추력 계수

추력 계수() 또는  (때로는 )는 로켓 엔진의 노즐 성능을 연소 성능과 무관하게 측정하는 무차원 수이다. 이는 종종 다른 노즐 형상의 성능을 비교하는 데 사용된다. 이를 특성 속도 와 결합하면 유효 배기 속도  및 비추력 를 찾아 로켓 엔진 설계의 전반적인 효율성을 특성화할 수 있다.

추력 계수는 노즐 목 아래의 팽창부에서 초음속 흐름을 특성화하며, 목 위의 연소실 및 수축부에서 아음속 흐름을 특성화하는 특성 속도와는 대조된다.

 물리 및 맥락 
추력 계수는 배기 가스를 팽창시키고 주위압력에 도달하기 전에 압력을 낮춤으로써 노즐이 로켓 엔진의 효율성을 얼마나 잘 높이는지 특성화한다. 1의 는 주위압력이 0이고 전혀 팽창이 없는 경우, 즉 목이 어떤 확산 노즐도 없이 진공으로 직접 배기되는 경우에 해당한다. 이때 유효 배기 속도는 연소실이 제공하는 특성 속도와 같아진다. 항공우주 산업의 로켓 엔진에서 볼 수 있는 일반적인 추력 계수는 약 1.3에서 2 사이이다. 1960년대 이후 거의 모든 대형 엔진은 가장 높은 추력 계수를 최적화하는 벨 노즐 형상을 사용했다. 이는 가디찰라 V.R. 라오가 특성곡선법을 사용하여 처음 도출했다.

 산업 사례 
로켓 엔진해수면에서의 추력 계수진공에서의 추력 계수인용로켓다인 F-11.591.82로켓다인 RL10A-12.05로켓다인 RS-25 / SSME1.531.91에네르고마시 RD-1201.95에네르고마시 RD-1701.711.86에네르고마시 RD-2531.651.83

 공식 

 는 유효 배기 속도 (m/s)
 는 연소의 특성 속도 (m/s)
 는 비추력 (s)
 는 표준 중력 (m/s2)
 는 엔진의 총 추력 (N)
 는 연소실 압력 (Pa)
 는 노즐 목의 면적 (m2)

 이상적인 노즐 
이상적인 노즐은 평행하고 균일한 출구 유동을 가지며, 이는 출구 평면의 압력이 주위압력과 같을 때 달성된다. 진공 조건에서는 이상적인 노즐이 무한히 길다는 것을 의미한다. 면적비는 등엔트로피 유동으로부터 유도될 수 있으며, 여기에도 나와 있다.

 는 노즐 출구 평면의 면적 (m2)
 는 배기 가스의 비열비
 는 주변 대기/진공의 주위압력 (Pa)

이상적인 추력 계수는 다음과 같다.

 는 출구 평면에서의 배기 가스 압력 (Pa). 이상적인 경우 이는 와 같다.

 보정 
실제 노즐 설계의 다양한 비효율성은 전체 추력 계수를 감소시킨다. 세 가지 주요 효과가 다음과 같이 기여한다.

 는 발산 손실 효율 (일반적으로 가장 지배적인 비효율성)
 는 이상 유동 손실 효율
 는 표면 마찰 손실 효율 (일반적으로 약 0.99)

 원뿔형 노즐 

 는 원뿔형 노즐의 반각 (라디안)

 환형 노즐 
이러한 노즐은 일반적으로 에어로스파이크 엔진 또는 제트 엔진에서 발견된다.

 는 노즐 외부 벽의 반각 (라디안)
 는 노즐 내부 플러그의 (양수) 반각 (라디안)

 일반화된 윤곽 노즐 
벨 노즐과 같은 보다 일반적인 노즐 윤곽에 대한 발산 비효율성에 대한 간단한 관계는 없다. 대신 노즐 출구 평면을 가로지르는 압력 변화가 이미 발견되었다고 가정하고 추력 계수를 직접 통합해야 한다.

 는 출구 평면에서 노즐의 내부 반경 (m)이다. 환형 노즐에서는 출구 평면에서 외부 벽과 플러그 사이의 거리이다.
 은 중심 축에서 관심 지점까지의 거리 (m)이다. 이 관계는 모든 속성의 방사형 대칭을 가정한다.
 는 주어진 에서 출구 평면에서의 배기 가스 압력 (Pa)이다.
 는 주어진 에서 출구 평면에서의 배기 가스 밀도 (kg/m3)이다.
 는 주어진 에서 출구 평면에서의 배기 가스 속도 (m/s)이다.
 는 주어진 에서 출구 평면에서의 배기 가스 속도의 각도 방향 (라디안)이다.

 각주 

분류:엔진 기술
분류:로켓공학