편집위원회

미국의 퍼듀 대학교는 2007년부터 액주 충돌 실험 장치를 활용한 접촉점화 추진제에 대한 연구를 수행해오고 있다. 대표적인 논문은 2014년에 발표된 실린지 펌프를 활용한 액주 충돌 실험에 관한 논문과 2007년에 발표된 연소실 내 기체 분위기에 따른 액주 충돌 실험을 수행한 논문이다[5,6].

실린지 펌프를 활용한 액주 충돌 실험에 사용된 추진제는 하이드라진 계열의 연료인 모노메틸하이드라진(monomethylhydrazine, MMH)과 적연질산(red-fuming nitric acid, RFNA) 그리고 트리에틸아민보란(triethylamine borane, TEB) 연료와 백연질산 조합이다. Fig. 2와 같이 실린지 펌프를 활용할 경우 단순히 실린지를 교체하는 방식으로 다양한 추진제 조합에 대해 실험을 수행할 수 있다는 장점이 있다. 실험 변수로 연료와 산화제 액주의 모멘텀 비를 선정하였고, 점화지연시간 및 연소실 내부 압력을 측정하여 점화성능을 정량적으로 평가하였다. 실험 결과 모든 추진제 조합에서 액적 낙하 실험 대비 점화지연시간이 증가하였고, 이는 인젝터로 분사되는 추진제가 혼합되는 과정에서 최적 혼합이 이뤄지지 않았기 때문이라 판단하였다.

Fig. 2 
Impinging jet test apparatus using cylinders[5].

연소실 내 기체 분위기에 따른 액주 충돌 실험은 실린지 펌프를 사용하는 대신 Fig. 3과 같이 액체 추진제를 가압하여 분사하는 가압식 액주 충돌 방식을 사용했다. 실험에 사용한 기체는 공기, 질소, 헬륨이며 연소실 내부 초기 압력은 1 atm, 3 atm 이었다. 메탄올(78 wt%)과 망간 촉매인 manganese (II) acetate tetrahydrate(22 wt%)를 혼합한 Block 0 라는 연료와 고농도 과산화수소를 사용한 저독성 접촉점화 추진제 조합을 사용했다. Semenov의 이론을 바탕으로 추진제의 접촉점화 반응을 열적 점화현상이라 가정하여 해석하였다. 실험 결과 연소실 압력이 증가함에 따라 점화지연시간이 감소하였으며 추진제 접촉으로 발생되는 반응열이 주변 기체로 소산되는 정도에 따라 점화지연시간이 변화하는 것을 확인하였다. 이는 주변기체의 루이스 수(Lewis number)가 점화지연시간 변화에 영향을 주는 것으로 판단하였다.

Fig. 3 
Schematic of pressurized impinging jet apparatus[6].

펜실베니아 주립대학교에서는 두 종류의 연료 테트라메틸에틸렌다이아민(tetramethylethylene diamine, TMEDA), 2-디메틸아미노에틸아자이드(2-dimethylaminoethylazide, DMAZ)와 산화제인 백연질산을 사용하여 모멘텀 비와 당량비에 따른 액주 충돌 실험을 수행하였다[7]. 해당 연구에서는 액추에이터를 사용하여 실린지에 힘을 가해 일정량의 추진제를 공급하였다. 단일 Unlik e-doublet 종류의 인젝터를 사용하였으며, 모멘텀의 비는 Rupe의 설계 기준에 따라 최적 혼합이 발생하는 1을 선택하였다[8]. 추진제 액주의 모멘텀 크기는 추진제의 밀도(ρ), 유속(V), 오리피스 직경(D)에 따라 달라진다. 모멘텀 크기는 오리피스직경을 변화시켜 조절하였으며 Eq. 1은 모멘텀 비를 계산한 식이다. 아래 첨자 1과 2는 각각 연료와 산화제를 나타낸다.

Fig. 4는 연료 오리피스 직경을 고정하고 산화제 오리피스 직경을 변화시키며 모텐텀 비와 당량비의 관계를 예측한 그래프이다. 해당 연구진은 모멘텀 비의 영향을 확인하기 위해 예측 조건과 같이 산화제 오리피스 직경을 변화시켜가며 실험을 수행하고 이를 예측 결과와 비교하였다. 실험 결과 예측한 대로 모멘텀 비와 당량비가 1에 해당하는 산화제 오리피스 직경인 0.065 in 일 때 점화지연시간이 가장 짧게 측정되었다. 이는 추진제의 최적 충돌 모멘텀 비와 최적 당량비에서 가장 짧은 점화지연시간이 측정된 것으로, 모멘텀 비와 당량비가 추진제의 물리적인 혼합과 화학반응에 큰 영향을 미친다고 판단할 수 있다. 또한, 연료와 산화제의 오리피스 직경을 변화시키며 당량비(Φ)와 모텐텀 비에 따른 점화지연시간을 관찰하였다. 당량비가 1일 때 해당하는 추진제의 최적 부피 혼합비(O/F volume ratio)는 4.35이며, 실험 결과 Fig. 5에서 당량비 5.8인 경우 모멘텀 비에 따라 점화지연시간이 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 분사되는 추진제 유량이 최적 혼합비와 다르더라도 추진제 액주가 서로 충돌하는 순간에 충분한 크기의 모멘텀 비를 유지할 수 있다면 점화지연시간을 단축할 수 있다는 결과로써, 액주 충돌 실험 시 추진제 혼합비 변화에 의한 화학 반응열의 변화보다 추진제의 물리적 혼합이 점화 성능에 더 큰 영향을 미칠 수 있음을 시사한다. 또한, 로켓 시동 시 발생할 수 있는 폭발성 시동(hard start)은 추진제의 점화지연시간 증가와 직접적인 관련이 있다는 관점에서, 추진제 액주 충돌 모멘텀 비를 충분한 수준으로 유지한다면 점화지연시간을 단축하여 점화 시 발생할 수 있는 연소 불안정성을 원천적으로 억제할 수 있다.

Fig. 4 
Effect of oxidizer jet diameter on momentum ratio and equivalence ratio[7].

Fig. 5 
Effect of equivalence ratio and momentum ratio on ignition delay[7].

즉, 접촉점화 로켓의 안정적인 점화를 위한 하나의 방안으로, 로켓의 최초 점화 시 최적 당량비가 아닌 점화지연시간이 최소가 되는 모멘텀 비로 추진제 액주를 분사하여 연소 불안정성을 억제하고, 이후 최적 당량비로 추진제 분사량을 제어하는 방식을 제안할 수 있다. 액주 충돌 실험의 결과를 해석할 때는 다양한 실험 변수들의 상호작용에 따른 영향을 종합적으로 분석해야 하며, 이러한 과정을 거치면서 실제 추력기에 적용할 충돌형 인젝터 설계 및 운용 방안을 도출해야 한다.

폴란드의 IoA는 친환경 저장성 산화제인 고농도 과산화수소를 기반으로 한 새로운 접촉점화 추진제 조합 연구를 선도하는 그룹 중 하나이다. Fig. 6은 폴란드 연구진이 설계한 가압식 액주 충돌 실험 장치의 정보를 보여준다[9]. 액주 충돌 실험에 사용한 인젝터를 보면 인젝터 중심에 축 방향으로 하나의 분사기와 그 주변으로 4개의 분사기가 반경 방향으로 나열된 형태이다. 과산화수소가 산화제라는 것을 고려하면, 중심에 있는 분사기에서 연료가 분사될 것임을 예측할 수 있다. 그 이유는 과산화수소는 열분해 되는 과정에서 산소와 수증기를 생성하는데, 일반적으로 탄화수소 계열 연료를 완전 연소시키기 위한 산소를 제공하기 위해서 연료 유량보다 3∼4배 이상의 유량을 공급해야하기 때문이다. 해당 연구에서는 98 wt% 고농도 과산화수소를 산화제로 사용하고, 다양한 종류의 촉매성 연료와 반응성 연료를 활용하여 접촉점화 성능을 평가하였다. 연료에 촉매를 녹여 과산화수소를 분해하여 점화를 일으키는 방식과 연료에 환원제를 첨가하여 과산화수소와 산화-환원 반응을 통해 점화를 촉발하는 방식은 접촉점화 현상을 발현하기 위한 화학반응 메커니즘이 서로 상이하다. 실험 결과 반응성 연료의 점화지연시간이 촉매성 연료에 비해 짧게 측정되었으며 액주 충돌 실험 장치의 관측창을 통해 점화제의 종류에 따라 화염의 색이 달라진다는 것을 보고하였다.

Fig. 6 
Impinging jet apparatus of IoA[9].

2019년 German Aerospace Center(DLR)는 저독성 접촉점화 추진제의 점화 성능을 확인하기 위해 최적 혼합 비율로 분사되는 인젝터를 설계하고 흑백 및 컬러 이미징 측정 기법을 활용한액주 충돌 실험 결과에 대해 보고하였다[10]. 앞서 언급한 Block 0 연료와 97.1 wt% 고농도 과산화수소를 산화제로 사용하는 접촉점화 추진제 조합을 실험에 활용하였다. Fig. 7은 해당 연구진이 설계한 액주 충돌 실험 장치이다. 인젝터는 2-on-1 unlike triplet jet type의 인젝터를 사용했으며, 중심에 위치한 유로로 연료를 공급하고 그주변 2개의 유로로 산화제를 공급하여 60도 각도로 연료 액주와 충돌 하도록 배치하였다. 앞선 연구와 유사하게, 과산화수소 기반 접촉점화 추진제 조합의 높은 O/F비로 인해 연료보다 산화제 분사구가 더 많다. 인젝터의 경우 Eq. 2를 토대로 오리피스 직경을 선정하였다[11]. 최적 혼합을 위한 오리피스 직경은 추진제의 밀도와 질량 유량에 의해 결정된다. 상관관계식의 아래 첨자 1과 2는 각각 연료와 산화제를 의미하며 MF(mixing factor; determined from experiment)는 혼합 계수(2-on-1의 경우 MF=1.6)를 나타낸다.

Fig. 7 
Schematic of impinging jet apparatus[10].

Fig. 8은 액주 충돌 실험과정에서 얻은 대표적인 실험 이미지이다. LED Backlight를 활용한 흑백(gray monochrome) 카메라와 컬러로 이미징 할 수 있는 초고속 카메라 2대를 동시에 촬영하여 이미지를 분석하였다. 흑백 이미지는 점화가 촉발되기 전 액주 충돌 과정에서 나타나는 분무특성을 파악하기에 적합하나 점화 순간을 면밀히 판단하기는 어렵다는 단점이 있다. 반면에 컬러 이미지 기법은 분무 특성을 파악하기 어렵지만 점화 순간은 비교적 정확히 분석할 수 있다. 두 가지 기법을 병행하여 분석하면 액주 충돌 전 과정에 대한 분무 및 점화 특성을 분석할 수 있다. 실험 결과 선행 연구결과들과 유사하게 액적 낙하 실험에서 측정한 점화지연시간(20.5 ms)에 비해 액주 충돌 실험의 점화지연시간이 더 증가하였다(190 ms).

Fig. 8 
Impinging jet test image according to photography technique[10].

최근 JAXA는 97.8 wt% 고농도 과산화수소와 HKP110 이라는 저독성 반응성 연료 조합으로 액적 낙하 및 액주 충돌에 관한 연소실험을 수행하였다[12]. HKP110 연료는 3-메틸아미노프로필아민(3-methylaminopropylamine, MAPA) 용매에 수소화붕소나트륨(sodium borohydride, NaBH₄)을 10 wt% 혼합한 반응성 연료이다. HKP110 연료와 98 wt% 과산화수소 조합의 이론 비추력은 MMH/NTO 조합에 비해 98.3% 수준이다. 액적 낙하실험에서 초고속 카메라로 측정한 점화지연시간의 범위는 약 4∼5 ms 정도이다. Fig. 9는 JAXA에서 설계한 가압식 액주 충돌 실험 장치에 대한 정보를 나타낸 것이다. 인젝터 형상은 2-on-1 triplet type의 충돌형 인젝터를 사용하였으며, 중앙에서 연료 액주를 분사하고 양쪽에서 30도의 각도로 산화제 액주가 충돌하도록 설계되었다. 실험조건에서 특징적인 부분은 연료를 산화제 보다 먼저 분사하는 경우 (fuel-lead injection)와 그 반대의 경우(oxidizer-lead injection)에 대해 점화지연시간의 변화를 관찰한 것이다. 실험 결과 산화제 선 분사조건에서 상대적으로 긴 점화지연시간과 함께 점화와 소염이 불규칙하게 반복적으로 일어나는 불안정성을 관측하였다. 해당 연구진이 관찰한 현상은 국내에서 보고된 과산화수소 기반 저독성 접촉점화 추진제를 활용한 추력기 연소실험 시 발생했던 폭발성 현상의 원인과 유사한 것이다[4]. 이 실험 장치의 단점은 연소실의 원통 직경이 작아 미립화된 액적들이 연소실 벽면과 충돌한다는 점인데, 이러한 간섭은 점화지연시간 변화에 큰 영향을 줄 수 있다.

Fig. 9 
Impinging jet apparatus of JAXA[12].

한국과학기술원 로켓연구실은 2015년부터 과산화수소 기반의 저독성 접촉점화 추진제와 이를 적용한 추력기 연구를 지속적으로 수행하고 있다. 대표적인 논문은 2019년에 발표된 물리적 접촉 방식에 따른 추진제의 분무 특성에 대한 연구와 2022년에 발표된 분무 특성을 관찰할 수 있는 가시화 방법론에 대한 논문이다[13,14].

물리적 접촉 방식에 따른 추진제의 분무 특성을 관찰하기 위한 논문은 연료와 산화제의 물리적 접촉 방식에 따라 점화지연시간이 어떻게 달라지는지 살펴본 것으로, 단순히 액주 충돌만을 통해 점화지연시간을 관찰했던 국외 선행연구 사례들과 차별성을 갖는다. 물리적 접촉 방식은 연료와 산화제가 액주(jet)-액주(jet) 형태로 분사되어 충돌할 경우, 액주(jet)-액막(sheet) 형태로 충돌할 경우, 액막(sheet)-액막(sheet) 형태로 충돌할 경우로 구분하였다. 물리적 접촉 방식은 산화제를 액막 형태로 분사하고, 연료 인젝터의 형상을 액막에서 액주 형태로 변화시켜가며 조절하였다. 해당 연구에서는 물리적 접촉 방식에 따른 분사조건을 정량적으로 비교하기 위해 연료 오리피스 직경(d), 연료 분사 슬릿 너비(w)와 오리피스 수(N)로 정의되는 Blockage factor(BF)라는 설계 인자를 도입하여 분무실험을 수행하였다(Eq. 3).

추진제 조합으론 90 wt%의 고농도 과산화수소와 Stock 3 반응성 연료를 사용하였다. 실험 결과 BF factor가 감소함에 따라 점화지연시간과 표준편차가 증가하였다. BF factor가 0.15 조건에서 Fig. 10과 같이 연료 액주들이 산화제 액주를 뚫고 지나가며 점화 불안정성이 관측되었고, 최종적으로 액막-액막 조건에서 가장 안정적인 점화현상과 짧은 점화지연시간이 관측되었다. 추진제 접촉 면적이 넓어질수록 점화지연시간 감소 및 점화 신뢰성 향상에 긍정적인 영향을 보였다.

Fig. 10 
Image of impinging jet test at BF 0.15[13].

위 실험 결과는 저독성 접촉점화 추진제를 활용한 인젝터 설계 시, 추진제의 접촉면적을 극대화할 수 있는 인젝터 형태로 핀틀 인젝터 형상에 대해 고찰할 수 있는 기반을 제시했다는 점에서 의미가 있다.

저독성 접촉점화 추진제의 분무 특성과 점화과정을 관찰하기 위한 방법으로 청색광 가시화 기법을 제시하였다. 해당 연구진은 Fig. 11과 같 이 청색 가시화 기법을 이용하여 연료와 산화제액주의 작동 조건에 따른 접촉점화 분무 특성을관찰하였다. 청색 가시화 기법이란 청색광을 연 소실 관측창 후면에 조사한 후 고속이미지를 촬영하는 방법으로, 쉐도우 이미징 기법을 활용해 추진제의 분무 형상과 점화현상을 확인하는 기법이다. 이 기법을 활용하면 추진제 점화 시 발생하는 붉은색 계열과 백색 계열의 빛을 이미지 후처리 방식(image post-processing)으로 제거하여 화염이 형성된 과정에서도 추진제의 분무 형상을 관찰할 수 있다는 장점이 있다. 인젝터는Pentad-type 충돌형 인젝터를 사용하였고, 해당 기법을 이용하여 작동 조건에 따라 추진제 액주 분사 중에 발생할 수 있는 반응성 유동 분리현상(reactive stream separation, RSS) 및 간헐적 폭발 현상(popping)과 같은 연소 불안정성에 대한 다양한 연구를 수행하였다. Table 1은 국내외 선행 연구 사례의 주요한 실험 조건과 내용을 정리한 표이다.

Fig. 11 
Visualization method of blue backlighting high speed photography[14].