로켓 엔진은 어떻게 3200℃ 고온을 견딜까?
로켓 엔진은 어떻게 3200℃ 고온을 견딜까?
  • 김정은 기자
  • 승인 2022.01.24 12:36
  • 댓글 0
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ⓒ데일리포스트=이미지 제공/flickr 

[데일리포스트=김정은 기자] 우주선에 사용되는 로켓 엔진의 연소실(챔버)에서는 가스가 약 3200℃까지 가열되는 경우가 있다. 엔진이 제대로 작동하기 위해서는 이러한 고온의 환경이 필요하며, 다양한 소재가 융점 이상의 고온을 견디기 위해서 여러 가지 방법이 적용되고 있다

로켓 엔진의 챔버 상부에는 인젝터가 있어 연료와 산화제를 고압으로 챔버 내에 공급한다. 그리고 챔버로 전달되는 연료와 산화제는 혼합되어 발화·연소 과정을 거쳐 엄청난 에너지를 생성한다. 하지만 별도의 조치를 하지 않는다면 금속 챔버의 벽면은 녹아 버릴 것이다. 

◆ 히트 싱크

옵션 중 하나는 챔버 벽을 두껍게 만드는 것이다. 두꺼운 벽은 히트싱크(heat sink, 방열판) 역할을 하며 고온 가스가 금속층을 녹이기 전에 전체 온도를 낮춘다. 하지만 로켓 제작은 경량화가 중요해 무거운 금속 벽을 한없이 두껍게 할 수가 없고 장시간 사용에도 적합하지 않다.

ⓒ데일리포스트=이미지 제공/everydayastronaut

따라서 히트 싱크는 단시간 동작하는 조종용 스러스터(thruster)라면 이용 가능하지만, 몇 분에 걸쳐 계속 움직이는 주요 추진엔진에는 적합하지 않다.

◆ 연료와 산화제 비율

또 다른 옵션은 연료와 산화제 비율을 조정해 배기 온도를 낮추는 것이다. 연료와 산화제 전량이 완전하게 반응하는 비율에선 가능한 최대의 열이 방출돼, 최대 출력이 필요한 경우에는 우수한 결과를 내지만, 열을 억제하고 싶다면 적합하지 않다.  

◆ 삭마 냉각 

간단하고 효율적인 냉각법 중 하나는 삭마 냉각(Ablative Cooling)이다. 고체로켓엔진에서 보편적으로 사용되며, 대기권에 재돌입하는 우주선의 차열판처럼 기화열을 이용하는 방식이다. 높은 융점을 가진 탄소 복합 재료를 이용한 차열판은 우주선 내부까지 고열이 침투하는 것을 방지한다. 로켓 엔진의 경우 챔버와 노즐 벽 내부에 탄소 복합소재 층(Layer)이 제공된다. 

ⓒ데일리포스트=이미지 제공/everydayastronaut

하지만 이 방법으로 냉각된 엔진은 재사용할 수 없다는 문제가 있다. 대표적으로 아폴로 계획에서 우주 비행사를 지구로 귀환시키는 엔진은 달 표면에서 실제로 이용될 때까지 테스트가 불가능했다. 

◆ 재생 냉각

액체 연료 로켓엔진은 재생 냉각이라는 방법을 사용한다. 이는 추진제를 챔버와 노즐 벽면 내부를 통해 인젝터 경유로 챔버에 보내는 방식으로 가장 널리 사용된다. 

재생 냉각의 과제 중 하나는 벽 내부 압력을 챔버 내 압력보다 높일 필요가 있다는 사실이다. 하지만 좁은 벽 내부를 고압으로 설정하면 누출이 발생할 수 있다.

◆ 필름 냉각

챔버와 노즐 내부와 벽 사이에 유체를 주입해, 고온 가스와 벽 사이에 경계를 만들어 단열재 역할을 하는 필름 냉각도 있다.

ⓒ데일리포스트=이미지 제공/everydayastronaut

가장 간단한 방법은 인젝터 외주(外周) 연료 또는 산화제 농도를 높이는 것이다. 이 방식에서는 반응에 필요한 적절한 양의 산화제를 얻을 수 없는 연료가 외주를 흘러, 액체에서 기체로 변화함으로써 열을 흡수한다.

◆ 방사 냉각

이 외에 스페이스X가 사용하는 마린엔진이나 로켓랩의 러더포드 엔진은 금속 부분에서 열을 우주로 방사하고 있다. 이는 태양이 진공을 거쳐 열을 전달하는 것과 유사한 방법이다. 마린과 러더포드의 노즐 확장은 일반적으로 니오브 합금처럼 높은 열부하를 견디는 매우 얇은 금속으로 만들어진다. 

하지만 매우 얇아 손상이 쉽다는 단점이 있다. 또 니오브는 산소와의 반응성이 높아 진공 환경하에서만 작동할 수 있기 때문에 제조시 복잡한 작업이 필요하다.



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