▲ 성균관대학교 기계공학부 권오채 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소안정성 평가기법을 제시했다.

[기계신문] 성균관대학교 기계공학부 권오채 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소안정성 평가기법을 제시했다. 이는 국내 액체로켓 추진제 다원화를 위한 밑거름이 될 것으로 기대된다.

최초의 자체 개발 우주발사체인 나로호 발사 성공으로 우리나라는 우주 진출에 첫 발을 내딛었으나, 러시아나 미국뿐 아니라 중국, 일본, 유럽 등의 우주기술 선진국에 비해 우리나라의 발사체 핵심 기술은 매우 취약한 수준이다.

우주개발 수요 증가 및 국제적 우주기술 시장에서의 경쟁력 제고를 위하여 우주 개발 연구를 독자적으로 수행할 수 있는 능력 확보가 필요하며 나아가 우주개발 선진국에 진입하기 위해서는 발사체 핵심 기술인 액체 로켓엔진 개발 기술 확보가 필요하다.

액체 로켓엔진 개발에 천문학적인 자금과 시간을 투자하던 이전과 달리 최근에는 발사체의 신뢰도 향상과 재사용 가능한 액체 로켓엔진 기술, 친환경 추진제 개발 등을 목표로 하여 경제적이고 효율적인 우주기술 개발을 지향하고 있다.

수소 추진제는 발사체의 부피와 무게가 케로신과 메탄을 포함한 다른 추진제를 사용하는 발사체에 비해 크고 무겁지만 압도적인 비추력 값을 가져 코어엔진이나 상단엔진의 추진제로 사용되며 연소 생성물에 독성이 없어 친환경적이다.

수소 추진제는 기술성숙도가 높은 우주발사체 선진국에서 활발하게 연구되어 사용 중인 검증된 추진제로써 관련 연구를 통해 선진국과의 기술 교류로 우리나라의 우주 발사체 기술성숙도를 제고할 수 있으나, 효율적인 액체 로켓엔진 설계기술 확보를 위해서는 추진제 관련 체계적인 기초연구가 필수적이다.

연구팀은 액체 로켓엔진의 작동조건을 모사하기 위해 최대 60기압에 이르는 고압 모델연소실과 영하 183도의 초저온 액체산소를 공급할 수 있는 추진제 공급장치를 제작하고 연소실험을 수행, 수소 추진제의 연소안정한계를 측정하였다.

▲ 레이저유도형광을 이용한 연소진단 (좌) 불연속적인 연소반응(흰색화살표) (우) 연속적인 연소반응

화염이 꺼지거나 불안정해지는 등 연소에 이상이 생기는 연소안정한계는 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소로 이에 대한 데이터는 수소 로켓엔진 설계의 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 온도, 압력, 상(phase), 분사속도 등 여러 분사조건 변화에 따른 연료의 혼합이나 분무특성을 분석하고 화염을 가시화하여 연소특성을 살폈다.

얻은 화염가시화 데이터를 통해 수정된 Damkohler 수를 제안하여 화염이 안정화될 수 있는 일반적인 기준을 세우고, 이를 활용하여 연소영역선도에 도식화하는 방식으로 평가도구를 설계할 수 있었다. 이때 Damkohler 수는 난류 화염을 이해하는 데 중요한 수로, 특성 화학 시간에 대한 특성 혼합 시간의 비를 나타낸다.

이번 성과는 연소실의 규모, 연료의 분사량, 분사속도, 연료의 종류 등 연소에 관여하는 변수들이 달라지더라도 범용적으로 추진제의 연소특성을 평가할 수 있는 기준을 제시한 데 의의가 있다.

기존 연소안정한계는 특정 실험조건에서 얻은 측정값으로 연소조건이 달라지는 실제 로켓엔진 평가에 활용하기는 어려웠다. 기존 가스터빈, 보일러 등에 널리 적용되던 무차원 수를 액체로켓 엔진 평가에도 적용할 수 있도록 했다는 설명이다.

강경인 한국연구재단 우주기술단장은 “비추력이 매우 좋은 수소 추진제를 이용한 액체로켓 관련 연구로 엔진의 연소 특성을 평가할 수 있는 방안이 제시되었으며, 친환경 고효율 엔진 개발을 위해서는 관련 기초연구들이 보다 폭 넓게 수행될 필요가 있다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우주핵심기술개발사업의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 성과는 열역학 분야 국제학술지 ‘에너지(Energy)’ 프린트판에 8월 1일 게재되었다.