화학의 힘을 가장 뚜렷하게 보여주는 예가 우주 탐사입니다. 1950년대 후반 인류 최초의 무인 우주 탐사부터 우주 왕복선 프로그램, 현재 아르테미스 계획까지, 로켓 연료와 엔진 기술의 혁신은 우주 탐사의 도달 거리, 역량, 지속 가능성을 계속 발전시키고 있으며, 이는 우주 탐사 분야에서 화학의 힘을 실시간으로 입증하는 사례입니다.
최적화된 로켓 연료는 미션 성공의 열쇠입니다.
로켓은 지구 중력을 이기는 데 필요한 엄청난 힘을 만들어내기 위해 다양한 조합의 연료와 산화제에 의존합니다. 산화제와 연료는 상온에서는 안정적인 원소이지만 열원에 의해 혼합되어 자극을 받으면 로켓의 추력이 되는 폭발 반응을 일으킵니다.
엔지니어는 연료와 산화제의 비율을 조절하여 로켓 성능의 다양한 측면을 제어할 수 있습니다. 각 조합마다 고유한 특성, 장단점을 가지며 추력 효율성과 같은 성능 지표와 유독성, 비용, 안전과 같은 기타 고려 사항에 영향을 미칩니다. 따라서 비행마다 최적의 추진 패키지 선택과 같은 중대한 결정을 내리기 위해서는 로켓의 미션과 관련된 다양한 변수를 고려해야 합니다.
예를 들어, 가스 추진체는 많은 양이 필요하므로 대부분의 장거리 로켓에 적합하지 않지만 물질을 해당 액상으로 압축 및 냉각시키면 대규모 로켓 제작에 최적화된 볼륨-성능비를 얻을 수 있습니다. 그러나 일부 추진체는 끓는점이 너무 낮아 액화시키려면 –150°C(–238 F) 미만 온도에서 극저온 냉각이 필요합니다. 이는 로켓 추진력을 얻기 위한 연료로는 큰 단점이 될 수 있으므로, 선택을 정당화하기 위해서는 이점이 특정 미션을 이행하는 데 필요한 비용과 과제보다 커야 합니다.
때때로 혼란을 야기하는 추진체의 중요한 두 가지 성능 특징은 추력과 비추력입니다. 추력은 추진체의 반동력 또는 로켓이 들어올릴 수 있는 무게입니다. 비추력(Isp)은 추진체가 얼마나 효율적으로 질량을 추력으로 변환할 수 있는지를 정의하며 특정량의 추진체가 부하를 가할 수 있는 시간을 기반으로 합니다. 비추력이 높은 추진체를 사용하는 엔진은 추력이 더 낮지만 추진체의 질량을 보다 효율적으로 사용하는 경향이 있습니다. 간단히 말해 연비가 더 높습니다.
표 1은 일반적인 로켓 연료 패키지의 주요 특성을 비교하여 보여줍니다. NASA의 아르테미스 우주 발사 시스템(SLS) 로켓에 장착된 RS-25 엔진은 LOX/LH2 추진체 패키지를 사용합니다. 그러나 SpaceX의 Raptor, Blue Origin의 BE-4와 같이 영리 단체에서 개발한 로켓은 액탄 메탄가스/LOX 패키지를 연료로 사용합니다.
LOX/LH2는 최신 로켓 추진체 중에서 비추력이 가장 우수합니다. 그 효율성과 오랜 신뢰성은 두 물질 모두 극저온 냉각이 필요한 원자임에도 불구하고 지난 50년 동안 LOX/LH2 패키지가 로켓 추진체로 널리 사용되어 온 주된 이유입니다. 또한 다른 추진체가 연소 후 많은 양의 오염 화학 물질과 온실 가스를 방출하는 반면 LOX/LH2의 연소에 따른 주된 부산물은 물이라는 점도 지속 가능한 연료로서의 가능성을 더해줍니다.
참고: *RP-1(Rocket Propellant-1)은 고도로 정제된 형태의 등유로 액체 로켓 엔진(예: Saturn V 로켓 엔진)에 널리 사용됩니다.
LOX/LH2 로켓의 라디칼 반응 화학
수소와 산소는 상온에서 혼합될 때 자연적으로 반응하지 않는 안정적인 원소입니다. 반응이 나타나려면 H–H 및 O=O 공유 결합이 해체되어야 합니다. H–H 및 O=O 결합 에너지를 극복할 수 있는 충분한 에너지가 공급되면 물이 만들어질 때까지 연쇄 반응이 나타납니다. 물의 안정적인 구조에 이 반응이 나타나면 O2와 H2가 만나는 연소 과정에서 많은 양의 에너지가 방출됩니다.
이 반응은 간단해 보이지만 O2와 만난 H2의 연소는 복잡한 과정이며 H 및 O 라디칼과의 여러 중간 반응이 수반됩니다. 물을 만드는 주요 반응이 그림 1에 나와 있습니다. 하나의 라디칼이 두 개 이상의 라디칼을 생성하면 연쇄 분지 반응이 나타납니다(그림 1, 반응 3과 4). 이러한 반응은 소비하는 것보다 많은 반응 라디칼을 생성하므로 가속화되며 반응의 폭발성을 갖게 됩니다.
이러한 라디칼 반응이 항상 그림 1에 표시된 순서대로 나타나는 것은 아니며 여기서 언급되지 않은 다른 라디칼이 다른 연쇄 반응 체계로 형성될 수 있습니다. 추진체 혼합물, 압력, 온도 또한 H2 연소 역학 메커니즘에 영향을 미칩니다.
아르테미스 연료 엔진 설계의 발전
연료 최적화뿐만 아니라 로켓 엔진 설계 또한 최신 로켓의 성능을 극대화하는 데 중요합니다. 오늘날의 로켓 엔진 설계는 독일의 제2차 세계대전 V-2 로켓 프로그램 중에 개발된 기초 혁신을 활용합니다. 엔지니어들은 새로운 재료와 기타 기술 혁신을 활용하여 현대 우주 미션에 필요한 힘, 내구성, 안정성 및 효율성을 개선할 수 있었습니다.
1970년대에 Aerojet Rocketdyne에서 설계한 RS-25 엔진은 원래 NASA 우주 왕복선 미션을 위해 개발되었으며 실제로 사용되었습니다. 이후 5세대에 걸친 혁신을 통해 RS-25는 아르테미스의 SLS 로켓 엔진이 되었습니다. RS-25는 수십 년에 걸친 기술 발전과 설계 최적화의 결과물로, 지금까지 개발된 그 어떤 엔진보다도 가장 효율적이고 강력한 성능을 가진 정교한 극저온 엔진입니다.
로켓 엔진은 강력하고 일관된 추력을 내기 위해 터보펌프를 통해 많은 양의 고속 액체 추진체를 공급 받아야 합니다. 터보펌프의 최초 버전(그림 2)은 1940년대 V-2 엔지니어가 개발했습니다. 설계와 성능면에서 모두 혁신적으로, 하나의 증기 터빈이 4,000rpm 속도로 회전하면서 연료용과 산화제용 원심 펌프를 모두 구동시켰습니다. 60년 넘게 지난 오늘날에도 터보펌프는 계속 로켓 엔진의 성능을 책임지는 가장 중요하면서도 복잡한 구성 요소 중 하나입니다.
미국 유인 로켓 추진 기술의 진화
아르테미스 로켓의 RS-25 엔진은 우수한 비추력을 기반으로 하는 LOX/LH2 극저온 추진체 패키지를 활용합니다. 그러나 LH2와 LOX는 밀도와 유량에 큰 차이가 있어 단일 터보펌프로 RS-25를 작동할 수 없습니다. 수소는 밀도가 매우 낮아(71 g/L) 효율적인 연소를 위해서는 LH2의 양이 LOX보다 2.7배 더 필요합니다. 이처럼 큰 차이가 있는 극저온 액체와 그 물리적 성질을 수용하기 위해 RS-25는 두 개의 개별 터보펌프를 사용합니다.
이 최신 고압 터보펌프는 엔지니어링 기술의 결정체입니다. 펌프 터빈은 25센트 동전 크기에 불과한 수십 개의 날개를 포함하고 있습니다. 각 날개가 28,000 - 35,000rpm의 속도로 회전하여 Corvette 엔진보다 우수한 성능을 제공하므로 터보펌프가 수만 마력의 파워를 낼 수 있습니다.
산업 전반에 혁신을 주도하는 우주 탐사의 열망
로켓 연료와 엔진 기술은 우주 탐사 프로그램이 혁신을 주도할 수 있는 확실한 영역입니다. 그러나 달을 넘어 화성 탐사까지 도전하는 현재 인류의 노력은 의학, 물질 과학, 통신, 전자, 농업에 이르는 다양한 산업 부문에서 새로운 연구를 가속화하는 촉매제 역할을 하고 있습니다. 이러한 많은 혁신은 우주 미션 지원은 물론 지구상 모든 인류에게 도움을 주는 제품 개선 효과로 이어집니다.
아르테미스 미션을 위해 개발된 다른 새로운 기술에 관심이 있으신가요? 달과 우주를 탐사하는 비행사들에게 영양을 공급하는 식품 과학의 혁신에 대해 자세히 알아보십시오.
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