한국항공우주연구원은 차세대 발사체를 위한 고성능 로켓엔진 요소기술 확보의 일환으로 지난 2012년 케로신/액체산소 다단연소 사이클 로켓엔진용 산화제과잉 예연소기(가스발생기) 개발모델에 대한 인증 연소시험을 완료한 바 있습니다. 
이 장치는 주연소기에 앞서 연소한다고 해서 예연소기(preburner)라고 부르고, 터빈을 구동하는 가스를 만든다고 해서 가스발생기(gas generator)라고도 부릅니다.

다단연소 사이클 로켓 엔진은 예전 한 보일러 업체의 광고 문구로 등장했던 것처럼‘두 번 태우는’엔진이라고 생각하시면 됩니다. 
다단연소사이클 로켓 엔진, 특히 우리가 관심을 갖는 액체산소/케로신 엔진은 예연소기(가스발생기)에서 산소 과잉 상태로 먼저 추진제를 연소하고, 이때 발생한 가스로 연료와 산화제를 공급하기 위한 터보펌프를 구동시킵니다. 그리고, 터보펌프를 구동시킨 산화제 과잉 가스가 배출되지 않고 다시 주연소기로 들어가 연료와 함께 다시 한 번 연소하는 방식입니다.

  산화제 과잉 예연소기 개발 과정은 고난의 연속이었습니다. 예연소기 개발을 시작할 때는 말 그대로 아무것도 없는 빈손이었습니다. 예연소기라는 개념만 어렴풋이 알고 있는 정도였지 설계도는 물론 실물을 제대로 본 적도 없었습니다. 연구진은 해외 박물관에 전시되어 있는 모델을 촬영한 사진, 인터넷을 떠도는 사진과 그림 몇 장을 바탕으로, 여기에 그동안 국내에서 축적해온 개발 경험을 더해 설계도를 만들었습니다. 설계도를 바탕으로 하드웨어를 제작하고, 실제 연소시험을 통한 성능 검증까지 마쳤습니다.

  산화제 과잉 예연소기는 연소시 연료(케로신)에 비해 산화제 비중이 더 높은 예연소기를 말합니다. 케로신/액체 산소를 사용하는 경우, 에너지 생성 측면에서 연료과잉(연소시 산화제보다 연료 비중이 높은 방식) 방식보다 산화제과잉 방식이 유리한데요. 케로신/액체 산소를 연소시키는 엔진을 탑재한 발사체의 경우 산화제를 연료에 비해 질량비 기준으로 약 2.6 배 더 싣게 됩니다. 탑재되는 산화제의 양이 연료의 양에 비해 월등히 많기 때문에 산화제과잉 가스를 만드는 것이 훨씬 많은 양의 가스를 만들어 낼 수 있습니다.

특히 케로신 엔진의 경우 연료과잉 가스는 다량의 검댕(soot)을 발생시키기 때문에 주연소기로 가는 유로나 주연소기 분사기에 침착되는 문제가 있어 러시아의 다단연소 사이클 케로신 엔진은 모두 산화제과잉 예연소기를 사용하고 있습니다.

미국, 일본 등 수소엔진을 사용하는 국가에서는 전통적으로 연료과잉 예연소기를 사용했습니다. 개방형 사이클 엔진으로 부터의 연료과잉 연소 기술을 그대로 이어간다는 측면도 있었지만 산화제과잉 연소는 위험하다는 생각을 기본적으로 가지고 있었기 때문입니다. 하지만 최근에는 미국도 새로운 케로신 엔진과  메탄 엔진 개발에 있어 산화제 과잉연소를 시도하고 있습니다.

우리나라는 케로신/액체산소 엔진을 주력으로 개발하고 있고 현재는 한국형발사체를 위해 개발중인 개방형 사이클 엔진을 시험 중에 있습니다. 이와는 별도로 차세대 요소기술 연구의 일환으로 산화제과잉 예연소기 개발이 이루어 진 것인데요. 이 개발에는 아래와 같은 여러 가지 새로운 기술의 적용과 도전이 시도됐습니다.

첫째는 200 기압의 고압연소입니다.

개발된 가스발생기 내부는 1.5리터 PET 병 정도의 크기이며, 이 공간 안에 초당 약 16 kg 정도의 케로신과 액체산소를 말 그대로 쏟아 부으면서 태운다고 생각하면 됩니다. 연소 압력을 높이려면 이처럼 좁은 공간에 많은 양의 추진제를 쏟아 부어 안정하게 연소를 유지하여야만 하는 매우 어려운 작업입니다.

<예연소기>

이번에 개발한 예연소기는 발사체의 제일 윗 단에 해당하는 상단엔진 급으로 진공추력 8톤급 기준의 엔진을 목표로 만들어졌습니다. 다단연소사이클 대형엔진은 예연소기의 압력이 약 500기압, 주연소기 압력이 약 250 기압 정도로 대단히 높습니다. 하지만 상단엔진은 추력 규모가 10톤급 전후이기 때문에 압력을 너무 높이면 엔진의 크기가 지나치게 작아집니다. 엔진을 제작하는 측면에서 본다면 구성품이 너무 작아져 오히려 손해라 할 수 있습니다. 엔진을 작게 만드는 것만이 능사가 아니라는 말입니다. 따라서 개발 목표로 삼은 상단엔진 모델은 주연소기 압력 80 기압, 예연소기 압력 200 기압으로 선정하였고, 이에 본 예연소기로 200 기압 연소시험을 진행하게 된 것입니다.

둘째, 액체산소/케로신을 사용하여 산화제과잉 연소를 구현해 냈습니다.

이번에 개발한 예연소기에서는 케로신에 비해 액체산소를 질량비로 60 배 더 넣어 연소시키는데요, 이를 흔히 ‘혼합비가 60이다’ 혹은 ‘O/F 비가 60이다’라고 말을 합니다. 여기서 O/F 비는 산화제(oxidizer)와 연료(fuel)의 질량비를 말합니다. 이 때 배기가스는 질량분율 기준으로 산소 92.78%, 이산화탄소 5.16%, 수증기 2.06%가 생성됩니다. 산화제과잉이기 때문에 기본적으로 거의 완전연소가 이루어지고, 생성물의 대부분은 고온의 산소 가스가 됩니다.
보통 주연소기는 최적의 추진성능을 낼 수 있는 혼합비 조건에서 연소가 되는데요. 이때의 혼합비는 약 2.6 전후가 되고 연소가스의 온도는 3000 도가 넘습니다. 하지만 추진을 위한 운동량을 극대화시켜야 하는 주연소기와는 달리 예연소기의 연소가스는 터보펌프의 터빈을 구동해야하기 때문에 금속 터빈이 녹지 않도록 연소 온도를 충분히 낮춰야만 합니다. 이를 위해서 주연소기의 혼합비인 2.6에 비해 20 배가 넘는 혼합비 60 정도로 산소를 더 넣어 연소를 합니다. 이 때  생성되는 가스의 온도는 섭씨 약 400 도 정도로 금속이 녹지 않을 만큼 충분히 낮은 온도가 됩니다.

연소시험을 처음 시작할 때에는 과연 이렇게 좁은 공간에 엄청난 유량이 쏟아지는 속에서, 그리고 이처럼 희박한 연소조건에서 불이 붙을 것인가, 불이 붙더라도 꺼지지 않을까 하는 걱정도 있었습니다. 좁은 공간에 압력은 높다보니 연소불안정 현상도 발생했습니다. 시험 결과를 해석하고, 부품의 설계를 바꾸는 등의 노력 끝에 결국 안정된 연소를 하는 가스발생기를 만들어 낼 수 있었고, 나중에는 액체산소를 100 배 이상 넣고도 연소시험을 성공적으로 수행할 수 있었습니다.

<예연소기 배기가스 열화상 촬영과 유동해석>

셋째, 2단형 가스발생기 개발이 이뤄졌습니다.

가스발생기는 높은 온도로 연소하는 이론적인 혼합비 근처가 아니라 연료과잉이나 산화제과잉으로 연소하는 만큼 연소가 불안정해지기 쉽습니다. 연소온도가 낮다는 것은 그만큼 화학반응이 느리게 일어나게 되고 이로 인해 화염이 불균일해지기 쉽기 때문입니다.

이러한 단점을 극복하기 위해 예연소기 내부를 둘로 나누어 주었습니다. 연소가 시작되는 1차 영역에서는 연료와 산화제를 우선 O/F 비 15로 추진제를 넣어 높은 온도에서 타게 함으로써 연소를 안정시키고, 2차 영역에서는 나머지 액체산소를 가스발생기 옆구리에서 공급해 혼합시킵니다. 1차 구역에 2000 도 정도의 고온 연소영역을 확보해 주었기 때문에 큰 폭의 작동점 변화에 대해서도 안정된 연소를 이룰 수 있었습니다.

넷째, 액체산소를 가지고 연소실 벽을 재생냉각하였습니다.

액체산소를 가지고 연소실 벽 냉각, 즉 재생냉각을 실현했습니다. 연소실 벽을 냉각하면서 얻은 열량을 그냥 버리지 않고 연소실로 도로 가지고 들어간다고 해서 재생냉각(regeneration cooling)이라고 합니다.

지금까지 국내에서 개발된 주연소기와 가스발생기는 모두 연소실 벽을 구성하는 재생냉각 채널을 케로신으로 냉각하였지만, 이번 개발된 가스발생기는 영하 180도 정도 되는 극저온의 액체산소를 가지고 냉각을 하였습니다.

초임계점을 기준으로 한 추진제의 공급 조건

‘액체산소가 재생냉각 채널 내에서 열을 받아 급격히 기화하면 흐르는 냉각유체의 양이 급감하여 충분한 냉각이 되지 못해 연소실이 녹아내린다’라는 일반적인 우려가 있을 수 있도 있는데요. 사실 200 기압이나 되는 고압의 세계에서는 우리가 일상생활에서 경험하는 것과는 다소 다른 물리현상이 일어납니다. 200 기압의 액체산소는 천이임계 상태라고 하여 열을 받는다고 해도 우리가 흔히 말하는 기화, 즉 급격한 상변화가 일어나지 않고 밀도가 완만히 떨어지면서 초임계상태로 넘어갑니다. 즉 불연속이 일어나지 않고 부피가 완만하게 조금 팽창합니다. 
좀 더 정확한 용어로 말하자면 추진제는 펌프에 의해 높은 압력으로 가압되어 임계압력을 충분히 상회하는 영역에서 존재하며, 이로 인해 삼중점(triple point)와 임계점(critical point) 사이에 있는 기체와 액체 상태의 경계를 넘어가지 않고, 액체와 같은 상태(liquid-like condition)에서 열을 흡수하여 기체와 같은 상태(gas-like condition)가 될 때 까지 밀도가 매우 완만하게 변화할 뿐입니다. 따라서 갑자기 채널 내에서 액체산소가 기화하여 압력이 순간 증가하거나, 기화로 인해 냉각 유량이 급감하는 현상은 일어나지 않습니다.

이론적으로야 이렇다 하지만 이런 과정을 위험한 연소시험을 통해 실제로 증명해야 하는 입장에서는 여간 부담스러운 시험이 아닐 수 없었습니다. 시작은 조심스러웠지만 시험은 잘 이루어졌고 이후 개발시험동안 액체산소에 의한 연소기 냉각이 문제가 된 적은 없었습니다.

지금 러시아에서는 가스발생기 뿐 아니라 주연소기도 아예 액체산소로 냉각하는 시험을 수행하고 있다고 합니다. 그동안 케로신으로만 냉각했던 주연소기 냉각분야에서도 새로운 패러다임이 등장할 수도 있을 듯합니다.

다섯째, 내산화 코팅 기술 적용입니다.

고농도 산화제 환경에서 금속표면의 산화를 억제하기 때문에 통상적으로는‘내산화 코팅’이라고 말을 하지만, 좀 더 정확히 말하자면 ‘스파크 발생 억제 코팅’이라고 해야 겠습니다.

고순도의 산소환경은 발화가 쉽게 일어나는 매우 위험한 조건입니다. 하물며 고농도, 고압 게다가 온도까지 높은 산소환경에서는 미세한 금속 이물질이 금속 배관 벽에 충돌하여 발생하는 작은 전기 스파크에 의해서도 배관을 구성하는 금속에 불이 붙어 마치 나무가 타는 것처럼 타오르게 됩니다. 이를 ‘고농도 산소환경에서의 금속발화’ 혹은 ‘금속연소’라고 말을 합니다. 미국이 개발을 주저했던 가장 근본적인 이유도 바로 이 금속의 연소현상 때문이었습니다.

<금속 발화로 인해 손실된 노즐>

우리도 개발 초기에는 이러한 현상을 제대로 이해하지 못했었고, 시험용 모델을 금속발화로 인해 잃기도 했습니다. 사진은 노즐은 단순히 고온의 배기가스에 의해 녹은 것이 아닙니다. 섭씨 400 도의 산소과잉 가스 상태에서 1 초가 채 되지 않는 시간에 금속 노즐에 불이 붙어 타버린 모습입니다. 
이후에는 이 현상에 대한 이해도를 높였고 내부에 스파크 발생을 억제할 수 있는 재질을 적용하거나 별도의 코팅을 적용하여 더 이상 이러한 현상은 발생하지 않게 되었습니다.

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GG방식 가스발생기의 7톤엔진 580초 연소시험

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GG방식 가스발생기의 7톤엔진 100초 연소시험

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3,4년전에 산소과잉 예연소기 개발할때 보았는데 다시 올린다.

산소과잉 다단 로켓은 금속도 순식간에 태워 버릴 수 있는 극한의 기술인것 같다

산소과잉 예연소기 다단 사이클을 이렇게 빨리 7톤 로켓엔진에 적용 할 지 몰랐다.