[논문]친환경 추진제인 과산화수소와 액체메탄의 활용 역사와 연구 동향

김선진; 이양석; 고영성

친환경 추진제인 과산화수소와 액체메탄의 활용 역사와 연구 동향
Research Trend and Histories of Rocket Engines using Hydrogen Peroxide and Liquid Methane as Green Propellants 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.14 no.4 = no.59, 2010년, pp.46 - 58

김선진 (청양대학 소방안전관리학과) , 이양석 (충남대학교 항공우주공학과) , 고영성 (충남대학교 항공우주공학과)

초록
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최근 들어 새로운 차세대 우주발사체의 추진기관의 개발 방향에서 친환경성과 저비용성이 주요 관심사이며, 과산화수소와 액체메탄은 이러한 추진제로 대표적인 관심을 받고 있다. 과산화수소는 로켓 개발 초기에 널리 사용되었으나, 냉전시대에 성능을 최우선시함에 따라 사용이 현격히 감소해오다가 1990년대 이후 안정성의 향상과 더불어 다시 재조명 받기 시작하였다. 액체메탄은 실제 발사체의 추진기관으로 사용되지는 않았지만, 액화천연가스(LNG)로 사용할 수 있기 때문에 친환경/저비용 추진제로 지속적으로 관심을 받아왔으며 최근에는 달/화성 탐사와 관련하여 지속적인 연구가 수행되고 있다. 이러한 대표적인 친환경 추진제에 대한 활용 역사와 최근 연구 동향을 고찰하여, 향후 국내에서 소요될 각종 임무 조건을 만족하는 엔진의 연구 개발 방향 설정에 도움이 될 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen peroxide(HP) and liquid methane have deserved renewed considerations as green propellants in recent years, because main design concerns in the development of the new generation propulsion system for spacecrafts are concentrated on low operation cost and environmental cleanness. Although HP has a long history of application to aerospace propulsion systems due to high density, mono-propellant characteristics and low toxicity, it had been replaced by hydrazine and liquid oxygen due to extreme performance requirement during the cold war. But HP has received a renewed interest due to its increased stability and many researches have been conducted to develop high performance LREs(Liquid Rocket Engines) using HP. Liquid methane has also received a new interest in rocket propulsion system for the future space exploration according to its possibility of ISRU(In-Situ Resource Utilization).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 액체메탄 엔진의 개발이 시도되었으며 일부 논문이 소개되었으나, 발사체의 추진기관으로서의 활용을 위해서는 아직 연구가 활발히 수행되고 있지는 못한 실정이다. 그러나 향후 국내에서 다양하게 요구될 항공우주 추진기관의 소요 임무별 용도를 고려하여, 대표적인 친환경 추진제인 과산화수소와 액체메탄의 추진제로서의 특성 및 장점과 우주개발 선진국의 개발 동향을 살펴보고자 한다.
엔진의 개발에 성공하였다. 이후 PCAD 프로그램의 LSAM에 사용하기 위한 7,500 lbf급의 재생냉각과 가압방식의 LOx/LCH₄ 엔진(XR-5M15)의 개발에 착수하였다. 이 엔진은 2007년 재생냉각 방식을 도입한 연소 시험에 성공하였다고 밝히고 있으나 요구 성능을 완전히 만족시키지는 못한 것으로 알려져 있다[38].

제안 방법

일본은 1990년대부터 H-II 발사체의 액체수소/액체산소 엔진(LE-7)을 개발하는 와중에도 LE-7엔진을 액체메탄/액체산소 엔진으로 개량하는 연구를 병행하였으며, 차세대 우주발사체의 개발을 위한 GX(Galaxy Express) 로켓의 2단 엔진으로 액체메탄/액체산소 엔진의 도입을 결정하였다[41]. GX 프로그램은 일본과 미국 Lockheed Martin사의 공동프로그램으로 진행되고 있으며, 가압방식과 삭마냉각 방식의 10 tonf 엔진의 연소 시험을 수행하였다[41]. 이는 미국과 유사하게 궤도전이용 엔진이나 우주탐사선의 엔진을 겨냥한 것으로서, GX 로켓 개발 비용이 예상보다 3배 이상 늘어나면서 최초 비행도 연기되고 있으나 액체메탄/액체산소 엔진은 시간이 걸려도 반드시 확보해야 하는 기술로 인식하고 있다.
Northrop Grumman은 MDA(Missile DefenceAgency)의 Liquid Booster 개발 프로그램의 지원 하에 과산화수소(91%)와 케로신(톨루엔)을 사용하는 TR-108(30,000 lbf)의 터보펌프식 로켓 엔진을 개발하였다. 이 엔진은 open cycle의 삭마냉각 방식의 엔진으로서 현재까지 과산화수소를 사용하는 엔진 중 가장 큰 추력의 엔진이며, 2004년 Northrop 사의 Capistrano Test Site(CTS, 캘리포니아)에서 6.
미국은 V-2 로켓의 영향으로 과산화수소를 단일추진제로 사용하여 Redstone, Jupiter, Viking등의 발사체 엔진의 터보펌프 구동원으로 사용하였으며, MK 16 어뢰와 X-1 이라 불리는 소형잠수함 추진기관이 개발되었다[7]. 또한 과산화수소를 사용하는 이원추진제 로켓엔진을 개발하였으며, 주로 군용 항공기의 속도 증가를 위한 aircraft rocket assist system으로 활용하고자 하였다. 공군의 요구 하에 추력 증강을 주목적으로 Rocketdyne에서 "AR-series" 엔진을 개발하였으며, 해군에서 Reaction Motors Inc(RMI)와 LR-40엔진의 개발에 착수하였다[20,21].
Aerojet은 NASA와 함께 약 40년간 지속적으로 메탄엔진에 대한 연구를 진행하여 왔으며, 2001년에는 주로 독성추진제를 대체할 수 있는 무독성/극저온 추진제를 사용하는 RCS 엔진 개발에 착수하였다. 이후 PCAD 프로그램에 참여하여, 100 lbf 와 870 lbf 급의 RCS 엔진 및 점화 장치의 개발에 주요 역할을 수행하였다. 특히 870 lbf 급의 엔진의 경우 이미 733회 이상의 엔진 시험이 수행된 것으로 알려져 있다[36].

대상 데이터

1952년부터 순수 로켓 용도로 처음 개발된 이원추진제 로켓엔진으로 볼 수 있는 과산화수소/RP-1을 사용하는 Gamma 201(4,000 lbf엔진 4개) 개발에 착수하여, Black Knight 발사체에 사용하였다. Gamma 201의 성능을 개량한 Gamma301 엔진(21,600 lbf)이 개발되어 Black Knight에 장착되었으며, Black Knight는 1958~1965년 사이에 Austraila의 Woomera 발사장에서 22회 발사되었다.
1952년부터 순수 로켓 용도로 처음 개발된 이원추진제 로켓엔진으로 볼 수 있는 과산화수소/RP-1을 사용하는 Gamma 201(4,000 lbf엔진 4개) 개발에 착수하여, Black Knight 발사체에 사용하였다. Gamma 201의 성능을 개량한 Gamma301 엔진(21,600 lbf)이 개발되어 Black Knight에 장착되었으며, Black Knight는 1958~1965년 사이에 Austraila의 Woomera 발사장에서 22회 발사되었다. 이후 인공위성 발사체로 Black Arrow라는 3단 발사체의 개발에 착수하였으며, 1/2단에는 각각 과산화수소/RP-1을 추진제로 사용하는 24 tonf (Gamma 8 : 4개의 엔진 2쌍) 엔진과 7tonf (Gamma 2 : 엔진 2개) 엔진을 사용하였다.
Rocketdyne은 PCAD 프로그램에서 LSAM의 엔진으로 아폴로 LEM(Lunar Excursion Module)으로 사용되었던 RS-18 엔진(NTO/Aerozine 50: 3,500 lbf, Isp 310)을 LCH₄/LO2 엔진으로의 개량을 시도하였으며, 2009년 NASA WSTF(White Sands Test Facility)에서 고공 시험까지 수행되었다[34,37]
Walter는 1936년 최초로 80% 과산화수소에 액체 촉매(permanganate salts)를 분사하는 방법으로 2200 lbf의 로켓 엔진을 제작하였다. 이 로켓은 순수 로켓이라기보다는 항공기나 발사체의 ATO(Assisted Take-off Units)로 활용된 로켓 추진시스템의 실제 초기 모델이라 할 수 있으며, 이원추진제를 이용하는 ATO까지 제작되었다.
12와 같은 RD-161P 엔진 (96~98% 과산화수소/케로신)을 개발하였다. 이 엔진은 액체산소를 산화제로 사용하던 RD-161 엔진을 과산화수소를 사용하는 엔진으로 개량한 것으로서, 한 번의 미션동안 50회까지 재시동이 가능하도록 제작되었다. 진공 추력은 2.
Gamma 201의 성능을 개량한 Gamma301 엔진(21,600 lbf)이 개발되어 Black Knight에 장착되었으며, Black Knight는 1958~1965년 사이에 Austraila의 Woomera 발사장에서 22회 발사되었다. 이후 인공위성 발사체로 Black Arrow라는 3단 발사체의 개발에 착수하였으며, 1/2단에는 각각 과산화수소/RP-1을 추진제로 사용하는 24 tonf (Gamma 8 : 4개의 엔진 2쌍) 엔진과 7tonf (Gamma 2 : 엔진 2개) 엔진을 사용하였다.Black Arrow는 4번의 발사 중 2번 발사에 성공하며, 1971년에 Prospero 인공위성을 싣고 궤도진입까지 성공하였다.

성능/효과

과산화수소의 경우 과거 로켓개발 초기에 로켓추진제로 널리 사용되어 오다가 냉전시대에 성능을 최우선시하는 개발방향으로 인해 사용이 제한되다가, 최근 NASA를 비롯한 각국의 주요 연구 기관에서 활발한 연구가 수행되고 있다. 과산화수소에 대한 최근 연구 동향을 살펴본 결과, 우주발사체의 1단 엔진으로의 활용 가능성보다는 과산화수소/케로신 조합의 이원추진제 엔진을 상단발사체의 주엔진으로 사용하거나 자세제어/궤도전이용의 추력기로의 활용 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 과산화수소를 사용하는 엔진은 이미 20세기 중반에 실제 비행에 사용된 적이 있기 때문에, 가까운 시일 내에 기존의 독성 추진제를 대체하는 추진제로 실제 활용될 것으로 전망된다.

후속연구

과산화수소에 대한 최근 연구 동향을 살펴본 결과, 우주발사체의 1단 엔진으로의 활용 가능성보다는 과산화수소/케로신 조합의 이원추진제 엔진을 상단발사체의 주엔진으로 사용하거나 자세제어/궤도전이용의 추력기로의 활용 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 과산화수소를 사용하는 엔진은 이미 20세기 중반에 실제 비행에 사용된 적이 있기 때문에, 가까운 시일 내에 기존의 독성 추진제를 대체하는 추진제로 실제 활용될 것으로 전망된다.
액체메탄의 경우는 한번도 실제 비행에 사용된 적이 없다는 단점을 가지고 있지만, 현재 각국에서 경쟁적으로 고려하고 있는 우주 탐사에서 현지 자원을 활용한 추진제로의 활용 가능성과 저렴한 가격과 취급의 용이성으로 인해 각국에서 꾸준한 연구가 수행되고 있다. 액체메탄이 현재 주로 사용되고 있는 케로신과 액체수소의중간적 특성을 가지기 때문에 가까운 시일 내에 사용될 가능성은 적은 것으로 판단되나, 향후 화성 탐사 등이 좀 더 가시화될 경우 새로운 엔진으로 활용될 가능성이 높은 것으로 판단된다. 현재 국내의 우주발사체 개발 상황으로는 기존의 케로신/액체산소를 사용하는 엔진의 고성능화에 집중하는 것이 타당한 것으로 판단되나, 전세계주요 우주발사체 개발 국가에서 차세대 추진제로 과산화수소와 액체메탄의 활용을 고려하고 있는 것을 감안하면 국내에서도 이러한 엔진의 개발을 위한 노력 또한 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	새로운 차세대 우주발사체의 추진기관의 개발 방향에서 주요 관심사는 무엇인가?	최근 들어 새로운 차세대 우주발사체의 추진기관의 개발 방향에서 친환경성과 저비용성이 주요 관심사이며, 과산화수소와 액체메탄은 이러한 추진제로 대표적인 관심을 받고 있다. 과산화수소는 로켓 개발 초기에 널리 사용되었으나, 냉전시대에 성능을 최우선시함에 따라 사용이 현격히 감소해오다가 1990년대 이후 안정성의 향상과 더불어 다시 재조명 받기 시작하였다.
	과산화수소와 액체메탄가 우주발사체의 추진제로 관심받게 된 배경은 무엇인가?	최근 들어 새로운 차세대 우주발사체의 추진기관의 개발 방향에서 친환경성과 저비용성이 주요 관심사이며, 과산화수소와 액체메탄은 이러한 추진제로 대표적인 관심을 받고 있다. 과산화수소는 로켓 개발 초기에 널리 사용되었으나, 냉전시대에 성능을 최우선시함에 따라 사용이 현격히 감소해오다가 1990년대 이후 안정성의 향상과 더불어 다시 재조명 받기 시작하였다. 액체메탄은 실제 발사체의 추진기관으로 사용되지는 않았지만, 액화천연가스(LNG)로 사용할 수 있기 때문에 친환경/저비용 추진제로 지속적으로 관심을 받아왔으며 최근에는 달/화성 탐사와 관련하여 지속적인 연구가 수행되고 있다. 이러한 대표적인 친환경 추진제에 대한 활용 역사와 최근 연구 동향을 고찰하여, 향후 국내에서 소요될 각종 임무 조건을 만족하는 엔진의 연구 개발 방향 설정에 도움이 될 것으로 예상된다.
	액체메탄이 연료로서 가지는 장점은 무엇인가?	액체메탄의 경우는 90%이상이 액체메탄으로 구성된 액화천연가스(LNG) 형태로 사용될 수 있기 때문에 케로신에 비해 가격이 약 1/3 정도로 저렴하고, 향후 100년 이상 사용될 수 있는 연료라는 장점을 가지고 있다[9]. 따라서 케로신 및 독성 연료(MMH 등)의 대체 연료로 지속적으로 고려되었으며 그 대표적인 이유 중 하나는 “청정연료”로 취급될 수 있을 정도로 환경오염 물질이 적으며, 탄화수소 계열 연료 중 액체산소와 조합시 상당히 큰 밀도 비추력(bulk density impulse)을 가지며 재생냉각 특성이 우수한 연료라는 점 때문이다[2,3,9-11].

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