접촉점화성 추진제

3. 장점

접촉점화성 추진제 로켓 엔진은 점화 장치가 필요 없어 단순하고 신뢰성이 높다. 일부 대형 접촉점화성 엔진은 터보펌프를 사용하지만, 대부분은 압력 공급 방식을 사용한다. 일반적으로 헬륨 가스를 이용하여 체크 밸브와 안전 밸브를 거쳐 추진제 탱크에 압력을 가한다. 이후 추진제는 제어 밸브를 통해 연소실로 들어가 즉시 점화되므로, 반응하지 않은 추진제가 쌓여 하드 스타트를 일으킬 가능성을 낮춘다.^[12]

접촉점화성 로켓은 점화 장치 없이 추진제 밸브 개폐만으로 여러 번 발사할 수 있어 우주선 기동에 적합하며, 델타 II 및 아리안 5와 같이 여러 번 연소해야 하는 우주 발사체의 상단 로켓으로도 사용된다. 재시동 가능한 비접촉점화성 로켓 엔진도 존재하는데, 센타우르의 극저온 (산소/수소) RL-10과 새턴 V의 J-2, 팰컨 9의 RP-1/LOX 멀린 등이 그 예이다.^[12]

일반적인 접촉점화성 연료인 히드라진, 모노메틸히드라진, 비대칭 디메틸히드라진과 산화제인 사산화 질소는 상온, 상압에서 액체 상태이므로 '저장 가능한 액체 추진제'라고도 불린다. 이들은 수년간 지속되는 우주 임무에 적합하다. 액체 수소와 액체 산소는 극저온성이 있어, 현재까지는 단기간 보관해야 하는 우주 발사체에 주로 사용된다.^[13] 행성 간 우주에서 극저온 추진제를 사용할 때의 주요 문제점은 비등 현상인데, 이는 제곱-세제곱 법칙에 크게 영향을 받으므로 스타쉽과 같은 대형 우주선에서는 문제가 덜하다.

접촉점화성 추진제는 극저온 추진제보다 밀도가 높다는 장점도 있다. 액체 산소 (LOX)의 밀도는 1.14g/ml이지만, 질산이나 사산화 질소와 같은 접촉점화성 산화제는 각각 1.55g/ml 및 1.45g/ml이다. 액체 수소 (LH2) 연료는 성능이 매우 높지만 밀도가 낮아 대형 로켓에만 사용되며, 히드라진과 비대칭 디메틸히드라진 혼합물은 밀도가 최소 10배 더 높다.^[14] 이는 추진제 밀도가 높을수록 추진제 탱크 크기를 줄여 탐사선을 더 작은 페이로드 페어링에 탑재할 수 있게 해주므로, 우주 탐사선에서 매우 중요하다.

과산화성 추진제 엔진은 두 개의 밸브 개폐만으로 2액체를 혼합하여 제어 할 수 있으므로 높은 신뢰성을 요구하는 용도에 사용된다.

상온, 대기압에서 액체이므로 극저온, 고압의 액체 산소나 액체 수소에 비해 장기 보관이 가능하다.

4. 단점

전통적인 접촉 점화성 추진제는 질량 대비 발열량이 LH2/LOX 또는 LCH4/LOX와 같은 극저온 추진제 조합보다 낮다.^[15] 따라서 접촉 점화성 추진제를 사용하는 발사체는 이러한 극저온 연료를 사용하는 발사체보다 더 많은 질량의 연료를 실어야 한다.

전통적인 접촉 점화성 추진제의 부식성, 독성, 발암성은 값비싼 안전 예방 조치를 필요로 한다.^[16][17] 예를 들어, ""Devil's Venom""이라는 별명이 붙은 매우 위험한 UDMH-질산 추진제 혼합물에 대한 적절한 안전 절차를 따르지 않은 결과, 역사상 가장 치명적인 로켓 사고인 네델린 재앙이 발생했다.^[18] 누출은 화재나 폭발로 이어지기 쉽다.

단독으로도 부식성이나 독성이 강한 물질이 많고, 경량화로 소재나 두께에 제약이 걸리는 로켓이나 미사일의 연료 탱크에 충전된 상태에서는 단기간밖에 유지되지 않는다. 발사 중단으로 연료를 제거한 후에는 연료 계통의 완전한 세척이 필요하다. 충전 작업 시에는 완전 방호복 착용이 필요한 등 취급이 어렵다.

5. 주요 사용 사례

에어로진 50 + 사산화 이질소 (N2O4)는 타이탄 2호 등 미국 로켓에 사용되었다. 에어로진 50은 50% UDMH와 50% 하이드라진(N2H4)를 혼합한 것이다. UDMH + 사산화 이질소 (N2O4)는 프로톤 로켓 등 러시아에서 자주 사용된다. UH-25는 25% 하이드라진과 75% UDMH의 혼합물이다. 모노메틸하이드라진 + 사산화 질소 (NTO)도 사용되는 조합이다.

1935년 헬무트 발터(Hellmuth Walter)는 히드라진 수화물이 80~83%의 고농도 과산화수소와 초고속 연소된다는 것을 발견하고 연료 개발에 착수했다. 오토 루츠는 헬무트 발터 코만디트게젤샤프트(Walter Company)가 30%의 히드라진 수화물, 57%의 메탄올, 13%의 물을 함유하고 고농도 과산화수소와 자연 발화하는 ''C-Stoff''를 개발하는 것을 도왔다.^[32] BMW는 아민, 자일리딘 및 아닐린의 다양한 조합과 질산을 혼합한 초고속 연소 혼합물을 연소하는 엔진을 개발했다.^[5]

1940년 미국에서 GALCIT과 해군 애나폴리스 연구원들에 의해 초고속 연소 추진제가 독자적으로 발견되었다. 그들은 아닐린과 적연 질산(RFNA)으로 구동되는 엔진을 개발했다.^[6] 로버트 고다드, 리액션 모터스, 커티스-라이트는 1940년대 초반에 소형 미사일과 제트 보조 이륙을 위해 아닐린/질산 엔진을 연구했다. 이 프로젝트는 여러 마틴 PBM 마리너와 PBY 폭격기의 성공적인 보조 이륙으로 이어졌지만, 연료와 산화제 모두 유독하고 아닐린의 어는점이 높아 좋지 않은 평가를 받았다. 이 문제는 아닐린에 소량의 푸르푸릴 알코올을 첨가하여 해결되었다.^[32]

제2차 세계 대전까지 독일에서는 로켓 추진제를 모노르골, 초고속 연소, 비초고속 연소 및 리터골로 분류했다. 초고속 연소 추진제(또는 적어도 초고속 연소 점화)는 전기 또는 화공 점화보다 하드 스타트가 훨씬 덜 발생했다.

메서슈미트 Me 163B ''코메트''는 연료로 메탄올/히드라진을, 산화제로 고농도 과산화물 ''T-Stoff''를 사용하는 HWK 109-509 로켓 모터를 사용했다. 이 초고속 연소 로켓은 매우 불안정하고 부주의하면 폭발할 수 있다는 단점이 있었지만, 빠른 상승과 신속한 공격 전술을 사용할 수 있었다.

타이탄 II와 R-36 등 대부분의 소련 ICBM은 초고속 연소 추진제를 사용했다. 그러나 부식성과 유독성, 누출 및 타이탄-II의 폭발^[9] 등으로 인해 서방의 잠수함 발사 탄도 미사일과 미국의 지상 기반 ICBM에서 고체 연료 로켓 부스터로 대체되었다.^[32]

아폴로 달 착륙선은 달 착륙에서 강하 및 상승 로켓 엔진 모두에 초고속 연소 연료를 사용했다. 아폴로 우주선은 서비스 추진 시스템에 동일한 조합을 사용했다. 이러한 우주선과 우주 왕복선 등은 반응 제어 시스템에 초고속 연소 추진제를 사용했다.

1960년대 프랑스의 베로니크 사운딩 로켓과 베스타 로켓, 디아망의 1단계는 질산과 테레빈유 조합을 사용했다.^[10]

서방 우주 발사 기관은 대형 초고속 연소 로켓 엔진에서 수소/산소 엔진 또는 메탄/산소 및 RP-1/산소 엔진으로 전환하고 있으며, 여기에는 여러 장단점이 있다. 아리안 1~4호는 초고속 연소 다단 로켓을 사용했으며 퇴역했고, 액체 수소 및 액체 산소를 사용하는 1단 로켓을 사용하는 아리안 5호로 대체되었다. 초고속 연소 1단 및 2단을 사용하는 타이탄 II, III 및 IV도 RP-1/산소를 사용하는 아틀라스 V와 수소/산소를 사용하는 델타 IV로 퇴역했다. 초고속 연소 추진제는 여러 번의 연소-관성 기간이 필요한 경우와 발사 탈출 시스템에서 여전히 사용된다.

우주 로켓에서는 특히 구 소련 측에서 선호되었으며, 후신인 러시아나 중국 등에서 여전히 현역으로 사용되고 있다. 즉응 대기를 필요로 하고 발사 타이밍을 선택할 수 없는 탄도 미사일에서는 연료의 보관성을 인정받아, 대륙간 탄도 미사일(ICBM)부터 전술 탄도 미사일의 스커드까지 크고 작은 모든 종류에 사용되었다. 그러나 그 위험성 때문에, 즉응성 면에서 더욱 우수한 고체 연료 로켓 추진으로 현재까지 대부분의 미사일이 대체되었다. 구 소련에서는 잠수함 발사형 미사일에서도 하이퍼골릭 추진제를 사용하였고, 여러 차례 사고가 발생했다.

탑재 연료의 대부분은 비(非) 하이퍼골릭이지만, 시동 시에만 점화제로 하이퍼골릭을 사용하는 방식도 존재한다. SpaceX의 머린 엔진은 점화 시에 케로신 대신 트리에틸알루미늄-트리에틸보란(TEA-TEB)을 흘려보내 LOX와 자기 착화를 일으킨다. 새턴 V의 F-1 로켓 엔진도 이와 같은 방식으로 점화된다.

5. 1. 연료와 산화제

드물거나 사용되지 않는 접촉 점화성 추진제는 다음과 같다.

5. 2. 로켓 및 엔진

• 에어로진 50 + 사산화이질소 (NTO) – 타이탄 II를 포함한 역사적인 미국 로켓, 아폴로 달 착륙선의 모든 엔진에 사용되었다. 에어로진 50은 50% UDMH와 50% 히드라진 (N₂H₄)의 혼합물이다.^[32]
• 모노메틸히드라진 (MMH) + 사산화이질소 (NTO) – 아폴로 사령선 및 서비스 모듈 RCS,^[20] 우주왕복선 OMS 및 RCS;^[21] 아리안 5 EPS;^[22] 드라코 추력기(스페이스X 드래곤 우주선)에 사용되는 소형 엔진 및 반응 제어 추력기.^[23]
• 트리에틸보란/트리에틸알루미늄 (TEA-TEB) + 액체 산소 – 스페이스X 멀린 엔진 계열과 로켓다인 F-1 등 액체 산소를 사용하는 일부 로켓 엔진의 점화 과정에서 사용.
• 비대칭 디메틸히드라진 (UDMH) + 사산화이질소 (NTO) – 로스코스모스에서 자주 사용하며, 프로톤 (로켓 계열) 등에 사용. 프랑스 아리안 1호의 1, 2단에 공급(이후 UH 25로 대체). 비카스 엔진을 사용하는 ISRO 로켓.^[24]

• 아닐린 + 질산 (불안정, 폭발성), WAC 코포럴에 사용^[25]
• 아닐린 + 과산화 수소 (먼지에 민감, 폭발성)
• 푸르푸릴 알코올 + IRFNA – 코펜하겐 서브오비탈스 SPECTRA 엔진^[26][32]
• 푸르푸릴 알코올 + WFNA^[32]
• 히드라진 + 질산 (독성, 안정적), 신뢰성 있는 점화 부족으로 폐기. 대량 생산된 적 없음.^[27]
• 케로신 + (고농도 과산화수소 + 촉매) – 감마. 차가운 과산화 수소와 케로신은 접촉 점화성이 아니지만 촉매 위로 흐르는 농축 과산화 수소는 자유 산소와 증기를 생성하며 케로신과 접촉 점화성을 가짐.^[28]
• 톤카 (TG-02, 약 50% 트리에틸아민 + 50% 자일리딘) + 질산 또는 무수 산화 질소 유도체(소련 AK-2x 그룹). 예: AK-20F (80% HNO₃ + 20% N₂O₄).^[32]
• T-Stoff (80% 이상 과산화물) + C-Stoff (메탄올, 히드라진, 물, 촉매) – 메서슈미트 Me 163, 발터 109-509A 엔진.^[32]
• 테레빈유 + IRFNA (프랑스 디아망 A 1단계)^[29]
• UDMH + IRFNA – MGM-52 랜스,^[30] 아게나, 에이블 상단 단계, 이사예프 기동 엔진.^[31]

6. 환경 문제 및 대체 기술

전통적인 접촉점화성 추진제는 질량 대비 발열량이 LH2/LOX 또는 LCH4/LOX와 같은 극저온 추진제 조합보다 낮다.^[15] 따라서 접촉점화성 추진제를 사용하는 발사체는 이러한 극저온 연료를 사용하는 발사체보다 더 많은 양의 연료를 실어야 한다.

전통적인 접촉점화성 추진제의 부식성, 독성, 발암성은 값비싼 안전 예방 조치를 필요로 한다.^[16][17] 예를 들어, ""Devil's Venom"'이라는 별명이 붙은 매우 위험한 UDMH-질산 추진제 혼합물에 대한 적절한 안전 절차를 따르지 않아 역사상 가장 치명적인 로켓 사고인 네델린 재앙이 발생했다.^[18]

자연 발화성 물질은 공기 중에서 저절로 점화되며, 로켓 연료 자체로 사용되거나 다른 연료를 점화하는 데에도 사용된다. 예를 들어, 트리에틸보란과 트리에틸알루미늄의 혼합물(단독으로도, 함께 사용하면 더욱 자연 발화성이다)은 SR-71 블랙버드의 엔진 시동과 새턴 V 로켓의 F-1 엔진, 스페이스X 팰컨 9 로켓의 멀린 엔진에도 사용된다.

참조

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_[2] 논문 An Account of Some Experiments Relating to the Production of Fire and Flame, Together with an Explosion; Made by the Mixture of Two Liquors Actually Cold. By Frederick Slare, M. D. Censor and Fellow of the Colledge of Physicians: and of the Royal Society https://www.jstor.or[...] 1694
_[3] 서적 Newton the Alchemist: Science, Enigma, and the Quest for Nature's "Secret Fire" https://books.google[...] Princeton University Press 2018-12-11
_[4] 특허 US patent 2489051A
_[5] 서적 History of German Guided Missiles Development (Guided Missiles Seminar. 1956. Munich) https://books.google[...] Appelhans
_[6] 서적 History of Liquid Propellant Rocket Engines https://books.google[...] American Institute of Aeronautics and Astronautics
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