비추력(영어: specific impulse, 기호: Isp)은 로켓 엔진, 제트 엔진 등 반응 질량 엔진이 추력을 얼마나 효율적으로 생성하는지를 측정하는 척도이다. 일반적으로 추진제 단위 질량당 충격량, 즉 단위 시간당 소모되는 추진제 질량 대비 발생하는 추력의 비율로 정의된다. 이는 "질량 유량당 추력"과 동일한 의미를 가지며, 결과값의 차원은 속도와 동일하다.
비추력은 엔진의 연료 효율성을 나타내는 지표로, 자동차의 연비(연료 소비 효율)에 비유되기도 한다. 값이 클수록 같은 양의 추진제로 더 많은 추력을 얻을 수 있음을 의미한다.
단위
비추력은 사용되는 단위계에 따라 두 가지 방식으로 표현된다.
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**초(s) 단위: 로켓 공학에서 전통적으로 사용되는 방식이다. 표준 중력 가속도(g0, 약 9.80665 m/s²)로 나누어 속도 단위를 시간 단위로 변환한 값이다. 예를 들어, 비추력이 300초라는 것은 1kg의 추진제로 1kgf(킬로그램힘)의 추력을 300초 동안 지속할 수 있음을 의미한다. SI 단위, 영국 단위, 미국 관습 단위 모두에서 동일한 수치를 가진다는 장점이 있다.
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속도 단위(m/s): 비추력을 유효 배기 속도(effective exhaust velocity)로 표현한 방식이다. 초 단위 비추력에 표준 중력 가속도를 곱한 값(ve = g0 × Isp)과 같다.
로켓 엔진에서의 비추력
로켓 엔진은 자체적으로 추진제(연료와 산화제)를 모두 탑재하므로, 비추력은 추진제 자체의 질량 유량 대비 추력으로 정의된다. 화학 로켓 엔진의 경우 일반적으로 진공 상태에서 200~500초 정도의 비추력 값을 가진다. 예를 들어 우주왕복선 주 엔진(RS-25)은 진공에서 약 453초의 비추력을 기록했다. 비추력이 높을수록 치올콥스키 로켓 방정식(Δv = Isp × ln(m0/mf))에 따라 동일한 질량의 추진제로 더 큰 속도 변화(델타-V)를 얻을 수 있다.
비추력은 추력(thrust)과 혼동해서는 안 된다. 추력은 엔진이 직접 발생시키는 힘의 크기이며, 비추력은 그 효율을 나타내는 값이다. 일반적으로 높은 추력과 높은 비추력은 상호 배타적인 공학적 목표인 경우가 많다. 예를 들어 액체수소/액체산소 조합은 높은 비추력을 제공하지만 상대적으로 낮은 추력을 내는 반면, RP-1/액체산소 조합은 낮은 비추력에 비해 높은 추력을 낸다.
비행기(제트 엔진)에서의 비추력
공기 흡입 제트 엔진(터보팬 등)은 주변 공기를 흡입하여 반응 질량의 일부로 사용하므로, 비추력 계산 시 연료 소비량만을 기준으로 삼는다. 이로 인해 제트 엔진의 비추력은 로켓 엔진보다 훨씬 높게 나타난다(터보팬 엔진의 경우 해수면에서 6,000초 이상). 그러나 이는 공기의 질량이 계산에 포함되지 않기 때문으로, 두 유형의 엔진 간 비추력을 직접 비교하는 것은 물리적 의미가 제한적이다.
밀도 비추력
밀도 비추력(density specific impulse, Isd)은 추진제 혼합물의 평균 비중과 비추력의 곱으로 정의되는 관련 지표이다. 비추력 자체보다는 덜 중요하지만, 발사체 설계에서 추진제 탱크의 크기와 질량비에 영향을 미치는 요소로 고려된다.
고려 사항
비추력은 에너지 효율(energy efficiency)과 혼동되어서는 안 된다. 높은 비추력을 얻기 위해서는 많은 에너지가 필요하므로, 비추력이 증가함에 따라 에너지 효율은 오히려 감소할 수 있다. 또한 이온 엔진과 같은 전기 추진 방식은 화학 로켓보다 25~35배 높은 비추력을 달성할 수 있지만, 그에 상응하여 매우 낮은 추력을 가진다.
