수소 액체로켓, 탄소 배출 없고 효율 높아
권오채 연구팀, 연소안정한계 측정 기법 개발

(사진 픽사베이 제공)
(사진 픽사베이 제공)

[그린포스트코리아 이재형 기자] 국내연구진이 수소로켓 개발에 필수자료인 엔진 안전평가 기준을 마련했다.

한국연구재단은 권오채 교수(성균관대) 연구팀이 수소 로켓엔진의 안전성을 평가할 때 사용되는 범용 기준을 마련했다고 15일 밝혔다.

액체수소 연료를 활용한 로켓엔진은 탄소를 배출하지 않는 친환경 항공엔진이고 추진력도 케로신(석유 연료) 엔진보다 월등히 뛰어나 전 세계적으로 주목받고 있다.

항공 선진국에서는 이미 코어엔진이나 상단엔진에 수소 액체 연료를 사용 중이나 국내에선 아직 연구 초기에 머물고 있다. 수소 액체 연료의 연소에 대한 범용 기준이 없어 엔진의 효율을 측정하기 어려워서다.  

권오채 연구팀은 이번 연구에서 연소실의 규모, 연료의 분사량, 분사속도, 연료의 종류 등 조건이 달라져도 적용할 수 있는 수소 액체 연료의 범용 데이터를 마련했다.

연구팀은 특히 수소 연료의 ‘연소안정한계’에 집중했다. 연소안정한계란 엔진이 작동하는 중에 화염이 꺼지거나 불안정해지는 등의 이상이 발생하는 조건으로, 로켓엔진의 안정성과 직결되는 요소다. 화염이 중간에 끊기면 엔진이 폭발할 수 있기 때문이다. 연소안정한계에 대한 데이터가 기존에 없었던 것은 아니나, 실험조건에서 얻은 측정값에 불과해 연소조건이 조금만 달라져도 활용할 수 없었다.

연구진이 실험에서 얻은 연소가시화 자료. 수소 액체 연료를 태울 시 불꽃의 모습을 분석했다. 불연속적인 연소반응(흰색화살표)(우) 연속적인 연소반응 (사진 한국연구재단 제공) 2019.10.15/그린포스트코리아
연구진이 실험에서 얻은 연소가시화 자료. 수소 액체 연료를 태울 시 나타나는 불꽃의 모습을 분석했다. 사진 a는 불연속적인 연소반응(흰색화살표)이고 사진 b는 연속적인 연소반응을 뜻한다. 불꽃이 끊기지 않은 사진 b의 상태가 정상이다. (사진 한국연구재단 제공) 2019.10.15/그린포스트코리아

연구팀은 온도, 압력, 상(phase), 분사속도 등에 따라 연료의 혼합이나 분무특성이 어떻게 달라지는지 분석해 수소 연료의 일반적인 특성을 밝혔다. 연소 시 나타나는 화염의 모양을 데이터로 정리해 화염이 안정화 될 수 있는 일반적인 기준인 ‘Damkohler 수’를 수정했다. 

실험에는 실제 수소 엔진의 작동 조건인 60기압의 연소 압력과 영하 183도의 초저온 액체산소를 사용해 데이터의 신뢰도를 높였다.

강경인 한국연구재단 우주기술단장은 “비추력이 매우 좋은 수소 연료를 이용한 액체로켓 관련연구로 엔진의 연소 특성을 평가할 수 있는 방안이 제시됐다”며 친환경 고효율 엔진 개발을 위해서는 관련 기초연구들이 보다 폭 넓게 수행될 필요가 있다” 고 설명했다.  

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 우주핵심기술개발사업의 지원으로 이뤄진 이 연구의 성과는 열역학 분야 국제학술지 ‘에너지'(Energy) 프린트판에 8월 1일 게재되었다.

silentrock91@greenpost.kr

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