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가스발생기 사이클

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목차

1. 개요

가스발생기 사이클은 로켓 엔진의 작동 방식 중 하나로, 연료와 산화제의 일부를 가스발생기에서 연소시켜 터보펌프를 구동하고, 터보펌프를 구동한 뒤의 가스는 배출하는 방식이다. 이 방식은 단계식 연소 사이클에 비해 터보펌프 개발 및 제조가 쉽고, 개발 및 제조 비용을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 가스발생기에서 연소된 연료/산화제가 추력 발생에 직접 기여하지 않아 비추력과 추진제 효율이 낮다는 단점도 있다. 가스발생기 사이클을 사용하는 주요 로켓 엔진으로는 F-1, J-2, 벌컨, 멀린 등이 있으며, 대한민국에서는 누리호(KSLV-II) 개발을 통해 관련 기술을 확보했다.

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가스발생기 사이클

2. 작동 원리

가스발생기 사이클은 주 연소실과 별도로 가스발생기(부연소실)에서 연료와 산화제 일부를 연소시켜, 그 연소가스로 연료와 산화제를 공급하는 터보펌프를 구동시킨다. 터보펌프를 구동한 뒤의 가스는 그대로 배출된다.

이 방식을 채택한 로켓 엔진으로는 새턴 V의 1단 엔진 F-1, 상단 엔진 J-2, 아리안 5의 벌컨 엔진, 팰컨9의 멀린 엔진 등이 있다. 한국은 KSLV-II에 사용될 KARI 75톤급 로켓엔진을 이 방식으로 개발했다.

2. 1. 장점

가스발생기 사이클은 단계식 연소 사이클에 비해 몇 가지 유리한 점이 있다. 가스발생기에 연료와 산화제를 보낼 때 단계식 연소 사이클의 고압 프리버너에 추진제를 공급하는 경우처럼 높은 압력을 가할 필요가 없다. 따라서 터보펌프의 개발이나 제조가 보다 쉬워진다.

단계식 연소 사이클에 비해 비추력은 조금 낮고 추력도 떨어지며, 가스발생기용으로 쓰이는 연료와 산화제가 직접 출력에 기여하지 않기 때문에 추진제 효율 면에서도 약간 뒤처지지만, 개발이나 제조에 드는 비용을 줄일 수 있다.

2. 2. 단점

가스발생기에서 연소된 연료/산화제는 추력 발생에 직접적으로 기여하지 않아 비추력이 낮고, 추진제 효율이 단계식 연소 사이클에 비해 떨어진다.

3. 대한민국에서의 개발

대한민국은 누리호(KSLV-II) 개발을 통해 가스발생기 사이클 엔진 기술을 확보했다. KARI 75톤급 로켓엔진은 누리호의 1단 및 2단에 사용되는 핵심 엔진이고, KARI 30톤급 로켓엔진은 누리호의 3단에 사용된다.

4. 주요 사용 엔진

가스발생기 사이클 로켓 엔진
종류엔진명비고
해외 엔진벌케인, HM7B
멀린 로켓 엔진
RS-68
RS-27A
J-2X
로켓다인 F-1
RD-107
CE-20
대한민국 엔진KARI 30톤급 로켓엔진
KARI 75톤급 로켓엔진


  • RD-107, RD-108 - 1950년대에 개발된 소련의 엔진 형식으로, 현재 운용 중인 소유스-2를 포함한 R-7 (로켓) 계열 차량에 사용되었다.[1]
  • F-1 - RP-1/액체 산소 엔진으로 새턴 V 1단에 사용되었다. 지금까지 비행한 단일 연소실 액체 연료 엔진 중 가장 강력하다.[2]
  • J-2 - 1960년대에 개발되어 새턴 V에 사용된 상단 액체 수소/액체 산소 엔진이다.
  • RS-27A - 1990년에 처음 비행한 미국의 RP-1/액체 산소 엔진이다.[3]
  • 벌케인 - 아리안 5와 아리안 6에 사용되는 LH2/액체 산소를 사용하는 유럽의 1단 엔진 계열이다.[4]
  • 멀린 - 스페이스X가 팰컨 9와 팰컨 헤비를 위해 개발한 RP-1/액체 산소 엔진으로 1단과 2단 모두에 사용된다.[5]
  • RS-68 - 1990년대에 에어로젯 로켓다인이 제작한 LH2/액체 산소 엔진이다. 지금까지 비행한 수소 연료 로켓 엔진 중 가장 크다.[6]
  • CE-20 - 2010년대에 LVM3 발사체에 사용하기 위해 개발된 인도의 LH2/액체 산소 엔진이다.[7]
  • YF-20 - 1990년대에 개발되어 창정 2, 3, 4에 사용된 중국의 사산화 이질소/UDMH 엔진이다.
  • TQ-12 - 랜드스페이스가 개발한 메테인/액체 산소 엔진이다. 2022년 주췌-2에 처음 사용되었다.

5. 가스발생기 사이클 엔진을 사용하는 우주 발사체

참조

[1] 웹사이트 RD-107 http://astronautix.c[...] Encyclopedia Astronautica
[2] 웹사이트 F-1 Engine Fact Sheet http://history.msfc.[...] 2013-04-17
[3] 웹사이트 Turbopumps for Liquid Rocket Engines http://www.pwrengine[...]
[4] 웹사이트 Vulcain-2 Cryogenic Engine Passes First Test with New Nozzle Extension http://www.esa.int/e[...] ESA
[5] 웹사이트 SpaceX Merlin Engine http://www.spacex.co[...] SpaceX
[6] 웹사이트 Delta 4 Data Sheet http://www.spacelaun[...]
[7] conference Structural Analysis of Propulsion System Components of an Indigenous Cryogenic Rocket Engine http://arc.aiaa.org/[...]
[8] 웹사이트 LE-X エンジン開発へ向けた取り組み https://www.mhi.co.j[...] 2011
[9] 문서 로켓의 실제,JAXA우주과학연구소 우주비상공학연구계교수 마츠나가미사부로 http://lss.mes.titec[...]


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