연구동향
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[로켓 엔진 개발 1] 로켓 엔진의 기본원리
이정락(포항공과대학교 기계공학부)

기존에 관측용, 실험용으로 제작된 로켓 및 로켓 엔진의 경우 항공용 금속과 같은 특수 소재를 이용하여서만 제작되어 왔다. 경량화가 필수적인 항공우주분야 특성상 이러한 선택은 불가피한 것이었지만 이로 인해 제작 비용이 굉장히 많이 들게 되고, 제작 기술의 진입 장벽 역시 높아져서 로켓 기술은 일반인이 접근하기에는 상당히 어려운 주제라는 인식이 있었다.
어떻게 고체 추진제 로켓 엔진을 설계 할 수 있으며 FDM 방식 보급형 3D 프린터를 이용하여 수 만원 대로 로켓 엔진을 개발 할 수 있는 방법에 대해 다루고자 한다.



21세기에 접어들면서 민간 기업들의 항공우주 분야에 대한 관심도가 매우 높아지면서 전세계적으로 ‘뉴스페이스 시대’에 접어들게 되었다. 지금까지는 NASA, KARI와 같은 정부 연구기관에서 주로 연구해오던 우주분야 연구는 ‘돈먹는 하마’라는 인식이 있었기 때문에 방위산업체를 제외하고는 수익을 기대하기 어려운 분야라고 인지되어 왔다. 그러나 반도체 기술의 발달, 공장 자동화 기술의 발달로 인해 우주 분야에서도 수익을 기대할 수 있는 비즈니스 모델을 발굴하는 기업들이 하나 둘 늘어났으며 패스트 팔로워들이 동시에 시장에 뛰어들기 시작하면서 현재는 메이저 대기업 치고 우주에 투자하지 않는 기업들을 찾기 어려울 정도로 가파른 성장 추세를 보이고 있다.

그럼에도 불구하고 아직 우주 시장은 규모가 작은 편이며 위성으로 그럴듯한 서비스를 실시하고 있는 기업은 손에 꼽을 정도이다. 우주로 진출하기 위해 해결해야 할 1순위 마일스톤은 바로 저가로, 원하는 시점에 페이로드 (인공위성, 탐사선 등 우주로 보내고자 하는 탑재체)를 올릴 수 있는 발사체 개발이 될 것이다.
SpaceX 등에서 재활용 발사체 컨셉을 제시하면서 발사 비용이 1kg당 수천만원 선으로 낮아지긴 하였으나 아직 소형 페이로드를 발사하려면 대형 위성의 일정에 맞춰야 하며, 발사체 수요에 비해 공급이 적어 발사까지 수 개월~수년간 기다려야 한다는 단점이 있다. 이를 해결하고자 여러 스타트업들이 초소형 로켓을 이용하여 원하는 시점에 위성을 빠르게 올릴 수 있는 위성 택시 서비스를 런칭하고자 준비하고 있다. 이러한 소형 발사체 업계에서 가장 중요한 이슈는 ‘성능을 조금 포기하고서라도 저렴한 발사체’를 개발하는 것이다.



뉴스페이스 시대는 시장이 더 이상 정부 주도로 움직이지 않기 때문에 기존 우주 시장의 메타였던 ‘고가, 고성능’을 버리고 통상적인 시장과 유사하게 저가를 추구할 수 있게 되었다. 궁극적으로 저가 발사체를 개발하기 위해 필수적인 것은 저렴한 로켓 엔진을 만드는 것이기에 현재 여러 스타트업들이 다양한 방면으로 이를 달성하기 위해 노력하고 있다.



일반적인 항공엔진과 로켓엔진의 가장 큰 차이점은 연료와 동시에 산소와 같은 산화제를 시스템에 동시에 갖추고 있다는 점이다. 별도로 산소를 흡입할 필요가 없이 시스템 내에서 연소가 가능하므로, 추진제 작동 시 발생하는 고온 고압의 추진제 연소 가스를 분출시켜 나오는 추진력으로 산소가 없는 우주공간, 혹은 물 속에서도 운횽 할 수 있다는 점이 특징적이다.

화학에너지 기반으로 운용되는 로켓 엔진의 경우 크게 세 유형으로 구분 할 수 있는데, 산화제와 연료가 모두 고체일 경우 고체 추진제, 모두 유체일 경우 액체 추진제, 산화제와 연료의 상이 고체+유체라면 하이브리드 추진기관이라고 불린다.



아마추어 수준에서 가장 만들어 보기가 용이한 고체 추진제 및 고체 추진기관에 대해 좀 더 자세히 설명을 할 계획이다. 고체 추진기관의 경우, 고체상태 추진제를 연소실 내부에 저장하고 그 추진제의 고압 연소반응에 의한 발열반응이 생성된 가스를 매우 높은 온도로 가열한다. 이 가스를 노즐을 통하여 높은 속도로 방출하며 로켓은 가속된다.

시스템이 간단하고 제작비가 낮아 미사일 등 일회성 비행체에 자주 이용된다. 하지만 고체로켓의 추진제는 산화제와 연료가 혼합되어 있어 폭발의 위험성을 갖고 있으며 추력의 제어가 어려워 비행의 제어가 비교적 어렵다는 특징이 있다. 아래는 추진기관을 구성하는 여러 요소에 대해 좀 더 구체적으로 소개하는 내용을 수록 하였다.



로켓 엔진의 연소실의 경우 수십기압의 높은 내압과 수천도에 달하는 높은 온도를 견뎌야 한다. 추진제의 종류와는 상관없이, 추진력을 만들기 위해서는 연소실 내부에서 충분한 화학반응이 이루어져야 하기에 해당 온도와 압력을 버티기 위해서 기존의 로켓 엔진의 경우, 항공용 금속이나 세라믹, 복합재, 섬유강화 플라스틱 등 특수 소재를 이용하여서만 제작되어 왔다. 이러한 소재의 경우 우수한 물성과 가벼운 무게를 보이지만, 재료 자체의 가격이 상당히 높을뿐더러, 가공 및 제작 역시도 굉장히 힘이 들고 비경제적이다.



금속 혹은 세라믹 소재의 경우 3축 이상의 머시닝 센터를 이용하여 정밀 가공을 해야하며 씰링 등의 문제를 해결하기 위하여 다양한 부품이 들어가게 된다. 복합재의 경우 우수한 물성을 나타내고 열분해 온도 역시 매우 높기 때문에 연소실 재료로는 매우 적합하지만, CVD와 같은 제조공정은 시간이 오래 걸리고 가격 역시 비싸다는 단점이 있다.



추진제는 일반적으로 산화제와 연료로 구성되어 있으며, 특히 고체추진제의 경우 이 두 구성요소가 모두 고체 상을 띄고 있다. 이들은 두 고체 상을 융해점 이상으로 가열시킨 후 융해시켜서 몰드에 부어 벌크 그레인을 만들거나, 바인더로 사용되는 폴리머를 첨가하여 겔 형태로 만든 다음 몰드에 붓는 방식을 통해 제작된다.

이러한 추진제를 사용하는 엔진의 경우 구조가 간단하고 엔진 점화가 쉬우며 타 상의 연료를 사용하는 엔진에 비해 제작비가 저렴하다. 오랜 기간 보관 할 수 있고 발생 추력범위가 넓다는 점, 그리고 언제든 모터케이스 내부에 삽입하여 사용할 수 있다는 점 때문에 대부분 군사용으로 사용되어지거나, 우주 발사체의 보조 엔진(부스터)으로 사용된다.

고체추진제의 경우 주로 산화제와 연료, 그리고 바인더로 구성이 되는 혼합형(Composite)추진제와 니트로글리세린과 니트로셀룰로오스를 주 성분으로 하게 되는 복기형(Double base)추진제로 구별이 된다. 복기형 추진제와 혼합형 추진제의 바인더의 경우 주로 폴리머 계열을 사용하게 되는데 이를 이용하여 추진제 혼합물을 압출, 주조, 혹은 Rapid prototyping등의 방법을 통해 제작 할 수 있다. 고체 추진제의 경우 액체 추진제와는 달리 추진제가 유동성이 없는 고체이므로 추진기관이 연소하는 도중 산화제 및 연료의 유량을 임의로 제어할 수 없다. 따라서 연소실 압력 등의 연소 환경이 바뀜에 따라 작동시간, 발생 추력 등의 값이 달라진다는 특징이 있다. 요구조건을 만족시킬 수 있는 작동시간, 추력, 그레인 저장조건, 연소불안정성 및 추진제 응력 해석 등의 내탄도 설계가 중요하다.



원통형 혹은 각관형식의 파이프 형태의 모터케이스에 추진제를 탑재 한 후 이를 모터케이스 내부에서 연소시켜서 추력을 발생시키는 방식이다. 추진제의 경우 일반적으로 산화제와 연료, 그리고 이 두 가루물질을 잘 혼합되게 만드는 폴리머 계열인 바인더를 넣게 된다. 해당 추진제의 주조 방식은, 바인더를 첨가하여 유동성을 띄게 된 추진제 페이스트를 몰드에 붓고 경화제를 첨가하여 완전히 경화될 때까지 기다리는 것이다.

장시간 일정한 추력을 발생시키기 위해서는 아래서부터 연소가 진행되는 단면 연소 방식을 사용하지만 일반적으로 연소 표면적을 넓혀서 많은 추력을 발생시킬 수 있도록 하기 위해 코어를 뚫게 된다. 코어는 원형으로 뚫는 것이 일반적이지만 해당 방법을 채택 시 연소 시간에 따라 추력이 점차 증가하는 특성을 보이기 때문에 다른 추력 양상을 필요로 한다면 코어의 형상을 다르게 선택하여야 한다. 일례로, 별 형상과 동심형 코어의 경우 연소시간에 대해 일정한 추력을 나타내고, 봉상의 코어의 경우 저감형 연소를 하게 된다. 하단 사진에 코어 형상에 따른 추력 프로파일을 소개 해 두었다.



아마추어 로켓에서는 질산염을 산화제로 하는 질산염 기반 추진제를 사용하게 되는데 해당 추진제의 특징은 별도의 바인더 없이 산화제와 연료를 용융점 이상의 온도로 가열하여 겔화 시킨 다음 몰드에 부어서 경화시킨다는 점이다. 별도의 폴리머 바인더가 없고 200도 혹은 그 이상의 온도로 가열된 겔형 추진제 전구체를 몰드에 부어서 응고시켜야 하기 때문에 몰드는 온도를 견딜수 있도록 내열성이 있어야 한다.



노즐은 고체 로켓 엔진에서 가장 중요한 부품이라고 할 수 있다. 연소실 내부에서 연소과정을 통해 고온 고압의 가스를 초음속으로 가속 시켜서 실제로 추진력을 발생 시키는 부분이기 때문이다. 특히나 노즐 목 부분의 경우 고온 고압의 연소가스가 음속을 돌파하는 부분이고 가장 좁은 단면적을 가지기 때문에 열유속이 매우 높아 삭마, 즉 재료가 열분해 혹은 물리적 침식에 의해 깎여 나가는 현상이 두드러진다.



액체 추진제 로켓엔진에서는 해당 부분에 재생냉각 및 필름냉각을 적용하여 열유속을 감소 시킬수 있으나, 고체연료 로켓에서는 이를 냉각시킬 방법이 없기 때문에 노즐을 삭마재로 구성한다.


 

삭마재의 경우, 연소가스의 온도보다 낮은 온도에서 열분해가 되는 물질로 열분해 과정이 흡열반응이기 때문에 표면 근처의 온도를 감소시키는 효과가 있다. 또한, 분해에 의해 얇은 기체 막을 표면에 형성하여 바로 아래층 노즐면에 전달되는 열유속을 감소시킨다. 이를 통해 고온 고압 가스가 통과함에도 불구하고 구조를 유지하면서 버틸 수 있다.

삭마재로 주로 사용되는 소재는 각종 탄소 및 규소 기반 컴포짓, 그라파이트, 실리카 페놀, 세라믹 등이 있다. 일반적인 실험실에서는 구하기 쉽고 비교적 가공역시 쉬운 그라파이트 봉을 이용하여 노즐을 제작하고, 고체연료를 사용하는 로켓 엔진의 경우 또한 그라파이트를 이용하여 노즐을 제작한다. 실리카페놀은 페놀릭 소재의 수지의 주제와 실리카 계열 세라믹 분말을 혼합한 후 연소실 및 노즐 형상의 몰드에 폴리머 경화제를 부어 경화시키는 방식을 통해 제작 할 수 있다. 그 외의 컴포지트 혹은 세라믹의 경우 내열 성능은 우수하나 가공 및 재료 제작이 어렵다는 단점이 있다.





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