액체 추진제의 특성

로켓 추진제로써 갖춰야 할 특성에는 열화학적 특성, 연소 성능, 안전성 등 많은 요구 조건이 있다. 주요 특성을 요약하면 다음과 같다.

 

① 액체의 밀도가 큰 (비중이 큰) 것이 바람직하다. 추진제 탱크의 용량이 적어 로켓 기체 구조의 경량화에 이바지한다.

② 높은 비등점, 낮은 응고점, 높은 열전도율, 낮은 증기압이 바람직하다. 또 온도 변화에 따른 물성의 변화는 작아야 한다. 이것은 탱크 안에서 저장 중 연소실로 이송하거나 재생냉각의 냉각제로써 필요한 특성이다.

③ 연소 같은 화학반응에서 발열량이 많고, 연소온도가 높은 것이 좋다. 연소가스의 분자량이 작은 것이다. 이것은 엔진 성능의 요구 사항이다.

④ 독성이 없고 폭발 위험성이 낮아야 한다. 안전성이 뛰어나고 탱크 배관 밸브 등의 구조 재료로 적합성이 양호해야 한다.

 

이 모든 조건을 만족하는 이상적인 화학 물질은 존재하지 않는다. 현재 이용되는 추진제는 독일의 기술을 이어받은 우주 선진국인 미국과 소련에서 개발되어 많은 비행으로 실증된 것이다.

 

저장성(storability)은 장기간 저장, 보관이 가능한지 나타내는 특성으로 취급의 난도를 나타낸다. 케로신처럼 상온에서 장기간 저장이 가능한 것을 저장 가능 추진제(Storable Propellant)라고 하고, 액체산소와 액체수소처럼 극히 낮은 온도에서만 액체인 것을 저온 추진제(Cryogenic Propellant)라고 하며 장기간 저장할 수 없다. 다음은 대표적인 액체 추진제 조합(산화제와 연료의 조합)의 특징을 설명한 것이다.

	산화제
추진제 이름	산소	사산화이질소
분자식	O₂	N₂O₄
분자량	32.00	92.01
응고점	-219	-11
끓는점	-183	21
비중	1.14	1.447 (20℃)
독성	-	유독
저장성	극저온	장기 가능
주요 적합 재료	Al, SS, Ni, Cu	Al, SS, Ni

 

	연료
추진제 이름	수소	RP-1	메탄	하이드라진	비대칭 다이메틸 하이드라진	모노메틸하이드라진
분자식	H₂	CH1.95-2.0	CH₄	N₂H₄	(CH₃)₂N-NH₂	(CH₃)₂NH-NH₂
분자량	2.02	172~175	16.04	32.05	60.1	46.07
응고점	-258	-44~-53	-183	1.5	-57	-52
끓는점	-253	172~264	-162	11.3	63	87
비중	0.071	0.807 (16℃)	0.445 (-180℃)	1.02 (20℃)	0.611 (-45℃)	0.879 (20℃)
독성	-	-	-	유독 장기저장 가능 Al, SS
저장	극저온	장기 가능	극저온
주요 적합 재료	Al, SS, Ni	Al, Ni, Cu, 강	Al, Ni, Cu, 강

 

* 액체수소의 취급에 특별한 주의가 필요하다. 기화된 수소는 분자량이 적어서 금속 격자의 문을 통해 저장 탱크에서 서서히 외부로 빠져나간다. 따라서 다른 극저온 액체(액체질소, 액화 천연가스)보다 장기간 저장이 불가능하다. 또, 공기 중 수소가스의 발화 한계는 4~ 75%(용적비)로 매우 넓으므로 수소가 새면 항상 폭발의 위험이 따른다. 연소 시험 등에서 누출된 미연소 수소가스를 버려두면 위험하므로 이를 모아서 강제 연소시키는 등의 대책이 필요하다.

 

** 액화천연가스(LNG)의 주성분. LNG에 포함되는 성분과 그 비율은 생산지에 따라 약간 다르다.

 

*** 적합성 재료란 액체추진제와 화학반응을 일으킬 염려가 없고 탱크, 엔진 구조체, 배관 등에 사용할 수 있는 재료라는 것을 나타낸다. Al=알루미늄 합금 SS=스테인리스강, Ni=니켈 합금, Cu=구리

1) 액체산소와 케로신의 조합

우주개발 초기부터 이용한 조합이지만, 비추력 같은 엔진 성능은 중간 정도이며, 높다고 말할 수는 없다. 그러나 액체 추진제의 평균 비중은 약 1.0이며, 밀도가 높아지면서 탱크 용량은 적어지므로 로켓 기체는 비교적 소형이고 경량이다. 액체산소와 케로신은 1단 액체로켓 엔진과 최적의 조합이다.

산화제 = 액체산소(O₂)

 

액체산소는 1기압 하에서 -183℃에서 비등하는 순수 산소로 극저온 액체 중 하나이다. 비등점 온도에서 비중은 1.14로 고밀도이며, 부식성도 독성도 없는 뛰어난 액체 산화제이다. 연료는 액체수소, 알코올, 케로신 등이 사용되며, 이 중 액체산소와 에탄올의 조합은 독일의 V-2에서 사용되었다. 또 탱크 배관에 이용하는 알루미늄 합금과 스테인리스강 등 금속 재료와 적합성은 양호하다. 주의할 점은 액체산소에 유지 등의 유기물이 혼입하여 충격을 받으면 폭발할 위험성이 있다는 것이다. ‘액체산소와의 적합성’에 대해서 불분명한 재료나 물질을 취급할 때 충격시험을 시행하고 안전성을 확인해야 한다. 또, 액체산소 탱크 내벽과 산소 배관의 내벽은 청정을 유지할 필요가 있다. 유지 등 이물질의 혼입은 절대 피해야 한다.

연료 = 케로신 (RP-1) CH1.95ー2.0

 

케로신은 석유계의 탄화수소로 취급이 쉽고 안정된 액체 연료이다. 응고점과 끓는점 사이의 온도 범위가 넓고 상온에서 저장할 수 있다. 그 화학 조성과 물성은 원유 정제법의 차이 등으로 다르다. RP-1은 로켓 엔진 때문에 정제된 케로신 연료의 비중은 상온에서 약 0.8이다. 또한, 대형 항공기 엔진에 널리 이용하는 제트 연료는 RP-1과 조성 비율에 약간의 차이는 있지만 같은 케로신이 연료이다.

2) 액체산소와 액체수소의 조합

이 조합의 추진제를 사용한 엔진의 비추력은 모든 로켓 엔진 중 가장 높지만, 개발이 매우 어렵다. 이것은 산소와 수소가 극히 저온 액체이므로 취급이 어렵기 때문이다. 1960년대 초반 미국이 상단 동력으로 처음 개발에 성공하였고, 구소련, 유럽, 중국, 일본이 뒤를 이었다.

 

NASA는 30년 전 우주왕복선 메인 엔진(１단, 2단 겸용) 때문에 2단 연소 사이클을 이용한 고압, 재사용형 액체산소/액체수소 엔진을 개발했다. 이에 자극을 받아 많은 나라가 같은 추진제를 이용한 1단 대형 엔진 개발에 나섰다.

산화제 = 액체산소 O₂

연료 = 액체수소 H₂

 

액체수소는 로켓의 모든 액체 연료 가운데 가장 온도가 낮은 극저온 액체인 동시에 우수한 냉각제이다. 끓는점 온도에서 비중이 0.07로 매우 가볍고 l 기압에서 -253℃에서 끓는다. 모든 물질에서 분자량이 가장 적어 증발하기 쉬우므로 취급이 어렵다. 탱크의 외면은 단열 처리를 하지만 탱크 밖에서 미리 증발하여 액체수소 온도와 내압이 상승하므로, 증발 가스를 밖으로 방출하므로 액체수소의 양이 감소한다. 또 미량이지만 상온의 기체 수소 분자는 알루미늄 합금이나 스테인리스강 등의 금속 벽 속의 분자 사이를 빠져나가서 외부로 방출된다. 그래서 액체수소는 오래 저장할 수 없다. 또 액체수소 수준의 극저온 상태에서는, 금속 재료에 따라 저온 취성이 취약해서 탱크 배관의 재료 선정에 주의가 필요하다. 다행히 스테인리스강, 알루미늄 합금, 니켈 합금은 수소와 적합성이 좋고 문제가 생기지 않는다.

 

액체수소를 취급할 때 가장 주의할 점은 증발한 수소가스가 공기 중으로 누출됐을 때의 대책이다. 인근에 정전기 등의 불씨가 있다면 공기 중의 수소는 비율이 4%에서 75%까지 넓은 범위에서 폭발한다. 이것을 수소가스의 ‘발화 임계’라고 부르며 다른 가연 가스와 비교하면 그 범위가 매우 넓다. 그만큼 위험성이 높아서 취급할 때 세심한 주의가 필요하다. 연소 시험 설비나 발사 설비에서는 외기 중에 유출된 불연 수소가스를 강제로 모아서 태우는 장치가 필요하다.

 

예전에 일본은 액체수소를 취급하는 기회가 매우 적어서, 극저온의 액체에서 고온의 가스에 이르는 넓은 온도 범위에 걸친 수소의 열 물성 데이터를 갖고 있지 않았다. 이 데이터가 없으면 액체산소/액체수소 로켓의 개발은 매우 어렵다. 한편 NASA는 많은 돈, 인력과 시간을 투입하여 방대한 수소의 열 물성 데이터를 취득하였고, 이 데이터를 공개하였다. 일본이 액체산소/액체수소 로켓의 개발에 성공한 요인 중 하나는 이 NASA 데이터에 의한 것이라고 해도 맞는 말이다. 미국 이외에 이 데이터를 공개한 나라는 없다.

3) 사산화이질소와 하이드라진계 연료의 조합

사산화이질소와 하이드라진계 연료의 조합은 액체산소/케로신의 조합과 동등한 엔진 성능을 발휘한다. 자연성이라면 엔진 구조가 단순해지고, 액체 밀도가 높아 추진제의 장기간 보존이 가능하다. 오랫동안 미사일에 이용됐지만, 러시아의 프로톤(Proton)과 중국의 창정(長征) 등의 우주로켓 1단 엔진에서 사용하고 있다. 이 조합의 추진제는 스테인리스강이나 알루미늄 합금과 적합성이 좋다. 한편, 이 추진제는 산화제 연료와 같이 독성이 강하고, 취급에는 특별히 주의해야 한다. 법률상의 규제도 매우 어렵다. 맹독인 만큼 일단 사고가 일어나면 대형 참사가 일어날 수 있다. 또 현장 작업자의 건강관리도 세심한 주의가 필요하다. 그래서 미래의 우주로켓 추진제로 적당하지 않다.

산화제＝사산화이질소 (N₂O₄)

 

유독한 산화제이지만 고밀도(끓는점의 비중은 1.44)에서 하이드라진 계열의 연료와 조합해서 자연성의 액체 추진제로 쓰인다. 다만 응고점이 -11℃로 비교적 높아서 동결을 막는 대책이 필요하다.

연료 = 하이드라진 계열 연료

 

 

하이드라진(N₂H₄), 비대칭 다이메틸 하이드라진(UDMH), 모노메틸하이드라진(MMH)의 3종류가 있다. 모두 안정된 액체이지만 독성이 강한 발암 물질도 있어서, 취급에는 특별한 주의가 필요하다. 여러 가지 물질과 반응하므로 탱크 배관의 내부는 청결해야 한다.

 

① 하이드라진(N₂H₄)은 촉매를 사용하여 분해하면 비교적 저온 가스를 발생시킨다. 이를 추진력으로 이용한 것이 일원식 가스 제트 장치이며, 로켓과 위성의 자세 제어용으로 많이 사용한다. 엔진 성능은 낮지만 단순한 온·오프(On-Off) 방식의 저추력(低推力) 발생 장치로 장기간 운용할 수 있다. 다만 응고점이 1.5℃ 높아 우주 공간에서 장시간 사용할 때 동결을 방지하려면 온도를 알아내는 등의 대책이 필요하다.

 

② 비대칭 디메틸 하이드라진(UDMH: (CH₃)₂N-NH₂)은 어는점이 -57℃로 낮고, 하이드라진보다 안정된 액체 연료이다. 사산화이질소의 조합은 1단 액체로켓에 적합한 추진제이며, 그동안 많이 사용되었다. 또 25%나 50%의 UDMH를 하이드라진과 혼합한 연료도 있다. 독성이 강해서 새로운 대형 로켓에 잘 사용하지 않는다.

 

③ 모노 메틸 하이드라진(MMH: (CH₃)₂NH-NH₂)의 독성은 하이드라진계 연료 중 가장 강하지만 UDMH와 마찬가지로 안정된 액체이다. 소형 로켓 엔진 (우주왕복선의 궤도 변경용 엔진 등)의 연료로 이용됐다.

4) 액화 천연가스의 장래성

저밀도의 액체수소를 연료로 사용하는 로켓은 뛰어난 엔진 성능을 가지지만 탱크 부피와 구조 질량이 커지므로 구조 성능이 나쁘다. 한편, 고밀도의 케로신이 연료인 로켓은 뛰어난 구조 성능을 가지지만 엔진 성능은 떨어진다. 거기에서 액체수소(비중 0.07)와 케로신(비중 0.81)의 중간에 있는 액화 천연가스(LNG; 비중 0.45)를 부스터용 로켓 연료로 채용하는 아이디어가 생겼고, 액체산소/LNG 엔진을 개발하려는 시기가 있었다. 하지만 LNG는 극저온 액체이므로 취급이 어렵다. 또 러시아의 시험 데이터에서는 이 엔진의 성능이 기대만큼 높지 않다는 것이 확인되었다. 결국, 엔진 성능과 구조 성능을 맞춘 로켓 전체의 예상 성능은 1단용으로는 케로신에 못 미쳤고, 2단용으로는 액체수소에 못 미치며, 실용화에 이르지 못했다.

 

[우주로켓] 무효 추진제란 무엇인가?