로켓의 주요 구성품 "추진제(액체/하이브리드)"

추진제는 무엇인가?

추진제는 로켓에서 추력을 얻기 위해 산화되는 화학적 혼합물을 의미하며, 연료와 산화제로 구성된다. 연료는 추진을 위해 가스를 생성하도록 산소와 결합될 때 연소되는 물질이다. 산화제는 연료와 반응하는 산소를 생성하는 매개 물질이다. 추진제는 저장 또는 운용되는 상태에 따라 액체, 고체, 가스 또는 하이브리드로 분류한다.

액체 추진제

액체 추진제 로켓에서 연료와 산화제는 별도의 탱크에 저장되고, 파이프, 밸브 및 터보펌프 등을 통하여 연소실로 전달되며 연소실에서 혼합되어 추력을 생성하도록 연소된다. 액체 추진제 엔진은 고체 추진제 엔진에 비하여 훨씬 복잡하나 여러 가지 장점을 제공한다. 연소실까지 가는 과정에서 추진제의 흐름을 제어함으로써 엔진을 정지시키거나, 추력을 조절하거나 또는 재시동이 가능하다. 일반적으로 액체 추진제의 특성은 비추력, 밀도, 저장 온도, 독성 등과 연관이 있다. 고성능 액체 추진제는 높은 비추력 특성을 가졌음을 의미하며, 이는 곧 낮은 분자량을 갖고 고온의 연소온도 및 배기가스를 분출하는 추진제를 의미한다. 비추력 외 추진제의 밀도도 성능과 연관된다. 저밀도의 추진제는 대형 저장탱크가 요구된다는 것을 의미하며, 이는 곧 로켓(발사체)의 중량을 증가시킨다. 추진제의 저장온도 또한 중요하다. 극저온의 저장온도를 갖는, 예를 들어 액체수소나 액체산소와 같은 추진제는 극저온 상태가 유지되는 단열장치가 부수적으로 필요하며 이는 로켓의 무게를 더욱 증가시키는 원인이 된다. 유사하게 추진제의 독성이나 부식성도 중요하다. 독성이 있는 추진제를 다루고 운반하고, 저장할 때는 항상 안전에 대해 유의하여야 하며, 부식성이 있는 추진제들은 부식성을 견딜 수 있는 소재를 사용해야 한다.

 

로켓이나 발사체에 사용되는 액체 추진제는 크게 탄화수소, 극저온 및 자동연소성 연료 등의 세 가지로 분류할 수 있다. 탄화수소 계열의 연료는 원유로부터 정제된 추진제이며, 오직 탄소와 수소로 구성된 복합유기물이다. 로켓 연료로 사용되고 있는 탄화수소에는 케로신 및 RP-1이라고 불리는 고정제 케로신의 일종이 있다. 이들은 보통 산화제인 액체산소와 결합하여 사용된다. RP-1과 액체산소는 아틀라스센터우르 IB 및 새턴 V 발사체의 1단 추진제로도 사용되었다. 극저온 추진제는 연료로서 액체수소 및 산화제로서 액화산소처럼 매우 낮은 온도에서 저장되는 액화가스를 말한다. 액체수소는 -253도의 온도에서 액체 상태를 유지한다. 액체산소는 - 183도의 온도에서 액체 상태를 유지한다. 극저온 추진제는 낮은 온도 때문에 장시간 동안 저장한다는 것이 대단히 어렵다. 이런 이유 때문에 오랫동안 발사준비가 유지되어야 하는 군용 로켓에 사용하기에는 적당하지 않다. 또한, 액체수소는 매우 낮은 밀도를 갖기 때문에 다른 연료에 비해 몇 배나 큰 저장용량이 요구된다. 이러한 단점에도 불구하고 고효율의 액체수소와 액체산소 추진제는 반응시간과 저장성이 큰 문제가 아닐 때 사용될 수 있으며, 액체수소는 다른 로켓 연료에 비해 약 40% 정도 높은 비추력을 생성할 수 있다. 이러한 이유로 액체수소와 액체산소는 우주왕복선의 높은 효율을 요구하는 주 엔진의 추진제로 사용되고 있으며, 주 엔진 외에도 아틀라스센터우르 발사체의 2단 로켓, 새턴 V 및 새턴 IB의 상단 로켓으로도 사용되었다. 자동연소성 추진제는 서로 접촉되었을 때 자발적으로 점화되는 연료와 산화제를 말하며, 별도의 점화전원이 필요하지 않는 장점을 갖는다. 이러한 손쉬운 점화나 재점화 특성은 우주비행체 제어시스템에 이상적으로 사용되고 있으며, 상온에서 액체 상태를 유지하기 때문에 극저온 추진제의 저장과 같은 문제가 없다. 그러나 자동연소성 추진제는 대단히 독성이 심하기 때문에 다룰 때 세심한 주의를 필요로 한다. 일반적으로 자동연소성 추진제는 연료와 산화제를 반응시키는 이원추진제로 활용되는데, 흔히 연료로는 하이드라진, MMH 및 UDMH를 포함한다. 전형적인 산화제는 N2O4 또는 HNO가 사용된다. 한편, 하이드라진은 종종 촉매분해를 이용하는 단일 추진제로도 사용된다. 단일 추진제로 하이드라진은 촉매와 반응하여 질소, 수소 및 암모니아의 고온가스를 생성하며 분해되는데, 약 1,200K의 고온 가스를 생성하며 비추력은 약 230 에서 240초 정도이다. 이러한 단일추진제 시스템은 위성용 추진시스템이나 가스 생성기로 널리 활용하고 있다.

하이브리드 추진제

하이브리드 추진제 엔진은 고체와 액체 추진제 엔진의 중간 그룹이라고 할 수 있다. 보통 연료는 고체이고 산화제는 액체이다. 연료 저장소가 연소실 역할을 하는 고체연료에 액체 산화제가 주입되는 것이 일반적인 형태이다. 이러한 엔진의 주 장점은 고체 추진제와 유사한 고성능을 가지면서도 연소를 중단시키거나 재시동을 할 수 있다. 매우 큰 추력이 요구되는 엔진에 이러한 개념을 적용시키는 것은 어렵기 때문에 하이브리드 추진제 엔진은 아직 활성화 단계에 있지 못하다.