액체로켓의 핵심, '수소추진제' 개발되나
액체로켓의 핵심, '수소추진제' 개발되나
  • 강지희
  • 승인 2019.10.22 17:35
  • 조회수 4911
  • 댓글 0
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날아라 로켓! 출처: pixabay
날아라 로켓 펀치! 출처: pixabay

액체 로켓엔진 안에서 발생하는 추진제의 연소는 복합적인 현상인데요. 그래서 로켓 발사에 성공한 나라에서도 아직 활발히 연구하는 주제입니다. 국내에서도 한국형 발사체 개발을 위해 케로신 추진제에 대한 연구가 활발히 진행 중입니다. 하지만 수소 추진제에 관한 연구는 아직 많이 진행되지 않았다고 하는데요. 

 

수소 추진제는 케로신에 비해 크고 무거운 로켓엔진을 요구하긴 하지만 압도적인 비추력을 갖습니다. 또한 탄소를 배출하지 않는 친환경성 덕분에  일부 국가에서는 코어엔진이나 상단엔진의 추진제로 상용화가 됐습니다. 이에 국내에서도 수소 추진제에 필요성이 제기돼 왔으나 아직 연구 초기단계죠. 그런데 성균관대학교 권오채 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소안정성 평가기법을 제시했습니다. 해당 논문은 <Energy>에 게재됐습니다.

 

  • 케로신?

등유로 가솔린 다음으로 높은 끓는점 범위를 가진 석유 증류분입니다. 로켓 엔진에서는 케로신을 고도로 정제한 RP-1 등을 이용합니다.

 

  • 비추력?

로켓 추진제의 성능을 나타내는 값으로 1 초당 추진제 1 kg이 소비될 때 발생하는 힘을 말합니다.

평가기법 만들기, 참 쉽죠?

수소 추진제의 연소. 출처: 한국연구재단
수소 추진제의 연소. 출처: 한국연구재단

연구팀은 액체 로켓엔진의 작동 조건을 모사하고자 최대 60기압에 이르는 고압 모델 연소실과 영하 183도의 초저온 액체 산소를 공급할 수 있는 추진제 공급장치를 제작하고 연소실험을 수행했습니다. 그 결과 수소 추진제의 '연소안정한계'를 측정할 수 있었습니다. 화염이 꺼지거나 불안정해지는 등 연소에 이상이 생기는 '연소안정한계'는 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소인데요. 이에 대한 데이터는 수소 로켓엔진 설계의 기초 자료가 될 것으로 기대됩니다.

레이저유도형광을 이용한 연소진단. 출처: 한국연구재단
레이저유도형광을 이용한 연소진단. 출처: 한국연구재단

연구팀은 온도, 압력, 상(phase), 분사 속도 등 여러 분사 조건 변화에 따른 연료의 혼합이나 분무 특성을 분석했는데요. 화염을 가시화해 연소 특성을 연구했습니다. 이렇게 얻은 화염 가시화 데이터를 통해 연구팀은 수정된 Damkohler 수를 제안해 화염이 안정화 될 수 있는 일반적인 기준을 세웠는데요. 이를 활용해 연소영역선도에 도식화하는 방식으로 평가도구를 설계했습니다. 참고로 Damkohler 수란 난류 화염을 이해하는 데 중요한 수를 말하는데요. 특성 화학 시간에 대한 특성 혼합 시간의 비를 나타내죠.

 

이번 연구는 연소실의 규모, 연료의 분사량, 분사 속도, 연료의 종류 등 연소에 관여하는 변수들이 달라지더라도 범용적으로 추진제의 연소 특성을 평가할 수 있는 기준을 제시한 데 의의가 있습니다. 기존의 '연소안정한계'는 특정 실험 조건에서 얻은 측정값이었기 때문에 연소 조건이 달라지는 실제 로켓엔진 평가에 활용하기 어려웠는데요. 연구팀은 "기존 가스터빈, 보일러 등에 널리 적용되던 무차원 수를 액체로켓 엔진 평가에도 적용할 수 있도록 했다"고 설명했습니다. 

이번 연구를 주도한 권오채 교수. 출처: 한국연구재단
이번 연구를 주도한 권오채 교수. 출처: 한국연구재단

강경인 한국연구재단 우주기술단장은 "비추력이 매우 좋은 수소 추진제를 이용한 액체로켓 관련 연구로 엔진의 연소 특성을 평가할 수 있는 방안이 제시됐다"며 "친환경 고효율 엔진 개발을 위해서는 관련 기초연구들이 보다 폭 넓게 수행될 필요가 있다"고 말했습니다. 

 

##참고자료##

 

  • Kim, Tae Young, et al. "Combustion stability of inverse oxygen/hydrogen coaxial jet flames at high pressure." Energy 180 (2019): 121-132.


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