[스크랩] 고체추진제,액체추진제

 

위성 발사 및 우주 수송에 많이 사용되는 액체로켓은 추진제 (산화제와 연료) 탱크, 공급장치 및 연소실로 구성되어 있고, 이중 추진제 탱크가 구조물의 대부분을 차지하고 있다. 로켓의 일반적인 형상은 문헌에 많이 소개되었으므로 로켓 추진기관의 구조를 그림에 약간 상세히 나타내었다.

로켓의 작동과정은 다음과 같다.

 

 

 

발사명령이 내리면 추진제 탱크 배출구에 장착된 explosive bolt가 폭발하면서 추진제가 흘러 나가게 된다. 이때 원활한 유동을 위하여 추진제 탱크 내부는 불활성 기체에 의하여 약간 가압된 상태이다. 배관을 통해 흘러내린 산화제와 연료는 gas generator의 연소실에서 가능한 낮은 온도에서 연소가 되어 추진제를 공급하는 터보펌프의 동력원이 된다. 펌프는 서서히 작동을 시작하며, 공급된 추진제 중 일부는 gas generator에 그리고 대부분은 로켓 주연소실에 공급되어 추력을 발생시키고, 시간이 경과하면서 펌프가 100 % 가동하게 되면 로켓은 설계 추력을 발생하며 발사대를 이륙하게 된다. 이러한 복잡한 터보펌프에 의한 추진제 공급 대신, 단순히 불활성 기체를 이용하여 탱크를 가압하여 추진제를 공급할 수도 있으나, 이 경우 시스템이 고압이 되기 때문에 중량이 증가하는 단점이 있다. 공급장치의 선정은 시스템의 최적화 과정에서 결정될 것이지만, 일반적으로 추력이 크거나 연소압력이 높은 경우에는 터보펌프를 사용해야 한다.

반면 고체로켓은 추진제가 연소실 내부에 장착되어 있기 때문에 외형상 하나의 대형 연소실로 구성되기 때문에 구조가 매우 간단하다. 추진제의 연소는 점화기에 의해서 이루어지며, 추진제가 전부 소모할 때까지 계속 연소가 진행된다. 고체로켓은 구조가 간단하고 유지 보수가 거의 필요 없기 때문에 군사용으로 특히 많이 사용된다.

 

 

1.고체 추진체

 

고체추진기관의 구조가 비교적 간단함에도 불구하고 고체추진제의 개발은 상대적으로 까다로운 과정을 거쳐야 함이 일반적이다. 일반적으로 고체추진제의 성능은 조성에 따라 판이하게 달라지게 된다. 즉 대량 첨가되는 산화제 및 연료 뿐만 아니라 소량 첨가되는 첨가제의 종류와 양에 따라 그 성능이 좌우된다. 또한 모든 고체추진제가 기능을 가진 성분들로 구성되어 있는 것이 아니라 고체추진제를 사용하는 추진기관의 목적에 부합되도록 추진제의 원료 성분들이 구성된다. 고체추진제를 조성(ingredients)별로 나누면 크게 세가지로 구분되며, 균질성, 니트라민, 그리고 불균질성계 추진제들이다. 이중에서 미사일 혹은 우주개발용으로 사용되는 고체추진제는 주로 불균질성계의 복합형이며, 이것을 복합형 고체추진제(composite solid propellant)라고 한다. 이것의 조성에는 세가지의 기본 성분이 요구되는데, 바인더 및 연료 역할을 하는 유기물질의 고분자 재료, 고체 상태의 산화제, 그리고 금속연료가 필수적이다. 이 밖에도 고분자 바인더를 가교시키기 위한 경화제, 산화방지제, 연소촉매, 가교반응촉매, 가소제 등이 사용된다.[10]

고체추진제를 개발할 때 고려해야 할 기본적인 조건은 이것의 내탄도 성능 및 구조적인 만족도이다. 다시 말하면, 첫째, 비추력이 높아야 하는데, 해수면에서 7 MPa(1,000 psi)의 연소실 압력 조건에서 180초∼290초 범위에 들어갈 수 있어야 한다. 높은 비추력을 얻기 위해서는 높은 연소 온도가 요구되며, 연소시 발생되는 연소 가스의 분자량이 작아야 한다. 이를 위해서 분자량이 낮은 원소, 즉 Li, C, H, N, O 등을 포함하고 있으면서 생성열(heat of formation)이 플러스(+)이거나, 낮은 값의 마이너스(－) 수치를 갖는 화합물이 고체추진제 산화제 원료로서 제일 유리하다. 실제로 이런 조건들을 모두 만족하는 화합물의 종류는 매우 제한적이다. 둘째, 높은 비추력과 더불어 높은 밀도가 요구된다. 이것은 모터 케이스의 부피를 줄이는 효과도 있지만, 연소시 낮은 연소 상수를 얻을 수 있으며, 연소 재현성을 높일 수 있기 때문이다. 세째, 광범위한 온도 범위 내에서 기계적 성질 및 물성이 우수해야 한다. 고체추진제는 구조재료이기 때문에 여러 가지 요인에 의해 균열이 발생될 수 있다. 균열이 생성되면 이것의 연소 표면적이 커지게 되며, 연소시 모터 케이스 내에 예기치 못한 높은 압력이 예상되며, 심지어는 불상사까지도 초래된다. 고체추진제의 균열은 취급 중이거나, 경화반응 중의 열적 변화, 점화시 급격한 내부 압력상승(ignition pressurization) 등으로부터 생성된다. 이러한 균열을 예방하기 위해서는, 우선 고체추진제 자체의 기계적 성질이 고려되어야 한다. 또한 주어진 외부환경 조건하에서 고체추진제의 그레인 변형이 거의 일어나지 않아야 하며, 이를 위해서는 각종 물성이 우수해야 한다. 즉, 구조적 integrity가 있어야 한다. 네째, 앞에서 언급한 내용 이외에도 저연(minimum smoke)과 무연(smokeless) 그리고 무공해성이 요구되는 경우도 있으며, 연소속도, 독극성, 폭발성, 안전성, 공정성, 단가(cost) 등이 고려되어야 한다. 위에서 열거한 조건을 모두 만족하는 고체추진제 개발은 실제적으로 매우 어렵기 때문에, 사용 용도에 따라서 해당 조건들을 고려해서 개발함이 일반적이다.

어떤 추진기관에 고체추진제를 충전하고자 할 때 추진제를 선정하는 절차는 다음과 같다. 먼저 예비설계 과정에서 추진기관의 부피, 필요한 추력, 구조상 추진제에 가해지는 응력, 추진제의 형상 등을 고려하여 추진제의 종류를 선택하고 추진제에 대한 각종 특성을 종합적으로 비교 분석한다. 선정된 추진제에 대한 성능, 내탄도 특성, 기계적 특성, 환경변화에 대한 안정성, 추진제의 위험도 등에 대해 점검한 후에 선정된 추진제를 표준 추진기관에 충전하여 지상연소시험을 통하여 여러 가지 자료를 수집 분석하며, 문제점이 없으면 실제 추진기관에 추진제를 적용하게 된다.

지금까지 개발하여 여러 용도로 사용하고 있는 고체추진제 종류는 표 2[16]와 같으며, 용도에 따라 여러 가지로 개발되어 운용 중에 있다. 실제로 이들의 조성이 조금씩만 변화하여도 성능 및 특성에 큰 영향을 미치기 때문에 개발시에는 이론 성능과는 달리 많은 시행착오가 동반되기 마련이다. 이들 중에서 우주개발용 추진 모터로 많이 사용되는 것은 안정성이 가장 뛰어난 알루미늄이 함유된 복합형 고체추진제(aluminized composite propellant)로써 고분자 바인더로는 HTPB(hydroxy- terminated polybutadiene)가 가장 많이 사용되고 있다. HTPB이외에 PBAN(polybutadiene-acrylonitrile-acrylic acid) 및 CTPB (carboxy-terminated polybutadiene)가 과거에는 많이 사용되었으나 새로운 추진기관 시스템에는 HTPB로 대체되고 있는 실정이다.[15]

복합형 고체추진제 다음으로 현재 개발되어 사용되고 있는 것으로는 고에너지 고체추진제이며, 이것은 높은 비추력을 갖는 장점이 있지만 취급시 복합형 추진제보다 안정성이 뒤떨어지기 때문에 대형 1단 추진 모터보다는 소형의 2단 및 3단 혹은 4단 모터에 사용되는 게 일반적이다. 그러나 미국의 최신 대륙간 탄도미사일(ICBM)과 같이 정교하게 관리되고 운영되는 로켓추진기관 시스템에는 고에너지 추진제가 이들의 성능향상을 위해서 사용되고 있다. 최근에는 대기오염의 문제성 때문에 무공해 고체추진제(clean solid propellant)가 선진국에서 개발되어 시스템에 적용될 준비를 하고 있다. 이와 같이 재료과학이 발달할수록 더 우수한 성능을 갖으면서 로켓 시스템에 적용 가능한 에너지원이 될 수 있는 고체추진제가 계속 연구개발되어 소개되고 있다. 

 

 

복합형 고체 추진제의 성분

 

복합형 고체 추진제의 성분은 크게 산소를 공급하는 산화제(Oxidizer),
연소를 담당하는 연료(Fuel) 그리고 산화제와 연료를 물리적으로 결합시켜주는 결합제(Binder)로 다음과 같은 종류가 사용된다.

산화제중 가장 널리 쓰이는 몇 가지를 골라보면,

질산나트륨 (Sodium nitrate, NaNO₃)
질산칼륨 (Potassium nitrate, KNO₃)
질산암모늄 (Ammonium nitrate, NH₄NO₃)
과염소산칼륨 (Potassium perchlorate, KClO₄)
과염소산암모늄 (Ammonium perchlorate, NH₄ClO₄)
과염소산리튬 (Lithium perchlorate, LiClO₄)

등이 있다.

연료로는 과거 흑색화약에서는 목탄, 황이 사용되기도 하였으며, 한때는 결합제 자체를 연료로서 사용하는 경우도 있었으나 최근에는 알루미늄과 같은 금속의 분말이 많이 쓰인다. 이러한 금속분말은 연소 시 고온을 발생시키므로 추진력을 높이는데 도움이 되는 반면 로켓의 내벽과 노즐을 고열에 견딜 수 있도록 제작해야하는 단점도 있다.

결합제는 연료로서의 기능도 약간 가지고 있으며, 산화제와 연료를 물리적으로 결합시켜 덩어리형태를 유지하게 하는 것으로, 초기에는 아스팔트가 사용되기도 하였으나 최근에는 다음과 같은 합성물질이 널리 사용된다.

PBAN (Polybutadiene-acrylonitrile-acrylic acid)
PBAA (Polybutadiene-acrylic acid)
CTPB (Caboxy-terminated Polybutadiene)
HTPB (Hydroxy-terminated Polybutadiene)
PS (Polysulfide)
PPG (Polypropylene-glycol)
PU (Polyurethane polyether)
PNC (Nitrocellulose, plastisol grade)

고체추진제는 그 물리적인 특성이 전체 연료의 성능 및 제조방법에 큰 영향을 미치므로 원하는 물리적인 성질을 얻기 위해 소량의 첨가제들을 넣는다.(산화방지제, 안정제, 고형 촉진제, 유연제 등등...) 또한 경우에 따라서는 복사열에 의해 연소표면 이하에서 연소되는 현상을 방지하기 위해 추진제가 검은 색깔을 내도록 탄소와 같은 착색제도 미량 첨가된다.

 

 

고체 추진체의 종류별 성분

 

이 름	주요성분 및 기능		비추력	밀 도	용 도
Single Base	NC(Fuel, Oxidizer, Binder) Dinitrotoluene(Plasticizer) Dibutylphthalate(Plasticizer) Diphenylamine(Stabilizer)	87.00% 10.00% 3.00% 1.00%	216	1.58	75,155,175mm gun. 105mm Howitz
Double Base	NC(Fuel, Oxidizer, Binder) NG(Fuel Oxidizer, Plasticizer) KNO3(flash Reducer, Ignition Aid) EC(Stabilizer) Graphite(Opacifier)	81.95% 15.00% 2.15% 0.60% 0.30%	232	1.65	75,90,120mm Rifle
Triple Base	NQ(Oxidizer) NC(Fuel, Oxidizer, Binder) NG(Fuel, Oxidizer, Plasticizer) EC(Stabilizer) NaAIF4(Flash Reducer)	48.00% 28.00% 22.00% 1.50% 0.50%	235	1.66	90,105mm gun. 155mm Howitz
Aluminized HTPB Composite	AP(Oxidizer) AI(Metal Fuel) HTPB Binder(Polymer, Fuel) Additives	70.00% 18.00% 10.00% 2.00%	264	1.82	전술 미사일 및 우주 발사체 1, 2, 3단, 보조추진기관 등
Reduced Smoke Composite	AP(Oxidizer) HTPB Binder(Polymer, Fuel) Additives	86.00% 11.50% 2.50%	247	1.72	전술 미사일
Minimum Smoke Composite	AP(Oxidizer) RDX(Oxidizer) PEG(Polymer, Fuel) Nitrate Ester Plasticizers Additives	20.00% 50.00% 7.00% 20.00% 3.00%	251	1.71	전술 미사일 및 전략 미사일
High Energy Propellant	AP(Oxidizer) HMX(Oxidizer) AI(Metal Fuel) PEG(Polymer, Fuel) Nitrate Ester Plasticizers Additives	20.00% 35.00% 20.00% 6.50% 17.50% 1.00%	272	1.84	전략 미사일
* 비추력은 연소실 압력이 1,000psi이며, 노즐 출구 압력이 대기압과 같은 조건하에서의 계산값임.

 

 

2.액체 추진체

 

액체추진제는 고체추진제와는 달리 액체엔진의 복잡한 구조에 비해서 상대적으로 간단하게 시스템에 응용할 수 있는 화학추진제이다. 액체 엔진의 추력을 제공하는 에너지원인 액체추진제의 선정은 엔진 설계시 중요한 단계이며, 이에 따라 전체 시스템의 성능 뿐만 아니라 엔진 각 부품에 대한 설계의 제약조건으로 작용하게 된다. 이외에 액체추진제 선정에 있어서 가격(저렴할 것), 공급처(재료의 풍부성 및 간단한 제조과정), 취급법(저부식성 및 저독극성), 저장성(지상이나 우주공간에서 용이), 성능(고밀도, 저분자량, 저비등점, 고비열, 고발열량, 점화성) 등이 고려되어야 한다. 액체추진제 시스템의 구분은 우선 연료와 산화제가 하나의 물질에 포함되어 있는 단일추진제(monopropellant)와 이들이 각기 연료 및 산화제 두 성분의 물질로 구성되어 있는 이원추진제(bipropellant)의 두 종류로 나눌 수 있다.

단일추진제 시스템은 연소가능 물질과 산화제의 역할을 하는 물질을 동시에 지니고 있는 형태로 존재하면서 필요시 촉매를 통과하면서 가스화 되어 에너지를 방출하게 된다. 따라서 저장용기 및 원료주입, 유량조절, 배관 등이 간단하긴 하지만, 자연 상태에서도 안정성을 유지하면서 원하는 시기에 분해반응이 일어날 수 있어야 하는 제약조건 때문에 이것의 종류는 매우 제한적이다. 예로써, 메틸니트레이트(CH3NO3)와 같은 물질은 추진제로서의 성능이 우수함에도 불구하고 취급시 불안정하기 때문에 단일추진제로 사용하지 못하고 있다. 현재까지 실제적으로 사용가능 하도록 개발된 단일추진제는 과산화수소(H2O2)와 하이드라진(N2H4) 정도이다. 더욱이 이들은 상당히 낮은 추력을 발생할 수 있기 때문에 터보 펌퍼용 가스발생기(gas generator)나 보조 구동장치 또는 자세제어용 추력기 등과 같이 주로 2차 에너지원으로 채택됨이 일반적이다.

이와는달리 큰 추력을 요구하는 로켓 엔진에서는 높은 에너지원인 연료와 이들의 산화제로 구성된 이원추진제를 사용함이 보편적이며, 이들의 비추력은 추진제 시스템 종류에 따라서 260∼478초 범위이며 고체추진제에 비해서 상대적으로 높음을 알 수 있다. 이들은 각기 별도의 저장용기에 보관되어 주입구를 통해 연소실에서 서로 혼화되어 연소반응이 일어나게 됨으로써 추진제의 역할을 하게된다. 이 시스템은 성능이 비교적 좋으면서 안정한 작동이 가능하기 때문에 대부분의 액체추진 로켓에서 채택하고 있다. 이원추진제 시스템에 사용되는 추진제는 또다시 두 종류로 구분된다. 연료와 산화제가 혼합되면서 자발적으로 연소되는 접촉발화 특성을 갖는 "hypergolic"형 이원추진제와 이들의 연소를 위해 점화장치가 요구되는 비접촉발화성 이원추진제로 구분하고 있다. 

 

 

액체추진체의 종류별 용도

 

국가	발사체	산화제	연료	용도(단)
미 국	타이탄 4	사산화질소 액체산소	Aerozine-50 액체수소	1 및 2 3
	아틀라스	액체산소	RP-1	1 및 2
	델타	액체산소 사산화질소	RP-1 Aerozine-50	1 2
	센터	액체산소	액체수소	윗단
	우주왕복선	액체산소	액체수소	주엔진
중국	FB-1	사산화질소 액체산소	비대칭 디메틸하이드라진 액체수소	1 및 2 3
프랑스	아리안 4	사산화질소 액체산소	비대칭 디메틸하이드라진 액체수소	1 및 2 3
일본	N-2	액체산소 사산화질소	RP-1 Aerozine-50	1 2
	H-1	액체산소 액체산소	RP-1 액체수소	1 2
	H-2	액체산소	액체수소	1 및 2
러시아	소우즈	액체산소	경유	1 및 2
	프로톤	액체산소	비대칭 디메틸하이드라진	1 및 2
	SL-13	액체산소 사산화질소	비대칭 디메틸하이드라진 Aerozine-50	1 0 및 2
*Aerozine-50: N2H4(hydrazine)와 UDMH(unsymmetrical dimethylhy- drazine)의 1:1 혼합연료. *RP-1: hydrocarbon rocket propellant로써 탄화수소연료의 일종임.

 

 

 http://blog.naver.com/korea213/80046819205

 

 

출처 : 명림골

글쓴이 : 딸꾹이 원글보기

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