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뉴 스페이스 시대(New Space Era)가 도래하면서 우주 추진 시스템의 고효율, 경제성, 그리고 친환경성에 대한 수요가 급증하고 있고, 이러한 조건을 만족하는 추진제 중 메탄이 가장 대표적이며 최근 주목받고 있다. 메탄은 다양한 탄화수소가 섞여 있는 케로신과 달리 단일분자구조로 이루어져 있어 안정적인 연소가 가능하고, 케로신에 비해 약 3배 저렴하며 침탄 한계(coking margin)가 높아 재사용에 용이하다[1-3]. Fig. 1에서 볼 수 있듯이 메탄-산소 추진제조합의 이론 비추력성능이 대부분의 다른 추진제조합보다 우수하다. 또한, 메탄은 Sabatier process를 통해 얻을 수 있어 화성 탐사와 같은 장기 우주 탐사(long-term space exploration)에도 적합하다[4]. 이러한 이유로 미국항공우주국(NASA)과 민간기업을 비롯하여 러시아, 유럽, 중국, 일본 등 우주기술 선도국에서 메탄 로켓엔진에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다[5-8].

Fig. 1 
Ideal specific impulse of various propellant combinations[1].

로켓엔진이 작동되면 연소실 내부에서 추진제의 미립화, 혼합 및 연소가 진행되고 연소반응으로 인해 생성된 고온의 가스가 노즐을 통해 빠져나간다. 이 과정에서 연소 가스와 연소실 및 노즐 사이에 많은 양의 열전달이 일어나는데, 이때 고온의 연소 가스에 장시간 노출되면 엔진 손상 및 성능 저하가 발생할 수 있으므로 냉각을 통한 보호가 필수적이다.

로켓엔진을 냉각하는 방식에는 재생냉각(regenerative), 삭마냉각(ablative), 복사냉각(radiative), 배출냉각(dump), 그리고 막냉각(film) 등이 있다. 일반적으로 막냉각 방식은 구조가 간단하며 소형 엔진 냉각에 주로 사용된다. 연료 막냉각을 사용할 경우 냉각제가 로켓엔진의 내부 벽면을 따라 흐르고 증발 잠열에 의해 연소실 벽면을 고온으로부터 보호하며, 벽면 근처에서 기화된 연료 증기는 추진제의 혼합비를 상당히 낮춰 벽면 근처에서의 연소반응을 억제하여 화염 온도를 낮추는 효과를 얻을 수 있다.

본 논문에서는 액체 추진제를 사용한 소형로켓엔진 개발을 위한 선행연구로써 기체 추진제를 이용하여 당량비에 따른 내온 한계 및 연소특성을 조사하기 위한 연소시험(hot-firing test) 결과를 제시한다. 연소시험은 로켓엔진의 막냉각 시스템 적용 시 인젝터에서 나오는 추진제 이외에 추가로 연료가 공급되는 환경을 모사하기 위해 산소 공급 유량을 일정하게 고정하고, 메탄 공급 유량을 변화시켰다. 기체는 특성상 빠르게 확산하기 때문에 막냉각 채널을 사용하지 않고 인젝터를 통해 메탄을 모두 분사하였다. 다양한 당량비에 대하여 연소특성을 비교하기 위해 산소 공급 유량을 12 g/s로 설정하였고, 당량비에 따라 메탄의 유량을 결정하였으며, 이를 Table 1에 요약하였다.

추진제 당량비 및 공급 유량에 따른 기체메탄-기체산소 연소시험을 위한 실험 장치는 추력실조립체(Thrust Chamber Assembly, TCA), 데이터 수집 및 제어 장치(Data Acquisition and Control System, DACS), 추력기 스탠드, 추진제 공급장치(Propellant Supply System, PSS), 유량 제어 밸브(Flow Control Valve, FCV), 코리올리 유량계(coriolis flow meter)와 각종 압력 및 온도 센서 등으로 구성되며 추력실조립체 및 실험 장치의 개략도 및 사진을 Fig. 2~4에 각각 나타낸다.

Fig. 2 
Schematic of TCA and temperature sensors position.

Fig. 3 
Schematic diagram of experimental setup.

Fig. 4 
Overview of experimental setup.

추력실조립체는 인젝터, 점화기, 연소실, 노즐 등으로 구성되며, 소재는 내식성이 우수하고 고온 강도가 높은 SUS316L을 사용하였다. 인젝터는 본 연구팀의 선행연구[9]를 통해 추진제의 스월효과로 화염 길이가 짧아 소형 추력기에 사용하기 적합하다는 것이 확인된 단일 스월 동축형 인젝터를 사용하였다. 점화기는 구조가 간단하고 신뢰성이 높으며 작동 재현성이 우수한 가스-토치 스파크 점화방식을 채택하였다. 점화기용 연료와 산화제는 유량 제어기(Mass Flow Controller, MFC)를 통해 제어하여 점화 지연을 최소화하였으며, 엔진 시동 시의 과압 상태가 유발하는 하드 스타트(hard start)를 방지하였다.

추진제는 유량을 레귤레이터로 제어하는 가압식 시스템(pressure-fed system)에 의해 연소실에 공급되었다.

추진제의 유량, 공급 라인과 연소실의 압력 및 온도는 각각 코리올리 유량계(Micro Motion, CMF025M), 압력 트랜스미터(Omega Engineering, PX409 series), 그리고 열전대(Omega Engineering, Type-K)를 통해 측정되었다. 시험 시퀀스 제어 및 각종 데이터 수집은 NI-cRIO를 이용하여 조작하였으며, 데이터는 100 Hz로 샘플링되어 실시간으로 저장되었다.

연소시험은 점화기가 작동한 다음 연료와 산화제가 연소실에 주입이 되면서 시작된다. 점화기는 연소실에 분사되는 추진제에 0.5초간 점화 화염을 가하여 연소반응을 유발한 후 작동을 정지시킨다. 연소시험은 각 시험 경우별로 설정한 시간 동안 진행되었으며, 온도 센서의 반응시간을 고려하여 연소 후 6초간 모든 밸브가 닫힌 상태로 대기한다. 6초가 지나면 기체질소를 사용하여 드리블 볼륨(dribble volume)에 남아있는 잔류 추진제를 퍼지(purge) 한다.

연소시험에 사용된 연소실은 냉각시스템이 적용되어있지 않기 때문에 장시간 연소 시 파손의 위험이 있다. 따라서 연소시간은 연소실에서 열부하를 가장 많이 받는 요소인 노즐이 용융점 이상으로 가열되기 전의 시간으로 설정하였다. 높은 당량비에서의 연소시간은 20초였으나 당량비가 낮아질수록 연소시간도 줄어들었고, 당량비 2.00에서의 연소시간은 10초까지 감소 되었다.

산소 공급 유량을 고정하고 메탄 공급 유량을 변화시킨 당량비 변화에 따른 연소시험 결과를 Table 2와 Fig. 5에 제시한다. 시간에 따른 연소특성의 변화를 비교 및 분석하기 위해 연소 시작 후 2.5초 구간과 추진제 공급 밸브가 닫히기 전 3초 구간을 각각 구간(I)과 구간(II)로 설정하였으며, Table 2의 데이터는 양 구간의 측정값을 획득하여 계산하였다. 특성속도는 연소효율에 크게 영향을 받는 성능특성이며, Fig. 5를 통해 당량비가 증가함에 따라 특성속도는 단조적으로 감소하는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 이론 당량비에서 벗어날수록 연소반응물의 연료과농도가 심화되고 이로 인해 반응열이 생성물과 미연 연료의 평형 온도유지에 점점 더 많이 소모되는 것이 주원인이라 할 수 있다. 연소실로 유입되는 추진제의 총 질량 유량뿐만 아니라 반응물 혼합비 변이가 야기하는 생성물의 비선형적 몰 조성에 강하게 종속되는 연소실 압력은 당량비에 따라 비선형적인 경향을 보이는 것이 확인된다. 연소시험 후 이론성능 분석을 위해 연소실에서 발생하는 화학반응을 화학평형 상태로 가정하여 NASA의 CEA(Chemical Equilibrium with Applications) 해석을 수행하였으며, 이를 통해 특성속도 효율을 산출하였다. 특성속도 효율은 특정 경우에서 100%가 넘는 비현실적인 수치를 관찰할 수 있는데, 이는 나중에 설명할 내부 연소 메커니즘의 차이에 기인한 것으로 판단된다.

Fig. 5 
Characteristic velocity, efficiency and chamber pressure comparison according to equivalence ratio.

당량비에 따른 연소과정 중의 연소실 플룸(plume) 형상을 Fig. 6에 비교한다. 상대적으로 낮은 당량비에서의 플룸은 청염이었지만, 당량비가 증가할수록 화염의 온도가 감소함에 따라 플룸은 점차 황염으로 변하고 휘도가 낮아지는 것을 관찰하였으며, 당량비 3.65인 GE6 이후 분사되는 연소 가스의 온도가 상대적으로 매우 낮아 가시광선 영역의 플룸을 관측할 수 없었다.

Fig. 6 
Plume shapes according to the equivalence ratio variation.

Table 2에서 특성속도는 시간의 경과에 따라 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이를 Fig. 7에 도시한다. 이때 C*_Ⅰ과 C*_Ⅱ는 각각 Table 2 (I)과 Table 2 (II)의 특성속도를 나타낸다. 또한, 특성속도의 상대적 상승도(Relative Rise of C*, C*_RR)는 Eq. 1로 정의된다.

Fig. 7 
Characteristic velocity change and its relative rise per the test case equivalence ratio.

Fig. 7을 통해 특정 당량비 구간에서 특성속도의 상대적 상승도가 크게 높아지는 것을 관찰할 수 있다. GE1과 GE2에서 미미했던 상승도는 GE3부터 점차 증가하기 시작하여 GE7에서 급격하게 증가 폭이 커지는 것을 관찰할 수 있다. 이는 연료과농도가 높아지면서 연소실 내부에 발생하는 연소 메커니즘(combustion mechanism)이 변화하여 발생한 것으로, 특성속도의 상대적 상승도에 따라 총 3가지의 범주로 구분되었다.

첫 번째 연소 범주가 적용되는 구간은 GE1에서 GE2에 해당하는 당량비 2.00~2.32 구간이며, 이때 특성속도의 상대적 상승도는 0.06% 이하이다. 두 경우의 연소시험 결과는 경향이 동일한 것이 확인되었으며, GE2의 시험 결과를 Fig. 8에 도시한다. 연소실 압력은 연소 시작 후 2초 이내에 정상상태에 도달한 후 일정하게 유지되는 것이 관찰되며, 온도의 경우 연소 초기에는 연소실 중단부의 온도가 연소실 하단부보다 높지만, 하단부의 온도 구배가 중단부보다 크기 때문에 시간이 흐를수록 중단부의 온도와 비슷해지거나 역전되는 현상이 발생한다. 이를 통해 당량비 2.00~2.32 구간에서의 연소는 일반적인 연료과농 상태에서의 연소 메커니즘에서 크게 벗어나지 않는 것으로 판단된다.

Fig. 8 
Test result of GE2 case.

두 번째 연소 범주가 적용되는 구간은 GE3에서 GE6까지 해당하는 당량비 2.97~3.65 구간이다. 이 구간의 특성속도의 상대적 상승도는 0.50~2.22%로 시간 변화에 따른 특성속도 상승도가 점차 증대되는 구간이다. 이 구간의 특징은 측정에 기반하는 특성속도가 비정상적으로 높게 산출되는 현상이다. 이는 수차례의 재연시험에서도 동일한 현상이 나타난 것으로 보아 측정 오류는 아닌 것으로 확인되었다. 그러므로, 해당 조건에서의 시험성능이 이론성능보다 높은 것은 연소실 내 메탄-산소 혼합물의 연소 메커니즘이 아닌 다른 조건에서의 연소반응이 개재하고 있는 것으로 판단된다.

특성속도 효율의 비정상적인 수치에 대한 원인을 분석하기 위해 NASA의 CEA 코드를 이용하여 GE4에서 GE6까지의 메탄-산소 혼합물 연소반응에 의한 생산물의 몰분율(mole fraction)을 산출하였다. 그 결과, 구간(I)과 구간(II)는 같은 경향을 보였다. 이에 구간(I)에 대한 몰분율을 Table 3에 정리하였고, 모든 경우에서 동일하게 다량의 수소가 생성되었음을 확인할 수 있다. Sobel과 Spadaccini[10]는 연료에서의 탈수소화(dehydrogenation)와 열해리 등으로 인한 분열로부터 생산된 수소가 점화 지연시간을 단축하고 연소효율을 증가시켜 엔진 성능에 도움이 된다고 언급한 바 있다.

Table 3에서 다량의 수소가 확인되는바, 연소실 내 연소 메커니즘을 메탄-산소 혼합물이 아닌 메탄-산소 혼합물에 수소가 첨가된 메탄-수소-산소 혼합물의 연소반응으로 가정하여 특성속도 효율이 95%가 넘는 GE4, GE5, 그리고 GE6에 대해 CEA 해석을 수행하였다. 이때 연료-산화제 혼합비는 각 경우와 동일하게 유지하되 메탄-수소 혼합물에서 수소의 함량을 0~30%까지 변화시켰고, 그 결과를 Fig. 9에 도시한다. CEA 해석 결과, 동일 혼합비에서 연료 혼합물의 수소 함량에 비례하여 해석을 통한 이론 특성속도(C*_CEA)가 선형적으로 증가하는 것이 확인되며, 100%가 넘는 특성속도 효율은 수소의 첨가량에 반비례하여 감소하는 것이 관찰된다. 이 배경에는 과농한 메탄 연료의 연소반응과 열분해 등으로 발생한 수소가 연소반응에 다시 참여하는 반응 메커니즘이 개재하고 있는 것으로 판단된다. 또한, Fig. 7에서 연료과농도가 심화됨에 따라 연소과정의 전·후반부 특성속도 차이가 보다 뚜렷해진다는 사실도 연소과정 중 새로운 반응 메커니즘의 개재 가능성을 짐작하게 한다.

Fig. 9 
CEA analysis result according to hydrogen concentration variation in methane-hydrogen fuel mixture.

마지막으로 세 번째 연소 범주는 GE7에서 GE11까지 해당하는 당량비 3.97~5.30 구간이다. 이 구간에서 특성속도의 상대적 상승도는 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 두 번째 연소 범주와는 다르게 특성속도 효율이 당량비 증가와 함께 다시 감소하는 사실을 비추어 전술한 반응물 수소의 연소반응 재참가 현상이 당량비 농후효과에 비해 약화되는 구간으로 판단된다.

이 구간에서 나타나는 가장 큰 특징은 연소 중 발생하는 급작스러운 압력의 증가(steeply pressure-rising)이다. 세 번째 연소 범주에서 이러한 현상이 명확하게 관측되는 경우인 GE11에 대한 시험 결과를 Fig. 10~11에 도시한다. 그래프를 통해 약 10초 전후로 4.6 psia의 압력이 상승하는 것이 관측되고, 급작스러운 압력의 증가가 발생함과 동시에 연소실 상단부 및 중단부의 온도 구배도 높아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 과도한 연료과농도 외에도 주변 환경의 온도가 낮아 추진제가 활성화 에너지(activation energy)에 도달하지 못하였기 때문으로 판단된다. 연소 초기에는 매우 높은 당량비로 인하여 점화원(ignition source)이 인젝터 근처에 위치함에도 불구하고 상단부에서는 약한 연소반응으로 인해 낮은 온도의 화염이 만들어지며, 주된 화염은 연소실 하단부에 생성된다. 그러나 시간이 흐를수록 하단부에 존재하는 화염에 의해 연소실 온도가 증가하고, 이 열환경의 지속이 미연 혼합물이 연소반응에 다시 참여할 수 있는 특정 임계점을 넘게 하면서 연소반응이 약한 연소실 중단부와 상단부까지 반응 강도가 강한 화염의 영역이 확대되는 것으로 판단된다. 추가로 급작스러운 압력의 증가로부터 약 2초 후 연소실 하단부 온도가 급격히 오르는 것을 확인할 수 있다. 이 현상은 연소실의 노즐부에서 글로잉이 관측되는 시점과 일치하는 것으로 보아 노즐에서 축적되어 상류로 전도되는 열의 영향으로 보인다.

Fig. 10 
Test result of GE11 case.

Fig. 11 
Gradients of pressure and temperature on GE11 case.

액체 추진제를 이용한 소형로켓엔진의 개발을 위한 선행연구로 연료 막냉각 유량 변화가 연소실 내부의 화학반응에 영향을 미치는 것과 같은 환경을 조성하여 연료과농 상태의 기체메탄-기체산소 연소시험을 수행하였다.

연소시험 결과, 전체적으로 시간의 경과에 따라 특성속도가 증가하는 것이 확인되었으며, 특성속도의 상대적 상승도의 크기에 따라 세 가지의 범주로 구분하였다.

첫 번째 연소 범주에 해당하는 구간인 당량비 2.00~2.32에서는 일반적인 연료과농 조건의 연소반응이 관찰되었으며, 시간에 따른 특성속도의 차이가 거의 없는 것을 확인하였다.

두 번째 연소 범주에 해당하는 구간인 당량비 2.68~3.65에서는 특성속도 효율이 비정상적으로 높은 것이 관찰되었는데, 이 구간에서는 메탄 연료의 연소반응과 열분해 등으로 발생한 수소가 연소반응에 다시 참여하는 반응 메커니즘이 개재하고 있는 것으로 판단된다.

마지막으로 세 번째 연소 범주에 해당하는 구간은 당량비 3.97~5.30이다. 이 구간은 연소 중 급작스러운 압력의 증가가 발생하였으며, 이는 낮은 열 환경으로 인해 연소 초반부에서 연소반응을 하지 않던 미연 혼합물이 반응에 참여할 수 있는 특정 임계점을 넘으면서 반응 강도가 강한 화염 영역이 확대된 것으로 판단된다.

본 연소시험을 통해 기체메탄-기체산소 연소시험을 수행하였을 때 비록 연소실 내부를 직접 관찰하지 못하였으나, 측정된 압력 및 온도를 통해 연소실 내부에서 발생한 현상에 대해 예측할 수 있었다.