추력의 뉴턴
뉴턴은 킬로그램 하나를 한 초 만에 초속 한 미터로 가속하는 힘입니다. 무게 약 100그램인 사과는 한 뉴턴의 힘으로 손바닥을 누릅니다. 로켓 엔진은 매초 수백 킬로그램의 가스를 3–4 km/s의 속도로 내뿜어 수백만 뉴턴, 즉 메가뉴턴급의 추력을 얻습니다.
추력은 두 항으로 이루어집니다: 분사 흐름의 운동량 ṁ·vₑ와 노즐 출구에서의 압력 차입니다. 그래서 같은 엔진도 지상에서는 진공에서보다 추력이 작고, 노즐 모양이 어디에서 더 잘 작동할지를 정합니다. 로켓은 추력이 무게보다 클 때만 이륙합니다; 그 비가 추력 대 중량비입니다.
| 기호 | N · kN · MN |
| 정의 | 1 N = 1 kg·m/s² — 뉴턴의 가속도 법칙 F = ma에서 |
| 추력 | F = ṁ·vₑ + (pₑ − pₐ)·Aₑ |
| 옛 단위 | 1 kgf = 9.80665 N · 1 tf = 9.807 kN · 1 lbf = 4.448 N |
| 이륙 | 추력 대 중량비 F / mg가 1보다 큼 · 발사 시 로켓은 1.2–1.6 |
| 대표 값 | 사과 — 1 N · 항공기 엔진 — 수백 kN · 액체 로켓 엔진 — 약 2 MN · 대형 로켓 — 30–70 MN |
01 · 정의
힘, 분사 운동량, 출구 압력
뉴턴의 가속도 법칙: 힘은 질량 곱하기 가속도입니다. 뉴턴은 킬로그램 하나에 1 m/s²의 가속도를 주는 힘입니다. 엔진은 자신의 분사 흐름을 밀어내며 나아갑니다: 매초 질량 ṁ을 속도 vₑ로 내뿜고, 작용·반작용 법칙에 따라 힘 ṁ·vₑ를 얻습니다.
두 번째 항은 압력입니다. 출구의 가스가 바깥 공기보다 세게 누르면 더 밀어 주고, 약하면 공기가 분사 흐름을 눌러 추력을 빼앗습니다. 긴 노즐은 가스를 더 세게 가속해 진공에서 잘 작동하지만 지상에서는 불리합니다. 짧은 노즐은 그 반대입니다. 비추력 Isp는 매초 소비하는 추진제 무게당 추력으로, 단위는 초입니다: 높을수록 엔진이 경제적입니다.
이륙하려면 몇 뉴턴이 필요할까
들어 올릴 것을 고르고 추력을 정하세요 — 눈금은 로그 눈금으로, 0.1 N에서 100 MN까지입니다. 무게는 중력 mg입니다. 추력이 무게보다 크면 이륙합니다.
차고: 부품으로 로켓 조립하기
로켓이 조립동에 서 있습니다. 부품마다 질량, 공기 저항, 추력이 바뀝니다: 페어링은 앞부분 모양, 동체는 탱크 지름과 들어갈 엔진 수, 핀은 max-Q에서의 안정성, 엔진과 노즐은 추력과 비추력을 정합니다. 마지막으로 바꾼 부품은 강조 표시됩니다. 오른쪽에는 부위별 질량, 추력 대 중량비, 속도 여유가 있습니다. 로켓이 준비되면 «발사대로 이송».
로켓을 조립하고 이륙하는지 확인하세요
로켓은 위의 차고에서 조립합니다: 페어링, 동체, 핀, 엔진, 노즐, 추진제, 탑재체. 조립한 그대로 발사대에 나옵니다. 주요 동작은 «발사»입니다: 카운트다운, 점화, 이륙, 음속 돌파, 최대 동압, 엔진 정지, 그리고 최고점까지의 관성 비행. 차고에서 두 번째 단을 추가하고 «궤도로 선회»를 켤 수 있습니다: 이륙 후 로켓이 수평 쪽으로 눕고, 첫 번째 단이 분리되며, 두 번째 단이 옆 방향으로 약 7.8 km/s까지 가속합니다 — 근지점이 160 km보다 높으면 로켓은 궤도에 오른 것입니다. 선회하지 않으면 비행은 수직이며, 관측 로켓과 같습니다. 처음 몇 초는 천천히, 그다음은 빠르게 진행됩니다; 장면 아래 슬라이더로 앞뒤로 옮길 수 있습니다. 오른쪽은 노즐 단면입니다: 출구 압력 대 외기압, 이 둘이 분사 흐름의 모양과 추력을 정합니다.
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02 · 환산
| {n} | {v} | {note} |
빠른 계산: 톤힘은 거의 10 kN, 추력 백 톤은 약 1 MN. 정확히는 9.807을 곱합니다.
미국 엔진은 흔히 파운드힘으로 표시합니다: 백만 lbf는 4.45 MN입니다.
03 · 크기의 차수
04 · 측정 기기
05 · 표기 규칙
06 · 이웃 단위
07 · 역사 부문
뉴턴은 SI 유도 단위입니다: 킬로그램, 미터, 초로 이루어집니다. 2019년부터 킬로그램은 플랑크 상수로 정의되고, 뉴턴도 이에 기반합니다. 힘의 표준기는 알려진 중력장에서 알려진 추로 센서에 하중을 거는 기계이며, 가장 큰 것은 수 메가뉴턴을 견딥니다.
로켓 엔진의 추력은 명판에 적힌 상수가 아닙니다. 외기압에 따라 달라지므로 제원에는 두 숫자를 적습니다: 해수면과 진공. 옛 참고서는 추력을 톤힘으로 주었습니다; 러시아 표준 GOST 8.417에서 이는 SI 밖의 단위이며, 9 807을 곱해 뉴턴으로 환산합니다.
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