수소 로켓엔진 개발에 한걸음… 연소안정성 기초 데이터 획득

권오채 성균관대 교수 연구팀이 레이저유도형광을 이용해 수소추진제 연소 안정성을 진단했다. 왼쪽 사진의 흰색화살표는 불연속적인 연소반응을 보인 것이다. 반면 오른쪽 사진은 수소추진제가 연속적인 연소반응을 보이고 있다. 한국연구재단 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 우주개발에 필요한 액체로켓의 심장인 수소추진제 연소안정성 기초 데이터를 얻어 향후 한국형 발사체를 개발할때 수소 로켓엔진 설계의 기초자료가 될 수 있을 것으로 기대된다.

한국연구재단은 권오채 성균관대 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소안정성 평가기법을 제시했다고 15일 밝혔다. 이 평가기법으로 국내 액체로켓 추진제 다원화를 위한 밑거름이 될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우주핵심기술개발사업의 지원으로 이뤄진 이 연구의 성과는 열역학 분야 국제학술지 '에너지' 프린트판에 지난 8월 1일 게재됐다.

액체 로켓엔진 안에서 발생하는 추진제의 연소는 복합적 현상으로 로켓 발사에 성공한 나라에서도 아직 활발히 연구되는 주제다. 한국형 발사체 개발을 위해 국내에서도 등유를 고도로 정제한 케로신을 연료로하는 추진제에 대한 연구는 활발하나 수소 추진제 연구는 아직 많이 진행되지 않았다.

수소 추진제는 케로신 추진제에 비해 크고 무거운 로켓엔진을 요구하지만 압도적 추진력과 탄소를 배출하지 않는 친환경성 덕분에 코어엔진이나 상단엔진의 추진제로 일부 국가에서 상용화됐고 국내에서도 필요성이 제기돼 왔으나 아직 연구 초기단계다.

연구팀은 액체 로켓엔진의 작동조건을 똑같이하고자 최대 60기압에 이르는 고압 모델연소실과 영하 183℃의 초저온 액체산소를 공급할 수 있는 추진제 공급장치를 제작하고 연소실험을 진행, 수소 추진제의 연소안정한계를 측정했다.

화염이 꺼지거나 불안정해지는 등 연소에 이상이 생기는 연소안정한계는 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소다.

연구팀은 온도, 압력, 물리적 변화 단계, 분사속도 등 여러 분사조건 변화에 따른 연료의 혼합이나 분무특성을 분석하고 화염을 가시화해 연소특성을 연구했다. 얻은 화염가시화 데이터를 통해 수정된 연료 혼합의 비율을 제안해 화염이 안정화 될 수 있는 일반적 기준을 세우고, 이를 활용해 연소영역선도에 도식화하는 방식으로 평가도구를 설계할 수 있었다.

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 가스터빈, 보일러 등에 널리 적용되던 무차원 수를 액체로켓 엔진 평가에도 적용할 수 있도록 했다는 설명이다.

강경인 한국연구재단 우주기술단장은 "추진력이 매우 좋은 수소 추진제를 이용한 액체로켓 관련연구로 엔진의 연소 특성을 평가할 수 있는 방안이 제시됐으며, 친환경 고효율 엔진 개발을 위해서는 관련 기초연구들이 보다 폭 넓게 수행될 필요가 있다" 고 설명했다.

monarch@fnnews.com 김만기 기자

※ 저작권자 ⓒ 파이낸셜뉴스. 무단 전재-재배포 금지