연소실의 냉각

엔진이 작동하는 동안 연소실과 노즐의 내벽은 고온의 연소가스에 노출되므로, 엔진 구조물을 고온의 가스 유동으로부터 보호하고, 구조물의 강도(strength)와 강성(stiffness)을 정상으로 보호하는 것이 필요하다. 현재 3,000℃ 정도의 연소온도에 견딜 수 있는 금속 재료는 존재하지 않는다. 이 고온 가스를 연소실 내부와 노즐 안에 가두고 구조물을 지키려면 벽면을 냉각하는 방법이 필요하다. 대표적인 냉각 방법은 다음과 같다.

1) 재생냉각

로켓의 탱크에 저장된 연료는 상온이거나 그 이하의 온도이다. 탱크에서 연소실에 보내기 전의 연료를 노즐 일부를 포함한 연소실 외벽 면에 따라 흘리면서 밖에서 벽을 냉각하는 방법이 재생냉각(Regenerative Cooling)이다. 초기에는 다수의 얇은 배관을 원주 방향으로 연결해서 원통 연소실의 벽을 제조했다. 이 방법은 제조가 복잡하고 시간이 오래 걸리므로 현재는 열 전도성이 뛰어난 구리로 만든 두꺼운 금속판에 다수의 관로를 마련하는 제조법을 이용한다.

 

먼저 연소실로 들어가기 전의 연료를 이 관로의 중간에 연결한다. 냉각제로서 연료는 이 관로를 흐르는 사이에 연소실의 벽면을 냉각하고, 벽을 방호하는 동시에, 벽면을 통해서 연소가스의 열을 흡수하고 스스로 고온이 되므로 연소 반응에도 공헌한다. 벽을 통해서 연소가스로부터 흡수한 열을 최종적으로 연소에 다시 사용하므로 이 방식을 재생냉각법이라고 한다.

 

현재 일정 크기 이상의 액체로켓 엔진은 모두 이 냉각법을 이용한다. 엔진이나 노즐 구조물이 받은 열부하는 노즐목에서 가장 심해서 연소실뿐만 아니라 노즐목부터 팽창비가 낮은 부분까지 재생냉각을 적용한다.

 

냉각제로서 보통 연료를 사용하지만, 러시아에서 개발된 대형 액체산소/케로신 엔진(RD-180)은 액체산소를 이용한다. 연소실 벽 주위에 흐르는 ‘순수 산소’가 잠시라도 누설되면 근처에 바로 연소가스가 있어서 대형 참사를 일으킬 수 있다. 미국과 유럽에는 산소를 냉각제로 사용한 엔진은 하나도 없다. 하지만 러시아에서 만든 이 엔진은 성능 면에서 뛰어날 뿐만 아니라 신뢰성도 높아서 현재까지 우려되는 사고는 일어나지 않았다.

재생냉각법의 가장 큰 장점은 발사 전에 연소 시험을 시행하여 엔진 성능을 확인하고 미세하게 조정할 수 있다는 것이다.

 

V2 로켓 엔진의 이중벽 구조

2) 삭마냉각

연소실의 내벽을 섬유 강화 플라스틱(FRP)과 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP) 등의 재료로 만들고, 내벽 재료의 일부를 스스로 희생하여 구조물을 보호하는 방식을 삭마냉각(Ablative Cooling)이라고 한다. 연소실 내벽이 고온의 연소가스에 노출되면, 이 재료의 수지 부분이 열을 흡수하고 녹으면서 증발하여 가스를 발생시키고 다공질의 탄화층이 남는다. 발생한 가스는 탄화층 위에 비교적 저온의 얇은 층을 형성하고 단열 효과가 생긴다. 이 탄화층은 시간이 지나면서 증가하고, 연소실 내벽의 열적, 기계적으로 건전한 미반응 층이 점점 감소하므로 이 냉각법은 오랫동안 견딜 수 없다.

 

3) 복사냉각

복사냉각(Radiation Cooling)이란 고온 상태인 노즐 외벽의 열복사 현상을 이용하여 노즐 벽을 보호하는 방법이다. 열복사의 효과는 노즐 외벽 절대 온도의 4제곱에 비례하므로 단순하고 효율적인 냉각법이지만, 사용하는 재료의 사용 온도에 주의해야 한다.

 

재료는 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 탄탈럼(Ta) 등의 내열합금이 사용되지만, 이 재료는 고온에서 강도가 떨어지므로 사용할 수 있는 온도는 약 1,500℃ 이하이다. 이 가운데 니오븀은 내식성과 용접성이 뛰어나고 밀도가 낮아서, 구조물을 경량으로 설계할 수 있다는 장점이 있다. 서양에서는 원래 콜롬븀(Cb)이라고 불러서 아직도 이 이름을 사용하기도 한다.

 

복사냉각은 상단 로켓 엔진의 노즐 출구 부근과 위성 탑재용 소형 엔진 등 진공 환경에서 작동하는 엔진 노즐에 적합한 냉각법이다.

 

[우주로켓] 로켓엔진의 사이클