권오채 성균관대 교수팀이 로켓엔진 개발의 기반이 되는 수소 추진제의 연소 안정성 평가기법을 개발, 제시했다. 국산 액체로켓 추진제 실용화를 위한 밑거름이 될 것으로 기대된다.

액체 로켓엔진 안에서 발생하는 추진제는 복합적 현상을 거쳐 연소돼 완전히 통제하기 어렵다. 이 때문에 우주 로켓 발사에 성공한 나라에서도 아직 활발히 연구되는 주제 중 하나다. 한국형 발사체 개발을 위해 국내에서도 케로신(등유의 일종) 추진제에 대한 연구는 활발하나 수소 추진제 연구는 아직 많이 진행되지 않았다.

수소 추진제를 사용하면 케로신 등 기존 연료에 비해 크고 무거운 로켓엔진이 필요하다. 그러나 압도적인 추진력에 탄소를 배출하지 않는 친환경성 덕분에 일부 국가에서 상용화 단계에 있다. 국내에서도 필요성이 제기돼 왔으나 아직 연구 초기단계다.

권 교수팀은 수소연료 로 켓엔진의 작동 조건을 모사하고자 최대 60기압에 이르는 고압 모델 연소실과 영하 183도의 초저온 액체산소를 공급할 수 있는 추진제 공급장치를 제작하고 연소실험을 수행했다.

이 과정을 통해 수소 추진제의 ‘연소안정한계’를 측정하는데 성공했다. 연소안정한계는 화염이 꺼지거나 불안정해지는 등 연소에 이상이 생기는 직전 단계를 파악하는 것으로, 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소로 꼽힌다. 이번 연구 데이터는 수소 로켓엔진 설계의 기초자료가 될 수 있을 것으로 보인다.

연구팀은 연료의 온도, 압력, 분사 형태와 속도 등 여러 조건 변화에 따른 연료의 혼합이나 특성을 분석하고, 화염을 가시화하여 연소특성을 연구했다. 이렇게 얻은 데이터를 통해 화염이 안정화 될 수 있는 일반적인 기준을 세우고, 이를 활용해 수소를 사용하는 로켓 엔진을 평가하는데 필요한 각종 실험 평가 조건을 정의할 수 있었다. 기존 연소안정한계는 특정 조건에서 얻은 측정값으로, 연소조건이 달라지는 실제 로켓엔진 평가에 활용하기는 어렵다는 단점이 있었다.

이번 성과를 활용하면 기존에 가스터빈, 보일러 등의 설계에 널리 사용하던 연소실험 조건을 액체로켓 엔진 평가에도 적용할 수 있도록 만들었다. 다양한 상황에서 추진제의 연소특성을 평가할 수 있는 기준을 제시했다는 점에서 의의가 크다는 것이 연구진의 설명이다.

강경인 한국연구재단 우주기술단장은 “추진력이 매우 좋은 수소 연료를 사용하는 로켓 엔진의 연소 특성을 평가할 수 있는 방안이 제시했다”며 “친환경 고효율 엔진 개발을 위해서는 앞으로 관련 기초연구들이 보다 폭넓게 수행될 필요가 있다”고 밝혔다.