연구실 탐방 (Rocket Lab., 지도교수: 권세진)

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권세진 교수님이 지도 교수로 계신 로켓 연구실(Rocket Lab)에서 수행하는 연구를 소개하도록 하겠습니다. 본 연구실에서는 로켓 등급의 고농도 과산화수소(Hydrogen Peroxide)를 기반으로 하는 단일추진제(monopropellant), 과산화수소/케로신 이원추진제(bipropellant), 하이브리드(hybrid), 접촉점화성 이원추진제(hypergolic) 추력기 등의 로켓 추진시스템의 핵심 요소와 과산화수소 분해 촉매, 접촉점화성 점화기, 액체주입식 추력벡터제어 등의 로켓 추진 시스템의 핵심 기술에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 로켓 추진시스템뿐만 아니라 과산화수소를 이용한 수중 제트 추진 시스템(Underwater jet propulsion system), 램 제트 연소실 내 환경 모사 장치(Vitiated air heater for ramjet propulsion) 등에 대한 연구를 진행하고 있습니다. 본 연구실에서는 이론 연구에 그치지 않고 사운딩 로켓과 달 착륙 지상시험비행체 등의 실제 비행 실험을 통해 연구한 로켓 추진 시스템의 검증을 수행하고 있습니다.

 

 

 

 

 

친환경 접촉점화성 이원추진제 추력기 핵심기술 개발 연구

접촉점화성 이원추진제 이하 하이퍼골릭(hypergolic) 추진제는 별도의 점화장치 없이 산화제와 연료의 물리적인 접촉만으로 화학반응이 유발되어 자연 발화할 수 있는 액체 이원추진제 조합을 의합니다. 하이퍼골릭 추진제를 활용한 추력기는 점화장치 없이 추진제 분사만으로 신뢰성 있는 (재)점화 메커니즘을 구현할 수 있기 때문에 발사체 상단부 추력 및 자세제어 시스템, 우주 비행체 추진 시스템, 직격 요격체 추진 시스템 등 다양한 분야에서 널리 적용되고 있습니다. 그러나 하이퍼골릭 추진제인 하이드라진 계열의 물질과 사산화질소는 맹독성 및 발암성 물질로 분류되어, 로켓 기술 개발과정에서 상당한 추가 비용을 야기하고, 임무의 위험성을 증대 시킵니다. 이러한 단점을 해결하기 위해 저독성 혹은 친환경 접촉점화성 이원추진제를 활용한 로켓 기술이 주목받고 있습니다. 본 연구실은 3 년의 연구를 통해 고에너지 친환경 접촉점화성 이원추진제를 개발하였고, 추력기에 적용하여 그 실현가능성을 성공적으로 증명하였습니다. 최근 친환경 접촉점화성 이원추진제 추력기 핵심 기술 중 고온의 연소 환경으로부터 연소실 내벽을 보호할 수 있는 과산화수소를 활용한 막 냉각(film cooling) 기술에 관한 실험적 연구를 수행하였습니다. 본 연구를 통해 얻은 접촉점화성 이원추진제 추력기 핵심기술은 향후 달 탐사를 위한 추진 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대되며. 맹독성 이원추진제의 모사 유체(simulant)로 활용 가능할 것으로 예상됩니다. 또한 군사 기술로 활용 시, 탄도 미사일 요격용 직격 요격체(kill vehicle)의 추진 기술로 활용 가능할 것으로 보입니다.

 

그림 1 친환경 접촉점화성 이원추진제 추력기 연소 시험

 

 

1000 N급 과산화수소/케로신 이원추진제 추력기 성능 개선 연구

이원추진제 추력기는 발사체나 정지궤도 위성의 자세제어용 추력기 시스템, 행성 간 또는 달 탐사선의 주 엔진 등에 적용 가능하므로 활용가치가 매우 높습니다. 본 연구는 이원추진제 추력기의 과산화수소/케로신 이원추진제 조합을 개발하여 기존에 널리 사용되던 하이드라진 계열 연료와 사산화질소 또는 질산 계열의 산화제 조합에 비해 비추력 성능은 다소 뒤떨어지나, 기존 추진제의 특성인 맹독성, 발암성 등의 치명적인 문제에서 자유롭고 취급 및 관리가 쉬운 추진 시스템을 갖는 것에 의의가 있습니다. 1000 N급 과산화수소/케로신 이원추진제 추력기의 비행용 형상 적용을 위해서는 상용 추력기 수준의 성능을 만족시켜야 하며, 추력기의 열적, 구조적 변형을 야기하지 않는 안정적인 장기연소, 적은 연소불안정성 등의 조건이 필수적으로 요구됩니다. 이를 달성하기 위해 막냉각 기술이 적용되어야 하며, 추력기의 성능 저하를 최소화하고 냉각 성능을 보장할 수 있는 망냉각 최적설계 기술에 대한 연구를 진행하고 있습니다.

 

과산화수소를 이용한 차세대 수중 제트 추진 시스템 핵심 기술 개발

추진기관으로 사용되는 로켓 추진기관을 수중 제트 추진기관으로 활용될 수 있습니다. 기존 수중 운동체에 주로 사용되는 프로펠러 추진 기관의 경우 프로펠러 블레이드 표면의 공동(cavitation) 현상으로 인해 고속 추진이 어려운 한계점을 가지고 있습니다. 또한 구동부가 복잡하여 제작비용이 비싸며, 진동을 유발하고, 신속한 추력 보정이 어려운 문제점들이 있습니다. 이와 같은 프로펠러 방식의 단점을 보완하는 추진 시스템으로 수중 환경에서 고속의 제트를 분사하여 추력을 얻는 추진 시스템 관련 연구를 진행하고 있습니다. 와 수중 환경은 무산소 환경이라는 공통점을 가지고 있기 때문에, 로켓이 무산소 환경인 우주에서 제트를 생성하는 방식과 동일하게 수중환경에서도 동일하게 구현될 수 있습니다. 본 연구에서는 고온의 기체를 생성하는 방식으로 로켓 등급의 90 wt.% 과산화수소의 촉매 분해 반응을 이용, 이를 활용한 steam ejector 방식의 수중 추진 시스템의 개념 설계를 진행하고 있습니다. 과산화수소의 촉매 분해 반응 과정은 비교적 단순한 반응으로 쉽게 고온의 증기를 형성할 수 있으며, 분해 생성물 또한 산소와 수증기로 매우 친환경적입니다. 수중 제트 추진 시스템 연구를 위해 고순도 질소 가스를 이용한 추진제 가압식 공급시스템과 엔진 수중 환경 시험설비를 설계, 제작하였으며, 과산화수소 분해를 위한 촉매 제작기술을 확보하고 검증하였습니다. 또한 촉매 반응기 설계 최적화를 위한 촉매 분해 반응 모델링을 진행하고 있습니다.

 

그림 2 1 N급 과산화수소 추력기와 수중 환경 연소 시험

 

그림 3 수중 제트 추진 시스템 수중 환경 연소 시험

 

랩 제트 연소실 내 환경 모사 장치 및 램 제트 고체 연료 연구

램 제트는 단순한 구조와 높은 비추력 성능을 가진 공기 흡입 엔진입니다. 이 엔진은 흡입구에 형성된 충격파를 이용하여 공기를 압축, 가열하고, 이 때, 충격파는 비행 마하수에 의한 압축력에 의해 형성되기 때문에 엔진 내에 별도의 압축기를 생략할 수 있다는 특징을 가지고 있습니다. 고체 연료 램 제트를 개발하기 위해 기술적으로 해결해야하는 문제 중 하나는 우수한 강성, 점화 지연, 높은 연소 성능을 보이는 연료 그레인을 개발하는 것입니다. 이를 위해 램 제트 연소실의 환경을 모사하는 실험을 수행하여 엔진의 성능을 평가하고, 연료 그레인에 추가되는 첨가제가 연소 특성에 미치는 영향을 확인하는 연구를 진행하고 있습니다. 램 제트 엔진의 연소실 환경을 모사하기 위해 에탄올 블렌디드 과산화수소 가스발생기를 개발하여 실험을 수행하였습니다. 에탄올 블렌디드 과산화수소의 특성 상 고온 고압의 모사 공기를 생성할 수 있으며, 혼합을 조정하여 공기와 유사한 산소 조성의 모사 공기를 만들 수 있습니다. 노즐을 통해 마하 3 수준의 전 온도를 구현할 수 있습니다. 램 제트용 연료그레인으로는 기존 연료에 보론 입자를 첨가하여 연소 효율을 높일 수 있는 것을 확인하였습니다.

 

그림 4 고체 연료 렘 제트 모사도

 

그림 5 에탄올 블렌디드 과산화수소 가스 발생기

 

 

 

편집         손대성[son5963@kaist.ac.kr]