LR-87
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1. 개요
LR-87은 미국의 액체 로켓 엔진 시리즈로, 다양한 파생형이 존재하며 여러 발사체에 사용되었다. 초기 모델인 LR87-3은 타이탄 I ICBM의 1단으로 사용되었으며, RP-1과 액체 산소를 사용했다. LR87-5는 타이탄 II ICBM의 1단에 사용되었으며, 사산화질소와 Aerozine 50을 사용했다. LR87-7은 제미니 계획을 위해 개조되었고, LR87-9, LR87-11/LR-87-11A 등 여러 파생형이 타이탄 계열 발사체에 사용되었다. 액체 수소와 액체 산소를 사용하는 LR87 LH2도 개발되었으나, NASA는 로켓다인의 J-2 엔진을 선택했다. 또한, 젤 형태의 사산화 이질소/알루마진 연료로 시험되기도 했다. 한국형발사체의 KARI 75톤급 로켓엔진은 LR-87-3과 유사한 설계를 갖는다.
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| LR-87 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 액체 로켓 엔진 |
| 제작 국가 | 미국 |
| 제작사 | 에어로제트 |
| 용도 | 주 엔진 |
| 관련 로켓 | 타이탄 |
| 후속 엔진 | D LR-91 |
| 최초 사용 | 1959년 |
| 최종 사용 | 2005년 |
| 일반 사양 | |
| 연료 | RP-1/LOX(LR87-3), A-50 (연료)/사산화 이질소(LR87-5, LR87-7, LR87-9, LR87-11), LH2/LOX(LR87 LH2) |
| 길이 | 3.13–3.84 m, LR87 LH2: 4 m |
| 직경 | 1.14 m |
| 건조 중량 | 839 kg |
| 성능 | |
| 추력 (해면) | LR87-11: 1900 kN |
| 비추력 (진공) | 290 isp |
| 비추력 (해면) | 256 isp |
| 연소실 압력 | 40–59 bar |
| 사이클 | 가스발생기 사이클 |
2. 파생형
LR-87은 세계 최초이자 현재까지 유일하게 3가지 종류의 추진제(케로신/액체 산소, 액체 수소/액체 산소, 에어로진-50/사산화이질소)를 사용하는 파생형이 존재하는 엔진이다.[3] 가스 발생기 사이클 엔진으로 재생 냉각 노즐과 연소실을 갖추고 있으며, 후기 형식에서는 노즐에 아블레이션 냉각을 사용했다. LR-87의 약간 변경된 형태인 LR-91은 타이탄 미사일의 2단에 사용되었다.[1]
LR87은 작동 중 추력 조절이 불가능하며, 약 1900kN의 추력을 낸다. 초기형은 RP-1/액체 산소를 사용했으나, 타이탄 II에서는 에어로진-50/사산화이질소로 전환하여 상온 보관성과 발사 준비 시간을 단축했다. 그러나 이 추진제는 접촉 시 폭발하고 독성과 부식성이 강해 사고 위험이 있었다.[3]
LR87은 젤 형태의 사산화 이질소/알루마진 연료로도 시험되었으나, 연소 불안정성과 자금 부족으로 인해 개발이 중단되었다.[7][8]
2. 1. LR87-3
타이탄 I에 사용된 LR87-3은 액체 산소와 RP-1을 사용했다.[3] 1959년 Titan I ICBM의 1단으로 사용되었으며, 진공추력 75톤, 해면추력 65톤이다. 타이탄 핵미사일 프로그램이 종료되면서, 이 엔진은 더 이상 사용되지 않았다. LR87-3은 액체산소(LOX)/액체수소(H2), 사산화질소(NTO)/Aerozine 50의 연료를 사용해 테스트하기도 했다.[18]세계 최초이자, 현 시점에서는 유일하게 3가지 종류의 추진제(케로신/액체 산소, 액체 수소/액체 산소, 에어로진-50(50%의 모노메틸히드라진과 50%의 비대칭 디메틸히드라진의 혼합 연료)/사산화이질소)를 사용하는 파생형이 존재한다. 가스 발생기 사이클 엔진으로 재생 냉각 노즐과 연소실을 갖추고 있으며, 후기 형식에서는 노즐에 아블레이션 냉각을 사용했다.
'''제원'''
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 연료 | RP-1 |
| 산화제 | 액체 산소 |
| 추력 (해수면 고도) | 647 kN |
| 추력 (진공) | 733 kN |
| 비추력 (해수면 고도) | 2510 N.s/kg (256초) |
| 비추력 (진공) | 2840 N.s/kg (290초) |
| 연소 시간 | 139초 |
| 무게 | 839 kg |
| 전체 높이 | 3.13 m |
| 직경 | 1.53 m |
| 연소실 | 1 |
| 연소실 압력 | 4000 kPa |
| 연소 온도 | ~3300℃ |
| 팽창비 | 8:1 |
| 추진제 혼합비 (액체 산소/RP-1) | 1.91:1 |
| 추력 대 중량비 | 87.2 |
2. 2. LR87-5
타이탄 II에 탑재된 개량형으로, 추진제로 상온에서 보관 가능한 에어로진 50/사산화 이질소를 사용했다. 자기 착화성 추진제를 사용한 것으로 LR-87-3보다 소형, 경량화되었으며, 점화 장치도 필요 없어졌다.LGM-25C 타이탄 II는 액체 산소와 RP-1 대신 사산화 이질소와 에어로진 50을 사용했는데, 이는 미국 공군의 요청에 따라 보관성을 높이기 위한 것이었다. 이 엔진은 전작보다 전반적으로 더 가볍고 단순했는데, 독립적인 점화 시스템이 필요 없는 초고압력 추진제를 사용했기 때문이다. 또한, 더 간단한 제어 장치, 터보 펌프를 시작하기 위한 고체 추진제 카트리지, 단순화된 분사기, 무거운 냉각 헬륨 가스 탱크를 대체하는 자체 가압 방식을 갖추고 있었다. 연료 탱크는 연료가 풍부한 가스 발생기 배기가스로, 산화제 탱크는 터빈 배기를 사용하여 열 교환기에서 증발된 사산화 이질소로 가압되었다.
1984년부터 LGM-25C 타이탄 II 미사일이 퇴역하면서 발사체로 사용할 수 있게 되었으며, 엔진은 이러한 용도로 개조되었다.
'''제원'''
| 항목 | 내용 |
|---|---|
| 연료 | 에어로진 50 |
| 산화제 | 사산화 이질소 |
| 추력 (해면 고도) | 956.5 kN |
| 추력 (진공 중) | 1096.8 kN |
| 비추력 (해면 고도) | 2540 N·s/kg (259초) |
| 비추력 (진공 중) | 2910 N·s/kg (297초) |
| 연소 시간 | 155초 |
| 무게 | 739 kg |
| 전체 높이 | 3.13 m |
| 직경 | 1.14 m |
| 연소실 | 1 |
| 연소실 압력 | 5.4 MPa |
| 연소 온도 | ~3000℃ |
| 팽창비 | 8:1 |
| 추진제 혼합비 (에어로진 50/사산화 이질소) | 1.93:1 |
| 추력대중량비 | 151.34 |
2. 3. LR87-7
LR87-7은 제미니 계획에 사용하기 위해 LR87-5를 개량한 엔진이다. 유인 우주 비행 인증을 위해 중복성과 안전 기능을 추가했다. 성능은 이전 버전과 유사했지만, 유인 인증 요구 사항을 충족하기 위해 연소실 압력과 노즐 추력을 줄였다. LR87-7은 타이탄 II GLV에만 사용되었다.2. 4. LR87-9
LR87-9는 타이탄 IIIA, IIIB, IIIC에 사용되었다.[1]2. 4. 1. LR87-11/LR-87-11A
24B, 34B, IIIBS, IIID, 34D, 34D7, IIIE에 사용되었다. LR-87-11A는 타이탄 IV A/B에 사용되었다.세계 최초이자, 현재까지 유일하게 3가지 종류의 추진제(케로신/액체 산소, 액체 수소/액체 산소, 에어로진-50(50%의 모노메틸히드라진과 50%의 비대칭 디메틸히드라진의 혼합 연료)/사산화이질소)를 사용하는 파생형이 존재한다. 가스 발생기 사이클 엔진으로 재생 냉각 노즐과 연소실을 갖추고 있으며, 후기 형식에서는 노즐에 아블레이션 냉각을 사용했다. LR-87에는 약간 변경된 LR-91이 있으며, 타이탄 미사일의 2단에 사용되었다.
추력은 작동 중에는 가감할 수 없다. LR87은 약 1900kN의 추력을 낸다. 타이탄 I에 사용된 초기 LR87 엔진은 추진제로 RP-1과 액체 산소를 사용했다. 액체 산소는 극저온이므로 미사일 탱크에 장시간 보관하는 것이 불가능하여 발사 전에 채워야 했다. 타이탄 II는 추진제를 과(過)추진제로 상온에서 보관 가능한 에어로진-50과 사산화이질소로 전환했다. 이러한 추진제를 사용함으로써 장기간, 항상 발사 가능한 상태로 보관할 수 있었다(단, 이들 추진제는 접촉만으로 폭발하고, 독성 및 부식성이 강해 이로 인한 사고도 여러 차례 발생했다).
2. 5. LR87 LH2
LR87 LH2는 액체 산소와 액체 수소를 연료로 사용하는 엔진으로, 1950년대 후반에 개발되었다. LR-87-3 모델에 비해 가볍고 차가운 액체 수소의 특성을 고려하여 연료 분사기와 터보 펌프 등이 변경되었다. 1958년부터 1961년까지 총 52회의 정적 테스트가 문제없이 수행되었다.[18]에어로젯(Aerojet)은 새턴 IB(Saturn IB)와 새턴 V(Saturn V) 2단계 엔진 선정 과정에 참여했으나, NASA(미국 항공우주국)는 로켓다인의 J-2를 선택했다. LR87 LH2 개발 경험은 에어로젯 M-1 개발에 활용되었다.
LR87 LH2의 주요 제원은 다음과 같다.
2. 5. 1. LR87 / Alumazine
Titan I ICBM의 1단으로 사용되었다. 액체산소와 RP-1을 사용하며 진공추력 75톤, 해면추력 65톤이다. 타이탄 핵미사일 프로그램이 종료하면서, 이 엔진은 더 이상 사용되지 않았다. LR87-3은 액체산소(LOX)/액체수소(H2), 사산화질소(NTO)/Aerozine 50의 연료를 사용해 테스트하기도 했다.[18]HGM-25A Titan I은 지하 사일로에서 액체산소를 주입해 발사되기도 하였다. 그러나 밀폐된 공간에서의 액체산소 주입은 매우 위험하여, 타이탄 사일로가 자주 폭발했다. 그래서 미국은 기존의 액체산소 엔진을 그대로 사용하되, 약간만 개조를 하여, 상온 연료인 사산화질소(NTO)/Aerozine 50를 사용해 안전성을 높였다. 그것이 LGM-25C Titan II 미사일이다.
현재 미국 등 서방은 ICBM에 고체연료를 주로 사용하는데, 러시아, 중국, 북한 등은 상온 연료인 적연질산, UDMH 등을 주로 사용한다. 상온 연료는 액체산소보다는 고가이지만, 안전성이 높아 핵잠수함용 SLBM, 지상용 ICBM 등에서 많이 사용한다. 그러나 인체에 유해한 독성이 있다. 북한의 스커드, 노동, 무수단, 광명성 로켓은 모두 상온 연료를 쓴다. 반면에 고체연료는 안전성도 높고, 독성도 없으나, 상온 연료 보다 더 고비용이 든다.
LR87은 젤 형태의 사산화 이질소/알루마진 연료로도 시험되었다.[7][8] LR87과의 초기 시험은 연소 불안정성과 자금 부족으로 인해 중단되었지만, 젤 형태의 연료와 산화제 개발은 우주에서 현재 사용되는 엔진을 위한 연료를 생산하기 위해 계속되었다.[9]
3. 대한민국 로켓엔진
한국형발사체의 메인 엔진인 KARI 75톤급 로켓엔진은 LR-87-3과 유사하게, 진공추력 75톤, 해면추력 65톤의 케로신/액체산소 로켓 엔진이다.
참조
[1]
웹사이트
LR87-5
https://web.archive.[...]
2015-01-06
[2]
웹사이트
Aerojet-General LR87 Liquid Rocket
https://web.archive.[...]
2010-12-25
[3]
웹사이트
LR87
https://web.archive.[...]
2021-08-22
[4]
웹사이트
LR91
https://web.archive.[...]
2021-08-22
[5]
웹사이트
Titan I
https://web.archive.[...]
2021-08-21
[6]
웹사이트
LR87 LH2
https://web.archive.[...]
2021-08-27
[7]
웹사이트
LR87 Alumazine
http://www.astronaut[...]
2022-10-29
[8]
웹사이트
Gelled dinitrogen tetroxide composition
https://patents.goog[...]
2022-10-29
[9]
웹사이트
A Comprehensive Study on Gelled Propellants
https://www.research[...]
2022-10-29
[10]
웹사이트
LR87-3
https://web.archive.[...]
2021-08-27
[11]
웹사이트
LR87-7
https://web.archive.[...]
2016-04-20
[12]
웹사이트
LR87-9
https://web.archive.[...]
2021-08-27
[13]
웹사이트
LR87-11
https://web.archive.[...]
2021-08-27
[14]
뉴스
Escape Route Blocked in Silo Disaster
https://news.google.[...]
Ellensburg Daily Record
1965-08-13
[15]
뉴스
1 killed, 6 injured when fuel line breaks at Kansas Titan missile site
https://news.google.[...]
St. Petersburg Times
1978-08-25
[16]
뉴스
Thunderhead Of Lethal Vapor Kills Airman At Missile Silo
https://news.google.[...]
The Ledger
1978-08-25
[17]
뉴스
Light on the Road to Damascus
http://www.time.com/[...]
Time magazine
1980-09-29
[18]
서적
History of Liquid Propellent Rocket Engines
American Institute of Aeronautics and Astronautics
2006
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