RP-1
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1. 개요
RP-1은 로켓 연료로 사용되는 정제된 등유의 일종이다. 제2차 세계 대전 이후 알코올 연료를 대체하기 위해 개발되었으며, 높은 열 안정성과 취급 용이성을 갖춘 탄화수소 연료로, 액체 산소와 함께 사용된다. 아폴로 8호, 새턴 V 로켓을 비롯하여 소유스, 팰컨 9 등 다양한 로켓의 1단계 부스터에 사용되었으며, 인도 우주 연구 기구에서 자국의 미래 로켓을 위해 RP-1 연료 엔진을 개발하고 있다. RP-1은 수소 연료에 비해 비추력이 낮지만, 상온에서 보관 및 취급이 용이하고, 밀도가 높아 연료 탱크를 작게 만들 수 있다는 장점이 있다.
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2. 역사 및 용도
RP-1은 일렉트론, 소유즈, 제니트, 델타 I-III, 아틀라스, 팰컨, 안타레스, 트로나도르 II 로켓의 1단계 부스터 연료로 사용되었다. 에네르기아, 타이탄 I, 새턴 I 및 IB, 새턴 V에도 사용되었다. 인도 우주 연구 기구(ISRO)는 자국의 미래 로켓을 위해 RP-1 연료 엔진을 개발하고 있다.[2]
제2차 세계 대전 이후 로켓 기술이 발전하면서, 기존에 에탄올, 메탄올과 같은 알코올 계열 연료 대신 밀도가 더 높고, 연료 분자에 산소 원자가 없으며, 수분 함량이 적어 엔진 효율을 높일 수 있는 탄화수소 연료가 주목받게 되었다. 이에 따라 1950년대 중반, 로켓 설계자들은 화학자들에게 열에 강한 탄화수소 개발을 의뢰했고, 그 결과 RP-1이 탄생했다.
2. 1. 개발 과정
제2차 세계 대전 중과 그 직후에는 에탄올, 메탄올과 같은 알코올이 대형 액체 연료 로켓의 연료로 자주 사용되었다. 알코올은 높은 기화열 덕분에 재생 냉각 엔진이 녹는 것을 막아주었다. 그러나 탄화수소 연료는 밀도가 더 높고, 연료 분자에 산소 원자가 없으며, 수분 함량이 적어 엔진 효율을 높일 수 있다는 점이 알려졌다.초기 로켓은 대부분 등유를 사용했지만, 연소 시간, 연소 효율, 연소실 압력이 증가하고 엔진 질량이 감소하면서 엔진 온도가 높아지는 문제가 발생했다. 냉각제로 사용되는 등유는 해리되거나 중합되는 경향이 있었다. 가벼운 생성물은 기포 형태로 공동 현상을 일으켰고, 무거운 생성물은 왁스 침전물 형태로 엔진의 좁은 냉각 통로를 막았다. 냉각 부족은 온도를 더욱 상승시켜 더 많은 중합을 일으켰고, 이는 열 폭주와 같이 엔진 벽 파열이나 기계적 고장으로 이어질 수 있었다. 이러한 문제는 전체 냉각수 흐름이 등유로 구성되어 있어도 계속되었다.
1950년대 중반, 로켓 설계자들은 화학자들에게 열에 강한 탄화수소 개발을 의뢰했고, 그 결과 RP-1이 탄생했다. 1950년대에 액체 산소(LOX)가 RP-1과 함께 사용되는 선호되는 산화제가 되었지만,[3] 다른 산화제도 사용되었다.
2. 2. 초기 사용
세계 최초의 ICBM인 소련 에네르고마쉬의 세묘르카 미사일과 미국 최초의 ICBM인 록히드 마틴의 아틀라스 미사일, SM-65 아틀라스, SM-68 타이탄 I[14] 핵미사일에 사용되었다.RP-1은 일렉트론, 소유즈, 제니트, 델타 I-III, 아틀라스, 팰컨, 안타레스, 트로나도르 II 로켓의 1단계 부스터 연료이다. 에네르기아, 타이탄 I, 새턴 I 및 IB, 새턴 V의 1단계에도 사용되었다. 인도 우주 연구 기구(ISRO)는 자국의 미래 로켓을 위해 RP-1 연료 엔진을 개발하고 있다.[2]
2. 3. 현대적 사용
RP-1은 일렉트론 로켓, 소유스 로켓, 제니트 로켓, 델타 I-III, 아틀라스, 팰컨, 안타레스, 트로나도르 II 로켓의 1단계 부스터에 사용되는 연료이다. 나로호, 안가라 로켓, 애틀러스 V, 팰컨 9 등에도 사용된다. 인도 우주 연구 기구(ISRO)는 자국의 미래 로켓을 위해 RP-1 연료 엔진을 개발하고 있다.[2]3. 구성 성분 및 특성
RP-1은 일반 등유와 비슷하게 보이지만, 로켓 연료로 사용하기 위해 더 엄격한 기준에 따라 제조된다.[4] 밀도와 휘발성의 범위가 더 좁고, 황, 올레핀, 방향족 탄화수소와 같은 특정 화합물의 함량이 매우 낮다.[4]
RP-1의 군사 규격은 MIL-R-25576,[5] 화학적 및 물리적 특성은 NISTIR 6646에 기술되어 있다.[6] 러시아와 구소련 국가들에서는 T-1과 RG-1이라는 두 가지 주요 로켓 케로신 제형을 사용하는데, 이들의 밀도는 0.82g/ml에서 0.85g/ml 사이로 RP-1의 0.81g/ml보다 약간 높다.
과거 소련은 케로신을 냉각하여 밀도를 높이는 방법을 연구하기도 했다. 하지만 스페이스X의 팰컨 9 로켓 개발 이전에는 케로신 냉각 방식이 널리 사용되지 않았다.
3. 1. 정제 과정
RP-1은 황, 올레핀, 방향족 탄화수소의 함량을 최소화하여 제조된다.[4] 이는 고온에서의 중합 및 침전물 생성을 방지하기 위함이다.황과 황 화합물은 고온에서 금속을 공격하며, 아주 적은 양의 황조차도 중합을 돕기 때문에 최소한으로 유지된다.[4] 불포화 화합물(알켄류, 알킨류, 방향족 탄화수소) 또한 고온 및 장기간 보관 시 중합되는 경향이 있어 낮은 수준으로 유지된다.[4]
선형 알칸은 고리형 및 고도로 분지된 알칸의 수를 늘리기 위해 줄어들었다.[4] 고리형 및 분지된 분자가 고온에서의 열적 안정성을 크게 향상시키기 때문이다.[4] 가장 바람직한 이성질체는 래더레인과 같은 다환식 화합물이다.[4]
생산 과정에서 불순물과 측쇄를 제거하기 위해 엄격하게 처리된다. 재는 연료 라인과 엔진 통로를 막고, 연료에 의해 윤활되는 밸브와 터보펌프 베어링을 마모시킬 가능성이 있기 때문이다. 약간 무겁거나 가벼운 획분은 윤활 능력에 영향을 미치고, 보관 및 하중 하에서 분리될 가능성이 높다. 남은 탄화수소는 C12 질량 근처에 있다. 경질 탄화수소가 부족하기 때문에 RP-1은 높은 인화점을 가지며, 휘발유보다 화재 위험이 적다.[4]
3. 2. 물리화학적 특성
RP-1은 다른 케로신 기반 연료와 외관상 유사하지만, 더 엄격한 기준에 따라 제조된다. 황, 올레핀 및 방향족 화합물의 함량이 현저히 낮으며, 밀도 및 휘발성 범위가 더 좁다.[4]황과 황 화합물은 고온에서 금속을 공격하고, 아주 적은 양의 황조차도 중합을 돕기 때문에 최소한으로 유지된다. 불포화 화합물( 알켄류, 알킨류, 방향족 탄화수소)도 고온 및 장기간 보관 시 중합되는 경향이 있어 낮은 수준으로 유지된다. 이러한 특성 덕분에 RP-1은 다양한 제트 및 디젤 연료보다 독성이 적고, 휘발유보다 훨씬 덜 독성이 있다.
선형 알칸은 고리형 및 고도로 분지된 알칸의 수를 늘리기 위해 줄어들었다. 고리형 및 분지된 분자는 옥탄가를 높여 휘발유의 성능을 개선하는 것처럼, 고온에서의 열적 안정성도 크게 향상시킨다. 가장 바람직한 이성질체는 래더레인과 같은 다환식 화합물이다.
RP-1은 불순물과 측쇄를 제거하기 위해 엄격하게 처리된다. 재는 연료 라인과 엔진 통로를 막고, 연료에 의해 윤활되는 밸브와 터보펌프 베어링을 마모시킬 수 있기 때문이다. 약간 무겁거나 가벼운 획분은 윤활 능력에 영향을 미치고, 보관 및 하중 하에서 분리될 가능성이 높다. 남은 탄화수소는 C12 질량 근처에 있다. 경질 탄화수소가 부족하기 때문에 RP-1은 높은 인화점을 가지며, 휘발유보다 화재 위험이 적다.
최종 제품은 일반 케로신보다 훨씬 더 비싸다. 충분한 정제를 통해 모든 석유에서 RP-1을 생산할 수 있지만, 실제 로켓 등급 케로신은 고품질 기본 원료를 가진 소수의 유정에서 조달되거나, 인공적으로 합성될 수 있다. RP-1의 군사 사양은 MIL-R-25576에 포함되어 있으며,[5] RP-1의 화학적 및 물리적 특성은 NISTIR 6646에 설명되어 있다.[6]
러시아 및 기타 옛 소련 국가에서 사용되는 주요 로켓 케로신 제형은 T-1 및 RG-1이다. 이들의 밀도는 0.82g/mL 에서 0.85g/mL로 RP-1의 0.81g/mL보다 약간 더 높다.
4. 다른 연료와의 비교
화학적으로 탄화수소 추진제는 수소보다 질량 효율이 떨어지지만, 일반적으로 수소보다 밀도가 높고 취급이 더 용이하다.
로켓 엔진의 경우, 비추력은 다른 엔진(터빈 또는 피스톤)의 효율과 다르다. 로켓 방정식에 따라, 효율은 총 에너지가 아닌 배기 속도에서 파생된다. 따라서 낮은 분자량의 배기 가스를 위해 전체 에너지를 ''덜'' 사용하는 것이 유리할 수 있다. 즉, 화학 로켓 엔진은 비화학량론적 비율에서 최고 효율을 달성한다. 특히, 산소가 탄소나 수소보다 무겁기 때문에, 본질적으로 모든 연소 로켓 엔진은 배기 분자량을 줄이고 배기 속도를 높여 비추력(그리고 부수적으로 온도와 냉각도 감소)을 증가시키기 위해 연료가 풍부하게 작동한다.
수소 엔진은 질량당 에너지가 높고 분자량이 낮기 때문에 높은 비추력을 달성하는 반면, 케로신 엔진은 상대적으로 낮은 비추력을 가진다.
RP-1은 발사체 산업의 규모가 작기 때문에 공급 제약을 받는다. 고도로 정제된 탄화수소의 재료 가격은 다른 로켓 추진제보다 저렴하지만, RP-1 공급업체의 수는 제한되어 있다.
탄화수소 기반 연료는 수소보다 연소 시 더 많은 대기 오염을 생성한다. 탄화수소 연소는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC) 배출물을 생성하는 반면, 수소(H2)는 산소(O2)와 반응하여 물(H2O)만 생성하며, 일부 반응하지 않은 H2도 방출된다. 탄화수소 기반 연료와 수소 연료는 모두 질소 산화물(NO''x'') 오염 물질을 생성한다.
4. 1. 장점
RP-1(등유의 일종)은 화학적으로 탄화수소이기 때문에 수소보다 질량 효율은 떨어지지만, 밀도가 높고 취급이 용이하다는 장점이 있다. 밀도가 높아 연료 탱크의 크기를 줄일 수 있어 발사체 전체의 무게를 줄이는 데 기여한다.로켓 엔진의 효율은 비추력으로 나타내는데, 케로신 엔진은 비추력이 270~360초 범위인 반면, 수소 엔진은 370~465초로 더 높은 비추력을 가진다. 그러나 케로신은 밀도가 더 높고, 추력 대 중량 특성이 우수하여 발사체의 초기 단계에서 더 큰 추력을 제공하는 데 유리하다. 이러한 장점 덕분에 다단 로켓에서 1단 추진제로 케로신을 사용하고, 상단에는 비추력이 높은 수소를 사용하는 경우가 많다. 새턴 V와 아틀라스 V 로켓이 이러한 방식을 사용한 대표적인 예이다.
또한, RP-1은 극저온 연료인 액체 수소와 달리 상온에서 보관 및 취급이 용이하며, 낮은 증기압으로 인해 지상 요원의 안전을 보장한다.
4. 2. 단점
RP-1(케로신)은 수소 연료에 비해 비추력이 낮아 효율이 떨어진다. 연소 시에는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 등의 대기 오염 물질을 배출한다. 또한, 엔진 정지 시 잔류 연료가 중합되거나 탄화되어 침전물을 생성할 수 있는데, 이러한 침전물은 엔진의 성능 저하나 고장을 유발할 수 있다.RP-1은 약 1000psi 이하의 챔버 압력에서 노즐 내부와 챔버 라이너에 그을음 침전물을 생성할 수 있다. 이는 단열층 역할을 하여 열 흐름을 절반 가량으로 줄일 수 있지만, 대부분의 현대 탄화수소 엔진은 이 압력 이상으로 작동하므로 큰 영향은 없다.
4. 3. 메탄과의 비교
메탄은 수소와 RP-1 사이의 중간적인 특성을 지닌 연료로, 최근 로켓 연료로 주목받고 있다. 메탄은 RP-1보다 효율이 높고 엔진 내부에 찌꺼기(코킹/축적)가 덜 생기면서도 액체 산소와 유사하게 다루기 쉽다는 장점을 제공한다.메탄은 액체 산소와 거의 같은 방식으로 취급할 수 있어, 메탄/액체 산소(Methalox) 로켓은 케로신/액체 산소(Kerolox) 로켓만큼 다루기 쉽지만, 효율성과 청결성이 더 우수하다 (다만 수소보다는 여전히 떨어진다). 이러한 효율성과 추력 간의 균형으로 인해, 메탄은 복잡성을 줄여 경제적인 단일 연료 로켓에 더 적합하다. 따라서 스타쉽, 뉴 글렌, 벌칸의 1단계, 주췌-2 등과 같이 21세기 로켓에서 메탄/액체 산소는 케로신/액체 산소 (더 나은 효율) 및 수소/액체 산소 (더 나은 취급성)를 일부 희생하면서 인기를 얻고 있다.
메탄은 단일 탄소 원자(C1)를 가지므로 기술적으로 탄소 체인이 아니다. 메탄의 분해 생성물은 모두 기체이며, 상 분리에 대한 문제가 적고 중합 및 침전 가능성이 훨씬 적다. 그러나 메탄은 케로신이 처음 도입되었을 때의 취급 불편함을 다시 야기한다.
5. 한국과의 관계
대한민국 최초의 우주 발사체인 나로호는 1단에 RP-1과 액체 산소를 사용하는 러시아의 엔진을 사용했다.[1]
6. RP-1 유사 연료
로버트 H. 고다드의 초기 로켓은 가솔린을 사용했다.
RP-1 규격이 개발되는 동안, 로켓다인은 다이에틸 사이클로헥세인을 실험했다. RP-1보다 우수했지만, 아틀라스와 타이탄 I(RP-1을 기반으로 설계됨) 개발 전에 제형이 완성되지 않아 RP-1이 표준 탄화수소 로켓 연료가 되면서 채택되지 않았다.[9]
소련은 신틴(러시아어: синтин)이라는 더 높은 에너지 제형을 잠시 사용했는데, 이는 상단 로켓에 사용되었다. 신틴은 1-메틸-1,2-디사이클로프로필사이클로프로페인(1-methyl-1,2-dicyclopropylcyclopropane|1-메틸-1,2-디사이클로프로필사이클로프로페인영어)이다. 러시아는 또한 소유즈-2를 RP-1에서 "나프틸"[10] 또는 "나프틸"[11][12]로 전환하기 위해 노력하고 있다.
RP-1 표준 이후, RP-2가 개발되었다. 주요 차이점은 황 함량이 더 낮다는 것이다. 그러나 대부분의 사용자가 RP-1을 수용함에 따라, 더 희귀하고 더 비싼 두 번째 제형을 생산하고 비축할 유인이 거의 없었다.
OTRAG 그룹은 일반적인 혼합물을 사용하여 시험 차량을 발사했다. 적어도 한 번의 경우, 로켓은 디젤 연료로 추진되었다. 그러나 OTRAG 로켓은 궤도에 근접하지 못했다.
참조
[1]
서적
Stages to Saturn: A Technological History of the Apollo/Saturn Launch Vehicles
NASA
1996
[2]
웹사이트
ISRO Annual Report 2013-14
http://www.isro.org/[...]
2015-10-18
[3]
서적
History of Liquid Propellant Rocket Engines
https://books.google[...]
American Institute of Aeronautics and Astronautics
2006
[4]
웹사이트
Rocket Fuel Development
https://www.halterma[...]
2024-12-10
[5]
웹사이트
Basics of Space Flight: Rocket Propellants
http://www.braeunig.[...]
Braeunig.us
2012-12-11
[6]
웹사이트
Thermophysical Properties Measurements and Models for Rocket Propellant RP-1: Phase I (NISTIR 6646)
http://nvlpubs.nist.[...]
[7]
트윗
"-340 F in this case. Deep cryo increases density and amplifies rocket performance. First time anyone has gone this low for O2. [RP-1 chilled] from 70F to 20 F"
2015-12-17
[8]
웹사이트
RD-870
https://www.yuzhnoye[...]
[9]
서적
Ignition! an informal history of liquid rocket propellants
https://archive.org/[...]
Rutgers University Press
1972
[10]
웹사이트
Vostochny launches on schedule for 2017
http://russianspacew[...]
Russian Space Web
2018-02-05
[11]
뉴스
When will Russia's 1st carrier rocket firing naphthyl blast off?
http://russia-now.co[...]
2016-10-11
[12]
웹사이트
Russia completes engine tests of Soyuz rocket's second stage using new fuel
https://www.ruaviati[...]
Russian Aviation
2019-02-22
[13]
문서
Diagramm Saturn V
http://history.nasa.[...]
[14]
문서
아틀라스 미사일의 백업용으로 제작됨
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