[논문]액체 추진제 동향 리뷰

이태호

doi:10.5139/jksas.2014.42.2.165

액체 추진제 동향 리뷰
Review of the Liquid Propellants 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.2, 2014년, pp.165 - 172

이태호 (ReSeat Program, Korea Institute of Science and Technology Information)

초록
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본 본문은 발사체용 액체 추진제에 대하여 과거, 현재 미래의 추세에 대하여 초점을 맞추어 조사하였다. 일반적으로 저장성, 하이퍼골릭 추진제는 군사용으로 사용되고, 케로신 계열과 극저온 추진제가 발사체용으로 사용되는 추세이다. 액체 추진기관은 성숙된 기술로 볼 수 있지만, 우주 탐험에 대한 새로운 관심은 새로운 엔진의 개발과 함께, 좀 더 많은 설계 마진, 그리고 다양한 추력과 수명 요구와 관련하여 사용과 생산에 간편한 방향으로 나아가고 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was focused on the investigation of the liquid propellants for the launch vehicle, past, present and future trends in worldwide. In general, storable and hypergolic propellants are used for the military purposes and comparing to this, the kerosine fuel and cryogenic propellants are used for the launching systems. Although liquid propulsion is seemed as a mature technology, the requirements of a renewed interest for space exploration has led to the development of a family of new engines, with more design margins, simpler to use and to produce associated with a wide variety of thrust and life requirements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

새로 출범하는 정부에서는 2020년 대 초에 달 탐사를 목표로 하고 있다. 이러한 상황에서 세계 여러 나라의 발사체 기술을 액체 추진제를 중심으로 동향과 발사 실패 현황 등을 조사하여 향후 우리나라의 연구 개발에 참조가 되기를 기대하며 본 조사를 수행하였다.

제안 방법

또 미국 공군 시스템의 다음 세대 기술 준비 IHPRPT(Integrated High Payoff Rocket Propulsion Technology) 프로그램에서 추구하는 것으로 1단계에서 PRW와 Aerojet에서 새로운 수소/산소 추진기관을 성공적으로 데모 하였다.

대상 데이터

1981년에 우주왕복선이 처음 비행하였는데, 우주왕복선은 LH₂/LOX를 재사용 주 엔진에 사용하였고, 궤도 조종 엔진에는 저장성 추진제(히드라진/사산화질소)를, 보조동력 장치에는 히드라진 단일 추진제를 사용하였다[1,4-6]. 20 세기에는 소모성 발사체가 사용되었는데, LH₂/LOX가 아리안의 여러 단과 Titan 4에, 케로신/LOX는 Sea Launch, Atlas, Delta 3에 사용되었으며, 저장성 추진제가 중국의 Long March와 아리안에도 사용되었다[7-10]. 인도에서도 이미 극저온 추진시스템의 성공을 발표한 바 있고, 로드맵 상에 나타난 RLV(Reusable Launch Vehicle)에 극저온 추진시스템을 적용하는 것으로 되어 있으며, Fig.
N₂H₄가 질산보다 성능이 좋아 현재는 많이 사용되는 산화제로, 지하 격납고인 사일로에서 발사하는 전략 미사일에 히드라진 추진제가 사용되었으며 Titan 2 같은 발사체에도 적용되었다.
탄화수소에도 히드라진을 더하면 하이퍼골릭 혼합물이 된다1,2]. Nike Ajax 미사일에는 JP-4에 17% UDMH를 연료로 사용하였고, UDMH/IRFNA는 Lance 미사일과 Bell Agena 로켓 모터에 사용하였다.
이차 세계대전 이후 미국과 소련은 장거리 로켓을 개발하였는데, 소련은 케로신과 LOX를 사용한 추진제로 만든 R-7 다단 로켓으로 인공위성을 궤도에 올렸고, 최초 유인 우주 발사를 하였으며, 1960년대의 X-15는 액체 암모니아와 LOX를 사용한 것이었다. 로켓 추진제의 선택의 어려움은 Saturn V 발사에서 잘 나타나고 있는데, Saturn V/Apollo에는 3 종의 추진제와 5 가지 추진 시스템을 사용하였다. 즉 1단 부스터 엔진은 RP-1 케로신과 LOX, 2, 3단 엔진에는 LH₂/LOX를, Apollo 명령 모듈과 달의 하강 상승, 그리고 자세 제어에는 사산화질소 산화제와 수 종의 히드라진 연료를 사용하였다.
2차 세계 대전 중에 로켓은 많은 발전이 있었고, 대표적으로 독일의 A-4(일반적으로 V-2로 알려진)가 놀랄만한 진전이 이루어진 것으로, 이를 계기로 지구 궤도 도달과 귀환 가능성을 보여 주었다. 연료는 75% 알코올과 물을 혼합한 것이었으며, 산화제는 LOX이었다. 알코올과 물의 혼합물 사용은 화염 온도를 낮추어 주어 연소실의 장기간 연소에 도움이 되었다[1,2].
즉 1단 부스터 엔진은 RP-1 케로신과 LOX, 2, 3단 엔진에는 LH₂/LOX를, Apollo 명령 모듈과 달의 하강 상승, 그리고 자세 제어에는 사산화질소 산화제와 수 종의 히드라진 연료를 사용하였다. 이 시기에는 우주선에도 저장성 추진제가 사용되었으며, 히드라진을 단일 추진제로도 사용하였다. 1981년에 우주왕복선이 처음 비행하였는데, 우주왕복선은 LH₂/LOX를 재사용 주 엔진에 사용하였고, 궤도 조종 엔진에는 저장성 추진제(히드라진/사산화질소)를, 보조동력 장치에는 히드라진 단일 추진제를 사용하였다[1,4-6].
로켓 추진제의 선택의 어려움은 Saturn V 발사에서 잘 나타나고 있는데, Saturn V/Apollo에는 3 종의 추진제와 5 가지 추진 시스템을 사용하였다. 즉 1단 부스터 엔진은 RP-1 케로신과 LOX, 2, 3단 엔진에는 LH₂/LOX를, Apollo 명령 모듈과 달의 하강 상승, 그리고 자세 제어에는 사산화질소 산화제와 수 종의 히드라진 연료를 사용하였다. 이 시기에는 우주선에도 저장성 추진제가 사용되었으며, 히드라진을 단일 추진제로도 사용하였다.
최초의 액체 추진 로켓은 Robert Goddard에 의해서 1926년 3월에 시작되었고, 그는 가솔린을 연료로, 산화제로는 액체 산소(LOX)를 사용하였다. LOX와 비저온(non-cryogenic) 질산이 초기의 통상적인 산화제였으며 연료로는 여러 종류가 사용되었다[1].

성능/효과

제3 아민이 질산과 접촉에 의해 가장 발화가 잘되는 하이퍼골릭이지만, 가장 바람직한 연료의 결정은 다른 특성이 중요한 역할을 한다.

후속연구

지구 환경을 고려한 이상적인 액체 추진 시스템의 배열은, 지상에서 연소되는 부스터와 코어 엔진에는 탄화수소 계열의 케로신이나 RP- 등의 연료에 액체 산소를 산화제로 하는 구성이 바람직하다. 그리고 비교적 고공의 극저온에서 연소되는 엔진에는 액체산소/액체수소의 극저온 추진 시스템을, 그 후 우주에서 사용하는 추진제는 질산 계열의 산화제를 포함한 저장성 추진제를 사용한다면 환경 친화적인 배열이 될 것이다.
메탄 외에 탄화수소 연료도 개발 중으로 이태리는 액체산소 탄화수소 엔진에 관한 활동을 하고 있으며, 연료와 산화제의 공통 격벽 사용도 연구하고 있다[1,28]. 또 Orbitec(Orbital Technologies)에서는 액체산소/액체부탄을 사용하는 Forward 1 와류 재사용 엔진을 개발할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	군사용으로 사용되는 추진제는?	본 본문은 발사체용 액체 추진제에 대하여 과거, 현재 미래의 추세에 대하여 초점을 맞추어 조사하였다. 일반적으로 저장성, 하이퍼골릭 추진제는 군사용으로 사용되고, 케로신 계열과 극저온 추진제가 발사체용으로 사용되는 추세이다. 액체 추진기관은 성숙된 기술로 볼 수 있지만, 우주 탐험에 대한 새로운 관심은 새로운 엔진의 개발과 함께, 좀 더 많은 설계 마진, 그리고 다양한 추력과 수명 요구와 관련하여 사용과 생산에 간편한 방향으로 나아가고 있다.
	발사체용으로 사용되는 추진제는?	본 본문은 발사체용 액체 추진제에 대하여 과거, 현재 미래의 추세에 대하여 초점을 맞추어 조사하였다. 일반적으로 저장성, 하이퍼골릭 추진제는 군사용으로 사용되고, 케로신 계열과 극저온 추진제가 발사체용으로 사용되는 추세이다. 액체 추진기관은 성숙된 기술로 볼 수 있지만, 우주 탐험에 대한 새로운 관심은 새로운 엔진의 개발과 함께, 좀 더 많은 설계 마진, 그리고 다양한 추력과 수명 요구와 관련하여 사용과 생산에 간편한 방향으로 나아가고 있다.
	최초의 액체 추진 로켓에서 사용된 통상적인 산화제는?	최초의 액체 추진 로켓은 Robert Goddard에 의해서 1926년 3월에 시작되었고, 그는 가솔린을 연료로, 산화제로는 액체 산소(LOX)를 사용하였다. LOX와 비저온(non-cryogenic) 질산이 초기의 통상적인 산화제였으며 연료로는 여러 종류가 사용되었다[1]. 2차 세계 대전 중에 로켓은 많은 발전이 있었고, 대표적으로 독일의 A-4(일반적으로 V-2로 알려진)가 놀랄만한 진전이 이루어진 것으로, 이를 계기로 지구 궤도 도달과 귀환 가능성을 보여 주었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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