로켓추진기관에 있어 과산화수소는 단일추진제와 이종추진제의 산화제로 사용되어 왔다. 과산화수소는 추력기용으로 사용된 최초의 단일추진제였으나, 후에 보다 비추력이 높고 저장성이 좋은 하이드라진으로 대체되었고, 터보펌프 구동용으로는 여전히 사용되어지고 있다. 이종추진제의 산화제로서는 1970년대까지 사용되었다. 1990년대에 들어서 저비용, 친환경적인 개발이 중요하게 대두되면서 과산화수소는 다시 개발자들의 관심의 대상이 되었다. 과산화수소의 저장성능이 과거에 비해 크게 개선되었으며, 케로신/과산화수소를 추진제 조합으로 사용하는 경우 케로신/액체산소를 사용하는 경우에 비하여 가속성능은 다소 떨어지나, 높은 추진제밀도와 O/F 비로 인하여 유사한 가속성능을 얻을 수 있으며, 연소생성물 역시 더욱 청정하였다.
로켓추진기관에 있어 과산화수소는 단일추진제와 이종추진제의 산화제로 사용되어 왔다. 과산화수소는 추력기용으로 사용된 최초의 단일추진제였으나, 후에 보다 비추력이 높고 저장성이 좋은 하이드라진으로 대체되었고, 터보펌프 구동용으로는 여전히 사용되어지고 있다. 이종추진제의 산화제로서는 1970년대까지 사용되었다. 1990년대에 들어서 저비용, 친환경적인 개발이 중요하게 대두되면서 과산화수소는 다시 개발자들의 관심의 대상이 되었다. 과산화수소의 저장성능이 과거에 비해 크게 개선되었으며, 케로신/과산화수소를 추진제 조합으로 사용하는 경우 케로신/액체산소를 사용하는 경우에 비하여 가속성능은 다소 떨어지나, 높은 추진제밀도와 O/F 비로 인하여 유사한 가속성능을 얻을 수 있으며, 연소생성물 역시 더욱 청정하였다.
In the field of rocket propulsion system hydrogen peroxide has been used as mono-propellant and as the oxidizer of bi-propellants. At the beginning, hydrogen peroxide was used as mono-propellant for thrusters, but later it had been replaced by hydrazine, which has better specific impulse and storabi...
In the field of rocket propulsion system hydrogen peroxide has been used as mono-propellant and as the oxidizer of bi-propellants. At the beginning, hydrogen peroxide was used as mono-propellant for thrusters, but later it had been replaced by hydrazine, which has better specific impulse and storability. On the other hand, to drive turbo-pumps, hydrogen peroxide is still being utilized. As the oxidizer of bi-propellants it was used until 1970's and from 1990's hydrogen peroxide once again got back to developer's interest, because one of the recent development purposes of rocket propulsion system is low-cost and ecologically-clean. Until now the storability of hydrogen peroxide has been remarkably improved. The combination of Kerosene/$H_2O_2$ also shows similar accelerating performance to Kerosene/$LO_x$ combination because of higher propellant density and higher O/F ratio, even though the propulsion performance is not as good as the combination of Kerosene/$LO_x$. Moreover, its combustion products are much cleaner than Kerosene/$LO_x$ combination.
In the field of rocket propulsion system hydrogen peroxide has been used as mono-propellant and as the oxidizer of bi-propellants. At the beginning, hydrogen peroxide was used as mono-propellant for thrusters, but later it had been replaced by hydrazine, which has better specific impulse and storability. On the other hand, to drive turbo-pumps, hydrogen peroxide is still being utilized. As the oxidizer of bi-propellants it was used until 1970's and from 1990's hydrogen peroxide once again got back to developer's interest, because one of the recent development purposes of rocket propulsion system is low-cost and ecologically-clean. Until now the storability of hydrogen peroxide has been remarkably improved. The combination of Kerosene/$H_2O_2$ also shows similar accelerating performance to Kerosene/$LO_x$ combination because of higher propellant density and higher O/F ratio, even though the propulsion performance is not as good as the combination of Kerosene/$LO_x$. Moreover, its combustion products are much cleaner than Kerosene/$LO_x$ combination.
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문제 정의
과산화수소가 과거 발사체 개발과정 및 역사 속에서 어떤 역할을 하였는지 고찰해 보는 것은 매우 중요하며, 본 논문에서는 발사체 추진기관 측면에서 과산화수소의 역할을 고찰해 보고자 한다.
한편 과산화수소를 추진제로 사용하고자 하는 국내의 연구동향을 보면, 소형 단일추진제 추력기 분야의 일부 연구를 제외하고는 거의 전무한 상태이다. 따라서 본 보고서에서는 추진제로서 과산화수소의 역할, 국외 동향, 열역학 및 가속성능 해석 등을 통한 성능비교, 그리고 시스템 관점에서 과산화수소의 활용 의미 등을 고찰해 보고자 한다.
가설 설정
- 생산단가가 액체산소에 비해 비싸다. (액체산소의 생산비에 비하여 비싼 가격을 형성한다.
- 시간이 지남에 따라 자연 분해된다. (과산화수소는 장기보관 시 자연분해 되는 특성을 가진다.
- 증기압이 매우 낮다. (25℃의 상온에서 0.
이를 확인하기 위하여 RP-1에 대하여 과산화수소를 산화제로 쓰는 경우와 액체산소를 쓰는 경우를 비교하여 보았다. 발사체의 크기는 동일하며, 필요한 O/F비에 따라 발사체 내의 연료탱크 크기만 변함을 가정하였다. 연소실압력 50 bar, 압력확대비 1,000, 그리고 추진제가 이상적으로 완전 소모되며, 액체산소를 쓸 때 추진제의 무게가 발사체 전체무게의 90%라고 가정하였다.
발사체의 크기는 동일하며, 필요한 O/F비에 따라 발사체 내의 연료탱크 크기만 변함을 가정하였다. 연소실압력 50 bar, 압력확대비 1,000, 그리고 추진제가 이상적으로 완전 소모되며, 액체산소를 쓸 때 추진제의 무게가 발사체 전체무게의 90%라고 가정하였다. 즉 과산화수소를 산화제로 사용할 경우 액체산소를 쓰는 경우와 비교하여 발사체의 연소 후 무게는 동일하나, 연소 전 무게는 평균밀도의 증가만큼 무거워진 상태가 된다.
이 때 O/F비는 일반적인 엔진제작의 경우와 마찬가지로 비추력을 가장 크게 얻을 수 있는 값을 가정하였다. 즉 RP-1/액체산소의 경우 2.
본 논문에서는 최소자유에너지법(minimization of free energy)을 사용하는 NASA CEA2의 계산결과를 포함하고 있다. 이동평형(shifting or equilibrium)과 동결평형(frozen)의 결과를 나타냈으며, 동결지점은 연소실 후단으로 가정하였다[15].
제안 방법
50년대 후반 주 추진제로 케로신/과산화수소를 사용하는 시험로켓 “Black Knight”를 개발하였으며, 이 기술을 바탕으로 60년대 후반에는 우주궤도진입용 로켓인 “Black Arrow”를 개발하였다(Fig. 4).
액체상태의 과망간산염 수용액을 촉매로 사용하였으며, 가스발생기(혹은 증기가 대부분의 생성물이라 하여 ‘증기발생기’라고도 불린다)에서 과산화수소와 혼합시켜 685 K의 고온가스를 발생시켰다. 과산화수소 탱크와 촉매수용액 탱크를 가압하는 기체의 압력을 조절하여, 가스발생기로 유입되는 유량을 제어하였으며, 이를 통하여 발사체의 추력을 조절하였다.
과산화수소가 이원추진제로 사용되는 경우 과산화수소는 연료와 반응하는 산화제의 역할을 수행한다. 과산화수소가 산화제로서 나타내는 성능을 비교해 보기 위하여 연소실압력 10, 50, 100bar, 압력확대비 최대 1,000 까지에 대하여 RP-1/액체산소와 RP-1/과산화수소(98%, 90%, 80%)를 비교하였다.
이후 독일, 러시아, 미국, 프랑스 등을 중심으로 많은 연구가 시작되었고, 불과 100여 년에 불구한 액체로켓추진기관의 역사 동안 많은 로켓개발자들이 보다 적합한 추진제를 찾기 위한 많은 노력을 경주하였다. 그 결과, 약 1,800 여 종의 화학물질을 추진제 후보로 검토하였고, 2,000여 연료/산화제 조합을 연구하였으며, 300여 조합에 대한 지상추력연소시험을 실시하였다. 그리고, 이 중 약 40 여 조합을 사용하여 실제 로켓 비행시험을 수행하였다.
액체상태의 과망간산염 수용액을 촉매로 사용하였으며, 가스발생기(혹은 증기가 대부분의 생성물이라 하여 ‘증기발생기’라고도 불린다)에서 과산화수소와 혼합시켜 685 K의 고온가스를 발생시켰다.
4). 이 발사체는 터빈구동을 위한 별도의 공급시스템 없이 주 산화제배관으로부터 일부 과산화수소를 분기하여 촉매에 의해 반응시켜 터빈을 구동하였다. 3단형으로 구성된 “Black Arrow”에서 상단인 3단은 고체로켓추진기관이었으며, 1단과 2단에는 각각 24톤, 7톤의 추력을 발생시키는 케로신/과산화수소 엔진인 Gamma 8과 Gamma 2가 각각 사용되었다(Table 2).
이를 확인하기 위하여 RP-1에 대하여 과산화수소를 산화제로 쓰는 경우와 액체산소를 쓰는 경우를 비교하여 보았다. 발사체의 크기는 동일하며, 필요한 O/F비에 따라 발사체 내의 연료탱크 크기만 변함을 가정하였다.
최초 유인우주인 역시 R-7 계열인 보스톡 발사체로 성공하였다. 케로신과 액체산소를 주 추진제로 사용하였으며, 과산화수소를 고체촉매(과망간산염)에 의해 분해시켜 터보펌프를 구동하였다. 또한 이 엔진은 고체촉매실로 유입되는 과산화수소의 유량을 조절함으로서 추력을 제어하였다.
대상 데이터
3단형으로 구성된 “Black Arrow”에서 상단인 3단은 고체로켓추진기관이었으며, 1단과 2단에는 각각 24톤, 7톤의 추력을 발생시키는 케로신/과산화수소 엔진인 Gamma 8과 Gamma 2가 각각 사용되었다(Table 2).
AR 계열의 엔진 역시 케로신/과산화수소를 사용하는 로켓엔진으로, “LR-40”과 비슷한 시기에 미공군의 요청에 의해 항공기가속용으로 Rocketdyne에서 제작하였다.
그 결과, 약 1,800 여 종의 화학물질을 추진제 후보로 검토하였고, 2,000여 연료/산화제 조합을 연구하였으며, 300여 조합에 대한 지상추력연소시험을 실시하였다. 그리고, 이 중 약 40 여 조합을 사용하여 실제 로켓 비행시험을 수행하였다.
이론/모형
본 논문에서는 최소자유에너지법(minimization of free energy)을 사용하는 NASA CEA2의 계산결과를 포함하고 있다. 이동평형(shifting or equilibrium)과 동결평형(frozen)의 결과를 나타냈으며, 동결지점은 연소실 후단으로 가정하였다[15].
성능/효과
이상의 결과처럼 케로신/액체산소 조합을 쓴 경우에 비해 케로신/과산화수소 조합은 상대적으로 더 친환경적인 추진제조합이라고 할 수 있다.
후속연구
현재 미국과 러시아 등 우주개발선진국들은 새로운 시스템에 대한 요구가 현안으로 대두되어 있음에도 불구하고, 기존 시스템의 유지보수만으로도 상당히 힘들어하고 있어, 과산화수소를 포함한 여러 새로운 시도들에 대한 원활한 연구개발이 진행되지 못하고 있다. 향후 과산화수소가 로켓추진기관의 추진제로 어떤 자리매김을 할지 관심을 가지고 계속 주목해 볼 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
로켓추진기관이란 어떤 기관을 일컫는가?
“로켓추진기관”은 제트추진기관(혹은 반동추진기관)중에서도 모든 추진제를 기체 내에 가지고 있는 기관을 말하며, 비행체 내에 연료만을 탑재하고 산화제를 외부로부터 얻는, 즉 공기를 흡입하여 연료와 혼합, 연소 후 반작용력을 발생시키는 공기흡입식추진기관(혹은 덕트추진기관)과 구별된다. 로켓추진기관은 공기흡입식추진기관에 비하여 월등히 떨어지는 비추력을 보이지만, 모든 추진제를 자체적으로 보유하고 있어 공기가 없는 물속은 물론, 진공상태의 우주에서도 추진력을 얻을 수 있다.
액체로켓추진기관이 우주비행에 더 주목받은 이유는 무엇인가?
수백 년간 인류는 고체상태의 연료와 산화제를 혼합한 고체로켓추진기관을 사용하여 왔으며, 그 용도는 주로 불꽃놀이 등의 유희에 이용되었고, 일부는 군사적 목적으로 사용되기도 하였다. 19세기 말에 접어들면서 우주로 진출하기 위한 보다 구체적인 연구가 시작되었고, 고체로켓추진기관보다는 비추력이 좀 더 높고, 추력 조절이 용이한 액체로켓추진기관이 우주비행에 더 적합함이 밝혀졌다. 이후 독일, 러시아, 미국, 프랑스 등을 중심으로 많은 연구가 시작되었고, 불과 100여 년에 불구한 액체로켓추진기관의 역사 동안 많은 로켓개발자들이 보다 적합한 추진제를 찾기 위한 많은 노력을 경주하였다.
과산화수소 시스템이 자연환경에 갖는 이점은 무엇이 있는가?
이로 인하여 엔진부의 유공압 제어요소가 감소한다는 점 등은 과산화수소 시스템이 성능 면이나 신뢰도 면에서 기존 시스템에 크게 뒤지지 않는다는 점을 보여주고 있다. 또한 그동안 문제시되었던 자연분해가 크게 개선되었고, 케로신/액체산소 조합에 비해 친환경적이라는 점도 주요 장점 중 하나이다.
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