과산화수소 산화제 하이브리드 로켓 노즐의 삭마 특성

Abstract

현재 우주 산업에서 가장 눈에 띄는 특징은 민간 우주 기업의 성장이다. 민간 우주 기업은 발사체, 준궤도 우주 비행선 등 우주 운송 서비스 분야에서 두각을 나타내고 있다. 이들의 활약으로 우주 산업 시장이 확대됨에 따라 발사체 개발 및 발사에 있어 가격 경쟁력을 갖추는 것이 중요한 이슈로 떠오르고 있다. 이러한 관점에서 하이브리드 로켓 엔진은 미래 추진 시스템으로써의 응용 가능성을 갖추고 있다. 하이브리드 로켓 엔진은 대게 액체 산화제와 고체 연료를 사용하는 로켓 추진 시스템이다. 서로 다른 상의 추진제가 분리되어 있기 때문에 고체 로켓 모터 혹은 액체 로켓 엔진과 비교하여 향상된 안전성을 확보 할 수 있다. 또한, 운용 신뢰성이 높고 개발 및 발사 비용이 줄어든다는 장점을 가지고 있다. 추진 시스템의 장기 작동과 높은 기술 성숙도를 바탕으로 우주 산업의 넓은 분야에서 하이브리드 로켓 엔진을 사용하기 위해서 냉각 기술이 요구된다. 삭마 냉각은 하이브리드 로켓 엔진이 가진 장점을 유지할 수 있는 냉각 방법이다. 삭마 냉각은 연소실과 노즐 내벽에 열-물리적 특성이 우수한 재료를 삽입하여 고온으로부터 구조체를 보호하는 냉각 방식이다. 본 연구의 목적은 과산화수소 산화제 소형 하이브리드 로켓 엔진에 삭마 노즐을 적용하여 장기 작동의 가능성을 평가하고, 실험을 통해 연소 환경에서의 노즐 특성을 관찰하는 것이다. 삭마 노즐에 대한 실험 연구를 위해서 250 N 하이브리드 로켓 엔진을 설계하였고, 추진제는 90 wt.% 과산화수소와 폴리에틸렌을 사용하였다. 예비 실험에서 삭마 노즐을 장착한 하이브리드 로켓 엔진의 30초 장기 연소 실험을 진행하였고, 흑연과 탄소-탄소 노즐의 삭마 특성을 비교하였다. 그 결과, 실험 후 노즐 표면에 숯이 형성된 것을 관찰하였다. 탄소-탄소 노즐에서는 기계적 삭마가 두드러졌으며, 이것이 화학적 삭마와 함께 노즐 재료가 소모되는 주요 요인임을 확인하였다. 두 가지 재료를 이용한 본 연구에서는 흑연 노즐이 탄소-탄소 노즐보다 우수한 삭마 저항성을 보여주었다. 예비 실험 결과를 바탕으로 흑연 노즐의 삭마율을 평가하기 위한 파라미터 연구를 진행하였다. 초기 연소실 압력과 노즐 수축부 각도를 실험 파라미터로 선정하였다. 연소 실험 결과, 초기 연소실 압력이 증가함에 따라 노즐 목에서의 삭마율이 증가하였다. 또한, 노즐 수축부 반각이 $45^\circ$ 일때 삭마율이 가장 낮게 나타났다. 수차례의 실험에서 삭마로 인한 노즐 목의 확대는 연소실 압력 감소와 같은 성능 변화를 동반하였으며, 이것을 통해 노즐의 삭마가 발생하는 때를 예측하였다. 본 연구는 과산화수소 산화제 소형 하이브리드 로켓 엔진의 실제 연소 환경을 반영한 흑연 노즐의 삭마율에 대한 실험 데이터를 제공하며, 향후 같은 추력 범위의 과산화수소 하이브리드 로켓 노즐을 설계할 때 고려해야 할 요소를 제시하고 있다.