기계공학부 권오채 교수 연구팀이 수소 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소안정성 평가기법을 제시했다. 국내 액체로켓* 추진제 다원화를 위한 밑거름이 될 것으로 기대된다.

※ 액체로켓 : 고체추진제를 사용하는 로켓에 비해 복잡하나 엔진을 끄고 켜는 등의 정밀한 조정이 가능하다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우주핵심기술개발사업의 지원으로 이뤄진 이 연구의 성과는 열역학 분야 국제학술지 ‘에너지'(Energy) 프린트판에 8월 1일 게재되었다.

액체 로켓엔진 안에서 발생하는 추진제의 연소는 복합적 현상으로 로켓 발사에 성공한 나라에서도 아직 활발히 연구되는 주제이다.

한국형 발사체 개발을 위해 국내에서도 케로신* 추진제에 대한 연구는 활발하나 수소 추진제 연구는 아직 많이 진행되지 않았다.

※ 케로신 : 등유. 가솔린 다음으로 높은 끓는점 범위를 가진 석유 증류분. 로켓 엔진에서는 케로신을 고도로 정제한 RP-1 등을 이용한다.

수소 추진제는 케로신에 비해 크고 무거운 로켓엔진을 요구하지만 압도적인 비추력*과 탄소를 배출하지 않는 친환경성 덕분에 코어엔진이나 상단엔진의 추진제로 일부 국가에서 상용화되었고 국내에서도 필요성이 제기되어 왔으나 아직 연구 초기단계다.

※ 비추력 : 로켓 추진제의 성능을 나타내는 값. 1 초당 추진제 1 kg이 소비될 때 발생하는 힘

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

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 연구했다.

얻은 화염가시화 데이터를 통해 수정된 Damkohler 수*를 제안하여 화염이 안정화 될 수 있는 일반적인 기준을 세우고, 이를 활용하여 연소영역선도에 도식화하는 방식으로 평가도구를 설계할 수 있었다.

※ Damkohler 수 : 난류 화염을 이해하는 데 중요한 수. 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.