고체 추진제 및 추력 패턴

고체로켓의 추진제는 크게 더블베이스(double base) 추진제와 컴포지트(composite) 추진제로 분류된다. 더블베이스 추진제는 니트로셀룰로오스와 니트로글리세린이 주성분이며, 연소가스가 무연이므로 군용으로 많이 사용한다. 최근에는 안전성의 문제가 있으며, 우주에서는 사용하지 않는다.

 

컴포지트 추진제는 산화제와 연료인 금속 입자를 바인더라고 하는 고분자 수지의 결합재로 반죽하여 굳힌 후 경화시킨 것으로, 연소가스가 연기를 발생시키지만, 연소 성능과 안정성은 우수하다. 현재 대형 로켓 부스터, 소형 로켓 모두 컴포지트 추진제를 많이 사용한다.

 

 

1) 컴포지트 추진제

과염소산 암모늄(Ammonium Perchlorate, AP, NH₄ClO₄)은 많은 산화제 중에서 성능의 안정성, 가공성, 비용 면에서 가장 뛰어나다. 산화제에서 필요한 산소 함유량이 약 55%로 높고, 입자의 크기는 미립자(5~15㎛)에서 큰 입자(400~600㎛)까지 다양하다. 그 배합 비율로 연소 특성이 결정되는데, 작은 크기의 입자 비율이 높아지면 연소 속도가 빨라진다. 과염소산 암모늄 입자는 발화, 폭발하기 쉬운 성질을 가지므로 취급에 주의가 필요하다.

 

컴포지트 추진제의 연료(fuel)는 분말 형태의 금속 입자를 사용한다. 금속 입자 중에서 알루미늄 분말(Al)이 연소 성능, 안정성, 안전성, 비용 면에서 가장 뛰어나다. 입자는 지름 10~50㎛ 정도의 구형이다. 입자 크기는 연소 속도에 영향을 미치며, 입자 크기가 작아질수록 연소 속도가 증가한다. 알루미늄 분말은 연소하면 알루미나(Al₂O₃) 미립자를 형성한다. 녹는점은 2,054℃인 알루미나 입자는 연소실 안에서는 액체이지만, 노즐 출구에서 배출되면 작은 고체 덩어리가 된다. 배기가스에 포함된 알루미나는 질량 비율로 30% 정도이다. 

 

바인더(Binder)는 합성 고무가 주원료인 고분자 수지로 산화제와 연료를 반죽하여 다지기 위한 결합재이다. 동시에 연료이기도 하다. 바인더는 안정된 연소 특성에 영향을 주며, 저장 및 연소 과정에서 온도 변화 및 다양한 하중에 견디려면 뛰어난 기계적 특성이 필요하다. 또한, 바인더 선정에서 가공의 난이도, 저장성이 가장 중요하다. 현재 많이 사용되는 바인더는 폴리부타디엔 계열의 고분자 수지이다. 그중에서도 말단 카르복실기 폴리부타디엔(CTPB)이나 말단 수산기 폴리부타디엔(HTPB)이 보통이지만, 이 두 가지 중 안정성, 성능, 비용 측면에서 HTPB 쪽이 뛰어나다. 바인더는 연소 속도를 바꾸거나 보관 중인 추진제의 산화를 방지하려고 미량의 첨가제를 추가한다.

 

2) 추진제의 조성

컴포지트 추진제는 양호한 연소 성능과 함께 구조적으로 필요한 기계적 강도를 가지는 것이 필요하다. 따라서 추진제 전체에서 차지하는 고체 물질(산화제와 연료)의 질량 비율은 84~90%의 범위 안에 있어야 한다. 결과적으로 바인더와 첨가제는 총 10~16%로 제한된다. 대표적인 컴포지트 추진제(Al, AP, HTPB)의 구성 비율 기준은 다음과 같다.

 

연료	알루미늄 (Al)	14 ~ 18%
산화제	과염소산암모늄(AP)	70% 전후
바인더	말단 수산기 폴리부타디엔 (HTPB)	10 ~ 16%
첨가제		0 ~ 2%

 

3) 추진제 그레인의 형상과 추력 패턴

추진제 원료를 혼합하고 반죽하여 유동 상태가 된 것을 미리 단열재와 라이너를 붙여 놓은 연소관 안에 흘려서 속에 집어 넣는 주입 작업을 수행한다. 일정 시간이 지나 추진제가 경화한 후 고체로켓이 완성된다. 이 과정에서 추진제에 균열이나 틈이 있으면 연소할 때 그 틈에 화염이 들어가 연소 면적이 급격히 확대되고, 이상 연소가 일어날 수 있다. 그러면 연소압력이 급상승하고, 연소관의 손상을 초래할 수 있다. 따라서 주입 작업은 진공에서 이루어진다.

 

고체로켓의 제조 공정은 추진제 그레인의 중간에 공간을 만들려고 코어(core)와 지그(Jig)를 이용하여 연소 시작 표면을 만든 추진제는 그레인(grain)이라는 점탄성 물질로 외형은 지우개와 비슷하다. 이 그레인은 구조의 일체성을 유지하는 것이 가장 중요하며, 보관 중이거나 지상 수송 및 비행 중에 받는 하중으로 변형 또는 파괴될 수 있다. 또한, 장기간 보관하면서 노화가 발생하여 그레인이 변질하고, 추진성능이 저하할 수 있으므로 열화 속도가 느린 것이 바람직하다. 화학 물질의 경년변화를 고려하여 고체로켓은 제조 후 몇 년간의 유효 기간을 마련하고 엄격하게 관리한다. 최근은 유효 기간이 장기이다. 고체로켓 추진제의 연소는 그레인의 중간에 만든 빈 곳에서 시작하고, 점차 외부로 확대하여 연소관의 내벽에 부착한 단열재에서 종료한다.

 

ref. Roxel (france)

 

ref. Roxel (france)

 

발생한 고온, 고압의 연소가스가 그레인의 중간의 빈 곳에서 노즐로 배출된다. 그 빈 곳 표면의 모양에 따라 추력의 시간 특성인 추력 패턴이 결정된다. 그레인의 단면 형상을 바꾸면 추력 패턴을 임의로 실현할 수 있다는 것은 고체로켓의 우수한 특성이다.

 

노화: 나이가 들어 성질이나 기능이 쇠퇴하는 현상
열화: 외부적인 영향이나 내부적인 영향에 따라 화학적 및 물리적 성질이 나빠지는 현상
경년변화: 장기간의 세월이 지나는 사이, 자연 열화를 포함하여 부식, 마모, 물리적인 성질의 변화 등으로 성능이나 기능이 떨어지는 것을 말한다.

 

[우주로켓] 고체 로켓의 제조 및 조립