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액체로켓 심장 '수소추진제' 개발 평가기법 제시

권오채 성균관대 교수, 연소안정성 평가 기법 고안
"수소 추진제의 엔진 연소특성 평가 방안 제시된 것"
수소 추진제 연소 과정. <사진=한국연구재단 제공>수소 추진제 연소 과정. <사진=한국연구재단 제공>

국내 연구진이 액체로켓의 심장인 '수소 추진제' 개발을 위해 평가 기법을 제시했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 권오채 성균관대 기계공학부 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소 안정성 평가 기법을 제시했다고 15일 밝혔다. 

한국형 발사체 개발 과정에선 '케로신 추진제'에 대한 연구가 주로 이뤄졌다. 케로신은 등유, 가솔린 다음으로 끓는점이 높은 범위를 가진 석유 증류분이다. 국내에서 케로신 추진제에 대한 연구는 활발하나 수소 추진제 연구는 아직 초기 단계다. 

반면 일부 국가에서 수소 추진제를 코어·상단 엔진으로 상용화했다. 케로신에 비해 크고 무거운 로켓을 요구하지만, 압도적인 비추력(로켓 추진제 성능값)과 탄소 배출을 하지 않는 친환경성 덕분에서다. 

연구진은 액체 로켓 엔진의 작동 조건을 모사하고자 최대 60기압에 이르는 고압 모델 연소실과 영하 183도의 초저온 액체 산소를 공급할 수 있는 추진제 공급 장치를 제작했다. 이후 연소 실험을 수행, 수소 추진제의 연소안정한계를 측정했다. 

연소안정한계는 화염이 꺼지거나 불안정해지는 등 연소에 이상이 생기는 한계치를 말한다. 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소로 향후 이에 대한 데이터는 수소 로켓엔진 설계 기초자료가 될 수 있을 전망이다. 

연구진은 온도, 압력, 상, 분사 속도 등 여러 분사 조건 변화에 따른 연료의 혼합이나 분무 특성을 분석하고 화염을 가시화해 연소 특성을 연구했다. 연구 과정에서 얻은 화염 가시화 데이터를 통해 화염 안정화를 이룰 수 있는 기준을 세웠다. 이를 활용해 연소영역선도에 도식화하는 방식으로 평가도구를 설계할 수 있었다. 

이번 연구 성과는 연소실 규모, 연료의 분사량, 분사 속도, 연료 종류 등 연소에 관여하는 변수들이 달라져도 범용적으로 추진제의 연소 특성을 평가할 수 있는 기준을 제시한 점이다. 기존 연소안정한계는 특정 실험 조건에서 얻은 측정값으로 연소 조건이 달라져 실제 로켓엔진 평가에 활용하기 어려웠다. 기존 가스터빈, 보일러 등 널리 적용되던 무차원수를 액체로켓 엔진 평가에도 적용할 수 있다는 것이다.

강경인 한국연구재단 우주기술단장은 "비추력이 매우 좋은 수소 추진제를 이용한 액체로켓 관련 연구로 엔진의 연소 특성을 평가할 수 있는 방안이 제시된 것"이라며 "친환경 고효율 엔진 개발을 위해 관련 기초연구들이 보다 폭넓게 수행될 필요가 있다"고 언급했다. 

레이저유도형광을 이용한 연소진단. <사진=한국연구재단 제공>레이저유도형광을 이용한 연소진단. <사진=한국연구재단 제공>
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