단계식 연소 사이클

3. 단계식 연소 사이클의 역사

단계식 연소 사이클은 1949년 소련의 알렉세이 이사예프가 처음 제안했다.^[1] S1.5400 (11D33) 엔진은 이사예프의 전 조수였던 멜니코프가 설계했으며, 소련 몰니야 로켓에 사용된 최초의 단계식 연소 엔진이었다.^[1] 거의 같은 시기(1959년)에 니콜라이 쿠즈네초프는 코롤레프의 궤도 ICBM인 GR-1용 폐쇄 사이클 엔진 NK-9 개발을 시작, 이후 실패한 달 N1 로켓용 NK-15 및 NK-33 엔진으로 발전시켰다.

1963년경 발렌틴 글루시코는 비극저온성 N₂O₄/UDMH 엔진인 RD-253을 프로톤 로켓용으로 개발했다. N1 로켓 개발이 중단된 후, 쿠즈네초프는 NK-33 기술을 파괴하라는 명령을 받았지만, 대신 수십 개의 엔진을 창고에 보관했다. 1990년대에 에어로젯이 연락하여 쿠즈네초프의 공장을 방문했고, 높은 비추력 등에 대한 초기 회의론을 접은 후, 쿠즈네초프는 테스트를 위해 엔진을 미국으로 보냈다.

루드비히 뵐코우는 1963년 독일에서 서방 세계 최초의 실험실 단계식 연소 테스트 엔진을 제작했다.^[3]

과산화 수소/케로신 동력 엔진은 과산화물을 촉매 분해하여 연소실에서 케로신과 연소하기 *전에* 터빈을 구동하는 폐쇄 사이클 프로세스를 사용, 주요 엔지니어링 문제를 피하면서 단계식 연소의 효율성 이점을 제공한다.

RS-25 우주 왕복선 주 엔진은 액체 산소와 액체 수소를 사용하는 최초의 단계식 연소 엔진이다.^[4] 소련 우주 왕복선의 동급 엔진은 RD-0120이었다.

• RD-0120 — 에네르기아 로켓에 사용된 액체 수소/액체 산소 엔진.
• LE-7 — H-II 로켓 계열에 사용된 액체 수소/액체 산소 엔진.
• KVD-1 (RD-56) — N-1 발사체의 업그레이드 버전(미발사)을 위해 개발된 소련의 액체 수소/액체 산소 상단 엔진. GSLV Mk1에 사용.
• CE-7.5 — 인도의 액체 수소/액체 산소 상단 엔진으로, GSLV Mk2에 사용.

3. 1. 초기 개발

3. 2. 서방 세계의 도입

3. 3. 대한민국 관련 역사

4. 주요 단계식 연소 사이클 엔진

단계식 연소 사이클 엔진은 여러 국가에서 로켓 개발에 활용되고 있다. 다음은 주요 단계식 연소 사이클 엔진들을 정리한 표이다.

4. 1. 소련/러시아

4. 2. 미국

4. 3. 일본

4. 4. 기타 국가

5. 전 유량 다단 연소 사이클 (FFSC)

전 유량 다단 연소 사이클(Full-flow staged combustion cycle, FFSC)은 단계식 연소 사이클의 한 종류이다. 일반적인 단계식 연소 사이클에서는 예연소기에서 연료 농후 가스가 생성되고, 산화제 대부분은 터보펌프 구동에 쓰이지 않고 주 연소실로 공급된다. 그러나 FFSC에서는 공급되는 연료와 산화제가 모두 터보펌프 구동에 쓰인다. 즉, 연료 농후 가스와 산화제 농후 가스가 모두 생성되어 각각 독립된 터보펌프를 구동하고, 이후 주 연소실로 공급되어 연소된다.

5. 1. 특징

• 엔진 수명 및 신뢰성 향상: 터빈이 더 낮은 온도에서 작동하고, 추진제 간 실링이 불필요하다.^[7]
• 효율 향상: 연소실 압력을 높여 효율을 높일 수 있다.
• 비추력 향상: 기존 단계식 연소 사이클에 비해 비추력을 10~20초 정도 개선할 수 있다. (예: ''RD-270'', ''RD-0244'')
• 연소 반응 촉진: 연료와 산화제 모두 불완전 연소 상태이므로 주 연소실 내 연소 반응이 촉진된다.

• 연료 과농(Fuel-rich): 연료의 전체 흐름과 소량의 산화제를 연소시키는 방식.
• 산화제 과농(Oxidizer-rich): 산화제의 전체 흐름과 소량의 연료를 연소시키는 방식.
• 단일 샤프트(Single-shaft): 한 세트의 예연소기와 터빈이 두 개의 추진제 터보 펌프를 모두 구동하는 방식 (예: RD-180, BE-4).
• 트윈 샤프트(Twin-shaft): 두 개의 추진제 터보 펌프가 별도의 터빈에 의해 구동되는 방식 (예: RS-25, LE-7, 랩터).

5. 2. 개발 사례

참조

_[1] 서적 History of Liquid Propellant Rocket Engines https://arc.aiaa.org[...] AIAA 2022-11-05
_[2] 기타 "Cosmodrome'' History Channel, interviews with Aerojet and Kuznetsov engineers about the history of staged combustion"
_[3] 웹사이트 Staged combustion cycle (rocket) https://www.chemeuro[...] 2024-11-25
_[4] 웹사이트 RS-25 Engine ! L3Harris® Fast. Forward. https://www.l3harris[...] 2024-05-23
_[5] 간행물 Staged Combustion Cycle Rocket Engine Design Trade-offs for Future Advanced Passenger Transport http://elib.dlr.de/7[...] DLR-SART 2014-03-19
_[6] 간행물 The wild physics of Elon Musk's methane-guzzling super-rocket https://www.wired.co[...] 2021-01-01
_[7] 웹사이트 SpaceX advances drive for Mars rocket via Raptor power http://www.nasaspace[...] 2014-03-09
_[8] 웹사이트 Elon Musk Unveils SpaceX's 1st Rocket Engine Test for Starship Rocket (Video) https://www.space.co[...] 2019-07-27
_[9] 웹사이트 Stoke Space Completes First Successful Hotfire Test of Full-Flow, Staged-Combustion Engine https://www.stokespa[...] 2024-06-11
_[10] 웹사이트 Starhopper successfully conducts debut Boca Chica Hop https://www.nasaspac[...] 2019-07-26
_[11] 서적 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 2006-07-09
_[12] 웹사이트 China successfully debuts Long March 7 – Recovers capsule http://www.nasaspace[...] 2016-09-28
_[13] 웹사이트 AR1 Booster Engine | Aerojet Rocketdyne http://www.rocket.co[...] 2016-09-28
_[14] 웹사이트 ULA now planning first launch of Vulcan in 2021 https://spacenews.co[...] 2022-11-05
_[15] 간행물 BE-4 Rocket Engine http://www.ulalaunch[...] 2014-03-19
_[16] 뉴스 Behind the curtain: Ars goes inside Blue Origin's secretive rocket factory https://arstechnica.[...] 2016-03-12
_[17] 웹사이트 Numerical investigations on Direct Contact Condensation (DCC) of oxygen vapor at the inlet duct to the main LOX pump in a staged combustion cycle based rocket engine https://www.research[...]
_[18] 웹사이트 Home http://www.ursamajor[...] 2017-05-20
_[19] 웹사이트 Instagram post by Ursa Major Technologies • May 16, 2017 at 11:07pm UTC https://www.instagra[...] 2017-05-20
_[20] 뉴스 Berthoud Business News http://www.berthoud.[...]
_[21] 뉴스 RFA test-fired its staged combustion engine https://spacewatch.g[...] 2022-06-22
_[22] 뉴스 USSF Awards Launcher Millions To Continue E-2 Rocket Engine Development https://news.satnews[...] 2022-04-26
_[23] 뉴스 GSLV MkIII, the next milestone http://www.frontline[...] 2016-03-12
_[24] 뉴스 SpaceX's Mars rocket to be methane-fuelled http://www.flightglo[...] 2012-12-05
_[25] 웹사이트 SpaceX's new test rocket briefly hovers during first free flight https://www.theverge[...] 2019-07-27
_[26] 웹사이트 Rocket Report: ULA has a wild idea; Starliner crew will stay in orbit even longer https://arstechnica.[...] 2024-12-20
_[27] 웹사이트 New Frontier Aerospace tests rocket engine for point-to-point travel https://spacenews.co[...] 2024-07-26
_[28] 웹사이트 Rocket Report: ABL loses its second booster; Falcon 9 cleared for return to flight https://arstechnica.[...] 2024-07-26
_[29] 웹사이트 Blue Origin has Shown off a New Video of its New Glenn Rocket Design https://www.universe[...] 2019-07-27
_[30] 문서 旧ソビエト諸国ではプレバーナー（予燃焼室）をガス発生器と称し、二段燃焼サイクルをガス発生器サイクルと呼ぶので混同しないように注意が必要である。
_[31] 기타 George Sutton, "History of Liquid Propellant Rocket Engines", 2006
_[32] 기타 "Cosmodrome'' History Channel, interviews with Aerojet and Kuznetsov engineers about the history of staged combustion"