타 V를 높이는 법은 그저 더 많은 추진체를 넣으면 되지만, 최종적인 한계가 존재한다.
우주선 연료 탱크도 그 자체의 무게를 갖고 있다. 그러므로 각각의 탱크는 각각의 질량비를 갖고 있다. 탱크의 질량비는 추진체 타임이나 탱크 재료 탱크의 길이 비율 등에 따라 달라진다. 우주선의 질량비는 탱크의 질량비 이상이 될 수 없으므로 아주 큰 병목이다.
현재 대부분의 로켓 연료탱크에 쓰이는 알루미늄 합금(알루미늄-리튬 합금)을 사용할 경우 메테인의 질량비는 대략 30이고 다른 추진체들은 대부분 50 정도이다. 몇몇 비싼 재료들로 이를 몇 배 늘릴 수 있지만, 연료탱크 부식이나 단열 문제로 이어질 수 있다.
따라서 5km/s와 질량비 25의 탱크 질량비를 갖는 우주선의 한계는 16km/s 정도이다. 이 정도로는 중간중간 급유받으면서 가도 행성 간 여행은 못한다.
*지구 저궤도-화성 탈출 궤도는 4km/s 정도이고, 지구 저궤도-목성은 6km/s 정도이지만, launch window나 도착 시간에 큰 영향을 받지 않고 행성 간 여행을 하기 위해서는 16km/s 정도로는 부족하다.
이 때문에 연료 충전소가 우주여행에 필요하다. 특히 우주 전쟁에는 몇 배로 중요하다.
다단식 로켓을 사용하면 문제를 어느 정도 해결할 수 있지만, 그러면 연료 탱크와 엔진을 버려야 한다. 우주선이 장갑화되어 있다면, 장갑도 같이 버려야 한다. 좋은 방법은 급유선과 같이 다니면서 급유받는 것이다.
이것이 이 게임에서 타 행성을 침략하는 방식이다. 가는 길에는 우방의 연료 보급소가 없으므로 아주 많은 급유선을 가지고 가야 한다. 다 쓰면 버리거나 하면 된다.
*물론 승무원 생명유지장치와 구조 계획은 있겠지만...
Children of a Dead Earth는 극사실주의 SF게임이다 스팀에서 구매할 수 있다.
이 글 원본과 여러 가지 참조할 만한 글들의 출처:
childrenofadeadearth.wordpress.com/2016/05/24/slosh-baffles/
en.wikipedia.org/wiki/Falcon_1#First_stage
m.blog.naver.com/karipr/221123033798
www.aspirespace.org.uk/downloads/Rocket%20airframe%20concepts.pdf
aerospaceengineeringblog.com/rocket-science-101-lightweight-rocket-shells/
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