연구동향
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[로켓 엔진 개발 2] FDM 3D 로켓의 동향과 개발 목표
이정락(포항공과대학교 기계공학부)



기존에 금속, 복합재와 같은 특수 소재만으로 만들어지던 로켓 추진기관 부품의 저가화, 보급화와 같은 목적을 위해 폴리머 기반 FDM 3D 프린팅 기술을 이용한 제작 공정을 제공하는데 목적을 가지고 있다.

사실 지금까지 여러 정부 연구소, 기업, 심지어 대학 동아리에서 까지 금속 3D 프린터를 이용한 로켓 엔진은 제작 및 테스트에 성공해왔었다. 금속 3D 프린터의 경우, 기존 금속 및 복합재 가공 기술에 비해서는 좀 더 경제적이라는 특징이 있으나 여전히 가격이 비싸고 가공 가능한 부품의 형상에 한계점이 있다.

특히나, 해외에서는 비교적 쉽게 금속프린터에 접근이 가능하나 국내에서는 상당히 높은 이용료 및 재료비를 내고 가공을 해야하기에 국내 기준으로는 금속 밀링 가공에 비해 결코 저렴하다고 볼 수 없다.



이러한 문제점들에 공감한 세계 각지의 여러 로켓 팀에서 훨씬 가격이 저렴하고 (장비 가격만 20~150만원 내외) 접하기도 쉬운 보급형 3D 프린터인 FDM 프린터를 이용하여 로켓 엔진을 만든 사례 역시 존재한다. MIT와 UCSD의 로켓 팀이 만든 엔진들이 대표적인데, 이들의 특징에 대해 간략히 소개하고자 한다.

우선 MIT 로켓 팀은 2017년 4월 말 쯤에 총 충격량이 150Ns 정도 되는 로켓 엔진을 제작 하였으며, 마크포지드 사의 강화 탄소섬유 필라멘트를 이용하여 약 50시간의 출력 시간 끝에 제작을 완료 하였다고 한다. 해당 필라멘트의 경우 필라멘트 중간에 탄소섬유가 박혀 있어 물성이나 내열성이 우수한 반면, 가격은 일반적인 ABS 및 PLA 필라멘트의 약 10배정도에 달하여 상당히 비싼 편이었다.



해당 엔진의 단점은 노즐부터 연소실 전체를 3D 프린터로 뽑게 되어 열유속이 가장 높은 노즐목 인근에서 삭마가 심하게 발생한다는 점이다. 압력 분포 그래프를 보면 삭마로 인해 초기에 내압이 3.5bar인데 1.7bar 까지 하강하는 현상을 관찰 할 수 있다. 로켓의 효율은 내부압력이 커질수록 높아지며 일반적인 상용 고체로켓 엔진의 내압은 20bar 이상인데 해당 로켓엔진은 3.5bar 인근이므로 실용성은 다소 떨어진다고 볼 수 있다.



USCD의 경우 ABS 소재를 이용하여 하이브리드 로켓 엔진 (산화제는 기체, 연료는 고체를 사용하는 엔진)을 제작 한 사례가 존재한다. 해당 사례의 경우 정확한 스펙이 나오지는 않았으나 상당히 연소불안정이 심하다는 특징이 있었으며, 발생 시킬 수 있는 추력에 한계가 있었기 때문에 실제로 고고도 기상 관측 등에 사용 될 수 있는 효용성은 다소 낮아 보였다.



금속 프린터 기반 로켓 엔진이나 FDM 기반 엔진의 경우 연구 목적으로는 적합하나, 실제 관측용 로켓 수준에 적용하기에는 다소 어려운 스펙을 가지고 있었다. 비싸다는 점이 가장 대표적인 단점이었으며, 여전히 특수소재를 사용하거나 소재를 구하기가 어렵다는 특징이 그 다음으로 꼽힌다.

그렇기에 플라스틱 FDM 프린터를 이용하여 연소실, 벌크헤드와 같은 구조 부품 뿐만 아니라 노즐 등 열에 직접 노출되는 부품까지 주위에서 흔히 접할 수 있는 보급형 3D 프린터를 이용하여 제작하는 방법에 대해서 다음 지면에 소개 할 계획이다.

또한, 추진제 그레인 역시도 기존에는 특수한 가공 장비가 없으면 형상을 커스터마이징 하기 어렵다는 특징이 있었으나 이러한 문제를 해결하는것에 초점을 맞추었다. 특징적인 점은 노즐 삭마재를 노즐 형상 몰드에 삽입하여 내열성을 향상시켰으며 이러한 간편 내열성 소재의 구성성분과 혼합비, 그리고 제작 공정에 대해 소개 할 계획이다.

이러한 소재로 제작을 하게 되면 문제점이 한가지 꼽히게 되는데 바로 부품 틈새로 새어나가는 연소 가스를 방지하기 위한 씰링 시스템이다. 원래는 가스켓이나 오링 등을 이용하여 씰링을 방지하지만 이러한 저가 시스템에서 해당 부품들을 주문제작 하기에는 어려움이 있기에 구조물 자체에서 씰링 역할을 하도록 설계를 진행해야 할 필요가 있다.

이러한 기능들을 담은 저가 고체 추진기관을 사용한 발사체의 경우 미세먼지 관측이나 저고도 기상 관측 미션에 사용될 수 있으며, 라디오 존데나 기상관측용 드론이 수행 할 수 있는 몇가지 미션을 수행할 수 있기에 상용화 가능성 역시 존재하며 해당 미션을 수행하기에 충분한 성능 또한 가지고 있다.





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