최근 들어 차세대 추진제로서 각광을 받고 있는 메탄의 성능특성을 분석하고, 메탄/산소 로켓엔진의 기술개발 동향을 조사하였다. 로켓연료로서의 액체메탄은 무독성, 경제성, 우수한 재생냉각성능, 그리고 행성의 현지자원활용(ISRU) 가능성 등과 같은 여러 유리한 특성을 가지며, 액체산소와의 조합시 높은 비추력 확보 및 시스템 경량화가 가능하다. 이러한 이유로, 메탄/산소 엔진에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있기는 하지만 그 기술성숙도가 아직은 그리 높지 않은 것으로 확인되는 바, 메탄 로켓엔진 개발을 통하여 우주기술 선진국과의 기술격차 해소가 필요한 시점이라고 판단된다.
최근 들어 차세대 추진제로서 각광을 받고 있는 메탄의 성능특성을 분석하고, 메탄/산소 로켓엔진의 기술개발 동향을 조사하였다. 로켓연료로서의 액체메탄은 무독성, 경제성, 우수한 재생냉각성능, 그리고 행성의 현지자원활용(ISRU) 가능성 등과 같은 여러 유리한 특성을 가지며, 액체산소와의 조합시 높은 비추력 확보 및 시스템 경량화가 가능하다. 이러한 이유로, 메탄/산소 엔진에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있기는 하지만 그 기술성숙도가 아직은 그리 높지 않은 것으로 확인되는 바, 메탄 로켓엔진 개발을 통하여 우주기술 선진국과의 기술격차 해소가 필요한 시점이라고 판단된다.
A study was conducted for the performance characteristics of methane taking recently the limelight in the world as a next-generation propellant, with the survey for state of the art in the development of methane/oxygen rocket engine being accompanied. Liquid methane as a rocket fuel has the favorabl...
A study was conducted for the performance characteristics of methane taking recently the limelight in the world as a next-generation propellant, with the survey for state of the art in the development of methane/oxygen rocket engine being accompanied. Liquid methane as a rocket fuel has the favorable characteristics such as non-toxic, low cost, regenerative cooling capability, and potential for in-situ resource utilization (ISRU). The combination of liquid methane and liquid oxygen also provides the excellent performance including high specific impulse and low system mass. For these reasons, many researches have been actively carried out on the methane/oxygen engine, nevertheless, its technology readiness level is not that high enough just yet. Therefore, it is judged that it is the time to mitigate the technical gap with the space technology of advanced countries through a swift onset of the development of methane rocket engine.
A study was conducted for the performance characteristics of methane taking recently the limelight in the world as a next-generation propellant, with the survey for state of the art in the development of methane/oxygen rocket engine being accompanied. Liquid methane as a rocket fuel has the favorable characteristics such as non-toxic, low cost, regenerative cooling capability, and potential for in-situ resource utilization (ISRU). The combination of liquid methane and liquid oxygen also provides the excellent performance including high specific impulse and low system mass. For these reasons, many researches have been actively carried out on the methane/oxygen engine, nevertheless, its technology readiness level is not that high enough just yet. Therefore, it is judged that it is the time to mitigate the technical gap with the space technology of advanced countries through a swift onset of the development of methane rocket engine.
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문제 정의
로켓엔진의 연료로 사용가능한 메탄의 주요특성 및 장단점을 조사/분석하고, 종래의 고성능 추진제와의 성능비교를 통해 실제 비행체계로의 적용 가능성을 제시하였다. 또, 우주기술 선진국의 메탄/산소 이원액체추진제 로켓엔진의 기술 개발 동향을 소개하였다.
이러한 세계적인 추세와 더불어 우리나라 또한 2020년을 전후하여 한국형발사체(KSLV-II) 독자개발과 함께 달 궤도선 및 착륙선의 발사성공을 목표로 하고 있으므로, 종래의 우주추진기관은 물론이고 차세대 로켓엔진 개발을 위한 체계적인 연구가 그 어느 때보다 필요한 시점이다. 본 논문에서는 대표적인 차세대/친환경 추진제로서 각광을 받고 있는 메탄의 성능특성을 기존의 추진제와 비교/분석하고, 메탄엔진과 관련된 우주기술 선진국의 기술개발 현황을 소개하고자 한다.
제안 방법
Northrop Grumman은 자연발화성 추진제(hypergolic propellant)를 사용하는 엔진 개발경험에 의해 축적된 노하우를 근간으로 450 N급 CH4/LOx 엔진 개발을 시도하였다. 액체산소 및 액체메탄을 연소실 및 노즐 일부분의 재생냉각 시스템에 적용하여 시험모델을 설계/제작하였으며, 진공모사 연소시험결과 목표성능 규격을 충족시킴이 확인되었다.
로켓엔진의 연료로 사용가능한 메탄의 주요특성 및 장단점을 조사/분석하고, 종래의 고성능 추진제와의 성능비교를 통해 실제 비행체계로의 적용 가능성을 제시하였다. 또, 우주기술 선진국의 메탄/산소 이원액체추진제 로켓엔진의 기술 개발 동향을 소개하였다.
7 kN급 LCH4/LOx 로켓엔진 성능시험을 위해 Armadillo Aerospace사와 계약을 체결하였다. 지상연소시험은 텍사스주에 위치한 Armadillo 소유의 시험설비에서 진행되었고, NASA의 WSTF(White Sands Test Facility)에서는 고고도 모사시험을 수행하였다. 총 10회의 환경모사 시험을 통해 진공환경 점화 특성을 확인하고, 노즐 형상변수에 따른 엔진성능을 검증하였다[19,23,35].
지상연소시험은 텍사스주에 위치한 Armadillo 소유의 시험설비에서 진행되었고, NASA의 WSTF(White Sands Test Facility)에서는 고고도 모사시험을 수행하였다. 총 10회의 환경모사 시험을 통해 진공환경 점화 특성을 확인하고, 노즐 형상변수에 따른 엔진성능을 검증하였다[19,23,35].
NASA는 Morpheus 프로젝트를 통하여 수직이착륙이 가능한 저가형(현재까지 개발비용: ~ US$7M) 행성탐사선 개발을 수행 중에 있다. 최근, 진공추력 22 kN, 진공비추력 321 s를 목표성능으로 하는 HD5 엔진의 지상연소시험을 수행하였으며, 휴스턴의 존슨우주센터 및 케네디우주센터에서 각각 19회 그리고 1회에 걸쳐 크레인을 사용한 시험비행에 성공하였다(Fig. 4 참조). 2012년에는 시제품(prototype)에 대한 자유비행시험을 최초로 시도하였으나 폭발사고가 발생한 바 있다.
/LOx 엔진의 본격적인 개발에 앞서 Kerosene/LOx를 사용하는 Grasshopper 발사체의 비행시험을 수행하였다. 해당 시험을 통해 시험엔진의 안정적인 비행능력과 착륙성능을 검증한 후, 재사용 우주비행체에 적용가능한 화성탐사용 메탄로켓엔진(Raptor)의 개발을 2012년부터 착수하였다. 개발모델에 대한 연소시험이 2014년 Stennis Space Center에서 수행될 예정이며, 엔진의 추력수준(2,940 kN) 및 구조형상 등에 기인하여 시험설비 개선이 진행되고 있는 것으로 알려져 있다[21,22].
성능/효과
/LOx 등과의 특성비교 결과가 Table 2[10]에 요약된다. 비추력은 LH2/LOx 조합을 제외하면 LCH4/LOx의 성능이 가장 우수하고, 경제성은 LCH4/LOx가 제시된 비교군에 비해 압도적으로 월등한 것이 재차 확인된다. 이와 더불어, 무독성 추진제인 메탄은 취급이 용이하여 별도의 보호장구류 및 시설 확보/유지보수에 필요한 비용을 절감할 수 있다.
/LOx 엔진 개발을 시도하였다. 액체산소 및 액체메탄을 연소실 및 노즐 일부분의 재생냉각 시스템에 적용하여 시험모델을 설계/제작하였으며, 진공모사 연소시험결과 목표성능 규격을 충족시킴이 확인되었다. 특히, 비추력의 경우 목표치인 317 s를 상회하는 331 s의 성능이 확보되었다[19].
해당연구를 통해 개발된 일부엔진의 개량 전후 성능이 Table 5에 비교되고 있다. 챔버압력 및 엔진형상등이 동일하게 설계되었음에도 불구하고 로켓엔진의 최우선 성능변수인 추력, 비추력 등에 있어서 메탄 개량형이 기존 엔진의 성능을 앞서는 것이 확인된다. 다만 케로신에 비해 낮은 밀도로 인하여 추진제를 포함하는 엔진 중량이 근소하게 증가되었다[1,12].
후속연구
한편, 기존의 액체추진기관은 우주기술 선진국과의 기술격차가 현저하지만 메탄 액체로켓엔진의 경우, 선진국 또한 그 기술성숙도(TRL)가 아직은 그리 높지 않다. 때문에 국내독자기술에 의한 차세대 엔진개발을 통하여 우주기술 선진국과의 기술격차 해소가 필요한 시점이라고 판단되며, 체계적인 연구가 이루어질 경우 세계시장에서 경쟁력을 갖춘 추진기관 개발 핵심기술의 확보가 가능할 것으로 사료된다.
케로신은 순도가 로켓 추진제 등급 보다 낮기는 하지만 각종 산업 및 가정용 연료 등으로 널리 활용되는 까닭에 정제/운송에 소요되는 비용이 저렴한데, 메탄은 그 케로신 보다 3배 이상 경제적이므로[11] 근래의 세계적 관심사인 저비용 추진제로서 적절한 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 향후 30-40년 이내에 고갈될 것으로 예측되는 케로신과 달리 그 매장량이 풍부하고(최소 100년 이상)[12] 타 산업에서의 활용도 또한 증가하는 추세이므로 유관기술 발전에 의한 추가적인 경제 효과도 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
XR-3M9란 무엇인가?
메탄/산소 자세제어용 엔진인 XR-3M9는 사설 투자자본에 의해 설계/제작/시험이 시작되었고, 미국 중소기업기술혁신촉진 프로그램을 통해 미공군의 지원을 받으며(AFRL SBIR Phase I Contract) 그 연구/개발이 본격화 되었다. Fig.
자세 제어용 엔진의 대표적인 추진제는 무엇인가?
현재 운용되고 있는 우주발사체의 주 엔진(main engine)은 Kerosene/LOx 혹은 LH2/LOx 추진제 조합이 주를 이루고 있으며, MMH(혹은 UDMH)/NTO 및 하이드라진(N2H4) 등은 자세 제어용 엔진의 대표적인 추진제로 사용 중이다[2,3]. 20세기 말에 이르러서는 추진기관의 개발․운용에 있어 환경문제 및 추진제 취급안전성, 그리고 경제성 등이 대두되면서 우주기술 선진국을 중심으로 친환경 추진제에 대한 연구수요가 증가하고 있는 추세이다[4].
케로신과 비교해 메탄 추진제가 갖는 이점은 무엇인가?
메탄을 연료로 적용하는 경우의 연소실 온도(Tchamber)가 더 낮음에도 불구하고 특성속도(characteristic velocity, C*) 및 비추력(specific impulse, Isp) 성능이 케로신을 앞서는 것으로 평가된다. 케로신은 순도가 로켓 추진제 등급 보다 낮기는 하지만 각종 산업 및 가정용 연료 등으로 널리 활용되는 까닭에 정제/운송에 소요되는 비용이 저렴한데, 메탄은 그 케로신 보다 3배 이상 경제적이므로[11] 근래의 세계적 관심사인 저비용 추진제로서 적절한 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 향후 30-40년 이내에 고갈될 것으로 예측되는 케로신과 달리 그 매장량이 풍부하고(최소 100년 이상)[12] 타 산업에서의 활용도 또한 증가하는 추세이므로 유관기술 발전에 의한 추가적인 경제 효과도 기대된다.
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