로켓캔디

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1. 개요
2. 구성 요소
3. 제조 방법
4. 성능
5. 활용
참조

1. 개요

로켓 캔디는 연료, 산화제, 첨가제로 구성된 고체 로켓 추진제의 일종이다. 주 연료로는 설탕이 주로 사용되며, 산화제로는 질산칼륨이 가장 흔하게 사용된다. 첨가제는 연소 속도 조절, 불꽃 및 연기 색상 변화, 추진제 특성 개선 등의 역할을 한다. 로켓 캔디는 아마추어 로켓 제작에 널리 사용되었으며, '아마추어를 위한 로켓 매뉴얼'과 '로켓 보이즈'와 같은 서적에서 소개되었다. 또한, 하마스의 카삼 로켓과 같은 군사적 용도로 사용되기도 했다. 최근에는 'Sugar Shot to Space' 프로그램을 통해 우주 발사 시도가 이루어지고 있다.

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로켓캔디
일반 정보
종류	고체 로켓 추진제
성분	산화제와 연료의 혼합물
연료	일반적으로 설탕 (자당, 포도당, 소르비톨)
산화제	일반적으로 질산칼륨 (KNO₃) 또는 과염소산칼륨 (KClO₄)
기타 첨가물	때때로 첨가제를 포함하여 연소 속도, 안정성 또는 특정 색상의 화염과 연기를 생성
용도	아마추어 로켓
규제	일부 국가에서는 규제 대상

2. 구성 요소

로켓 캔디는 크게 세 가지 주요 구성 요소인 연료, 산화제, 그리고 첨가제로 나눌 수 있다. 연료는 연소하여 추력을 발생시키는 가스를 방출하는 물질이며, 산화제는 이 연소 과정에 필요한 산소를 공급한다. 첨가제는 연소 특성을 조절하거나 발사 시 시각적 효과를 더하기 위해 사용된다.

2. 1. 연료

로켓 캔디의 연료는 연소하여 노즐을 통해 빠져나가면서 추력을 제공하는 급격하게 팽창하는 가스를 방출하는 물질이다. 산화제는 연소 과정에 필요한 산소를 공급하며, 첨가제는 연소를 촉진하거나 미적인 효과를 더하는 역할을 한다.

로켓 캔디의 연료로는 다양한 종류의 당류가 사용된다. 가장 흔하게 사용되는 연료는 설탕이지만, 포도당이나 과당이 사용되기도 한다. 식품 감미료로 쓰이는 당알코올인 소르비톨은 연소 속도가 상대적으로 느리고, 추진제 입자로 만들었을 때 덜 부서지는 특성이 있다.^[5]

당류의 종류에 따라 열 안정성에 차이가 있다. 과당이나 포도당처럼 산소 이중 결합을 가진 당류는 열에 상대적으로 불안정하여 과열될 경우 캐러멜화되는 경향이 있다.^[6] 반면, 소르비톨과 같이 알코올 그룹을 가진 당류는 이러한 열 분해에 훨씬 강하다. 이 외에도 에리트리톨, 자일리톨, 락티톨, 말티톨, 만니톨 등이 연료로 사용될 수 있다.

2. 2. 산화제

산화제는 연료가 연소하는 데 필요한 산소를 공급하는 물질이다. 설탕 모터 제작에 가장 흔히 사용되는 산화제는 질산칼륨(KNO₃)이다. 질산나트륨 및 질산칼슘 질산염과 질산나트륨과 칼륨의 혼합물과 같은 다른 산화제도 사용할 수 있다.^[7] 질산칼륨(KNO₃)는 정원 용품을 취급하는 상점에서 과립형 "그루터기 제거제" 형태로 구할 수 있다. 그 외에 드물게 사용되는 산화제로는 과염소산 암모늄과 과염소산 칼륨이 있다.

질산칼륨을 사용하는 경우, 두 가지 주요 고려 사항이 있다. 첫째는 물질의 순도이다. 구입한 질산칼륨의 성능이 만족스럽지 않다면 재결정을 통해 순도를 높여야 할 수 있다. 둘째는 입자 크기이다. 대부분의 제작자는 질산칼륨(KNO₃)를 100 메쉬 (약 150μm) 이하의 미세한 입자로 분쇄하는 것을 선호한다.^[2] 이를 위해 커피 그라인더나 회전식 연마기를 사용할 수 있다.

2. 3. 첨가제

로켓 캔디는 크게 연료, 산화제, 그리고 첨가제라는 세 가지 주요 구성 요소로 나눌 수 있다. 연료는 연소하여 추력을 발생시키는 가스를 방출하는 물질이고, 산화제는 연소에 필요한 산소를 공급한다. 첨가제는 연소를 촉진하거나 효율을 높이는 촉매 역할을 하기도 하고, 발사 시 불꽃이나 연기를 더하여 시각적 효과를 주거나 로켓 추적을 용이하게 하는 등 미적인 역할을 수행하기도 한다.

첨가제는 로켓 추진제의 연소 속도를 조절하거나, 생성되는 불꽃 또는 연기의 색상을 변경하는 등 연소 특성을 바꾸기 위해 자주 사용된다. 또한, 가소제나 계면활성제처럼 추진제 자체의 물리적 특성을 변경하여 제제의 주조를 더 쉽게 만들 수도 있다. 다양한 실험적 첨가제가 있지만, 일반적으로 사용되는 주요 첨가제는 다음과 같다.

금속 산화물: 설탕 추진제의 연소 속도를 높이는 효과가 있으며, 일반적으로 1~5% 수준에서 가장 효과적이다.^[5] 가장 흔하게 사용되는 것은 산화철인데, 특히 적색 산화철(III)은 황색, 갈색, 흑색 형태보다 구하기 쉬워 자주 쓰인다. 갈색 산화철은 압력이 가해졌을 때 연소 속도를 특이하게 가속하는 특성을 보인다.
탄소: 숯, 카본 블랙, 흑연 등의 형태로 존재하며, 연료로 사용되기도 하지만 주로 소량이 첨가되어 눈에 보이는 연기 궤적을 만드는 불투명제로 쓰인다. 탄소는 열 흡수재 역할을 하여 연소열 일부가 모터 케이스로 빠르게 전달되는 것을 막고 추진제 내에 머무르게 한다.
금속 연료 관련 첨가제: 알루미늄이나 마그네슘과 같은 금속 연료를 설탕 제제에 사용할 경우, 산화제에 미량의 산이 존재하면 위험할 수 있다. 산성 물질은 금속과 쉽게 반응하여 수소 가스와 열을 발생시키기 때문이다. 약염기를 첨가하면 이러한 산성 물질을 중화하여 위험을 크게 줄일 수 있다.
티타늄: 금속 플레이크나 스펀지 형태(약 20 메쉬 크기)로 5~10% 수준에서 첨가되며, 이륙 시 화려한 불꽃과 연기를 생성하는 데 사용된다.^[6]
계면활성제: 설탕 추진제를 녹일 때 점도를 낮추는 데 사용된다. 예를 들어, 프로필렌 글리콜은 수크로스 기반 추진제의 용융 점도를 낮추는 데 도움을 준다.^[5]

3. 제조 방법

설탕 기반 로켓 추진제를 준비하는 데에는 여러 가지 방법이 있다. 주요 방법으로는 건식 압축, 건식 가열, 그리고 용해 및 가열 방식이 있다. 뒤의 두 가지 방법은 추진제를 가열하는 과정을 포함한다.

건식 압축: 설탕과 질산 칼륨을 각각 곱게 분쇄한 후 볼 밀 등을 이용해 균일하게 섞어 압축하는 방식이다. 안전상의 이유로 신중한 접근이 필요하다.
건식 가열: 질산 칼륨 가루와 가루 설탕을 섞은 뒤 가열하여 설탕을 녹여 질산 칼륨 입자를 코팅하는 방식이다. 비교적 일반적이고 안전한 방법으로 알려져 있다.
용해 및 가열: 질산 칼륨과 설탕을 물에 완전히 녹인 후 가열하여 물을 증발시키고 두 성분을 결합시키는 방식이다.^[8]^[2] 재료를 미리 분쇄할 필요가 없는 등의 장점이 있다.

각 방식은 고유한 장단점과 준비 과정을 가지고 있으며, 자세한 내용은 각 하위 문단에서 설명한다.

3. 1. 건식 압축

건식 압축 방식은 설탕과 질산 칼륨을 각각 아주 곱게 가루로 만든 후, 볼 밀이나 텀블 피니싱 기계로 균일하게 섞는 방법이다. 이렇게 만들어진 혼합물은 로켓 모터 등의 통 안에 압축하여 채우는데, 이는 과거 머스킷 소총에 흑색 화약을 채우던 방식과 유사하다. 그러나 이 방법은 위험성이 높아 실제 로켓 실험에는 거의 사용되지 않으며, 적용하기 전에 안전 문제를 신중하게 고려해야 한다.

3. 2. 건식 가열

설탕 기반 로켓 추진제를 준비하는 방법 중 하나로, 비교적 일반적이고 안전한 방식으로 알려진 것은 건식 가열이다. 이 방법은 먼저 질산칼륨(KNO₃)을 고운 가루 형태로 만들고, 이를 가루 설탕과 완전히 섞은 뒤 가열하는 과정을 포함한다. 실제로 질산칼륨 자체는 녹지 않는데, KNO₃의 녹는점은 323°C로 매우 높기 때문이다. 대신 설탕이 녹으면서 질산칼륨 입자를 감싸 코팅하는 방식으로 혼합물이 만들어진다.

건식 가열 방식의 대안적인 접근법도 존재한다. 예를 들어, 'Sugar Shot to Space' 프로젝트의 릭 마섹(Rick Maschek)은 질산칼륨을 분쇄하지 않고 소르비톨을 연료로 사용했다. 이 방식은 추진제를 주형에 부을 수 있을 정도로 점도를 낮추는 장점이 있다. 혼합물을 녹이는 과정에서는 열 확산기를 사용하는 것이 중요한데, 이는 특정 부분이 과열되어 저절로 불이 붙는 현상(자동 점화 핫 스팟)을 방지하기 위함이다.

3. 3. 용해 및 가열

제임스 욘(James Yawn)은 용해 및 가열 방식을 지지한다.^[8] 이 방법은 추진제의 두 가지 성분인 질산칼륨(KNO₃)과 설탕을 모두 용해시킨 후 가열하여 결합시키는 방식이다. 먼저, KNO₃와 설탕을 냄비나 소스팬에 넣는다. 그 다음, 두 성분을 완전히 녹일 수 있을 만큼 충분한 물을 추가한다. 이 혼합물을 가열하여 물이 모두 증발할 때까지 끓인다. 혼합물은 몇 가지 단계를 거치는데, 처음에는 끓어오르다가 거품이 생기고 튀기 시작하며, 나중에는 점성이 있는 부드럽고 크림 같은 상태가 된다.

설탕과 KNO₃를 가열하기 전에 물에 녹이는 방식에는 몇 가지 장점이 있다.^[2] 첫째, KNO₃와 설탕이 물에 완전히 녹기 때문에 미리 곱게 갈아둘 필요가 없다. 둘째, 비교적 낮은 온도에서 준비할 수 있으며, 계속 저어줄 필요성도 줄어든다. 또한, 이 방법은 완성된 추진제가 냄비 속에서 캐러멜화되는 것을 막아주어, 로켓 모터에 채워 넣을 시간을 더 확보할 수 있게 해준다.

하지만 몇 가지 단점도 존재한다. 이 방식으로 만든 추진제는 다른 방식에 비해 다소 점성이 높다. 따라서 혼합물을 틀에 부을 수 없고 긁어서 넣어야 하며, 건식 가열 방식으로 만든 추진제만큼 묽게 만들기는 어렵다.

4. 성능

설탕을 기반으로 하는 로켓 추진제는 평균 비추력이 114초에서 130초이다. 이는 APCP의 평균 비추력인 180초에서 260초와 비교된다.

각 설탕 종류별 추진제의 성능은 다음과 같다.

설탕 종류	평균 비추력	비고
솔비톨 + KNO₃ (35:65 비율)	110 ~ 125초	첨가제를 사용하면 최대 128초까지 기록되었다.^[6]
자일리톨 + KNO₃	약 100초	비제한 연소 속도는 약 1.3 mm/s이다.
덱스트로스 + KNO₃	137초	^[9]

전반적으로 볼 때, 설탕 로켓의 성능 특성은 전문적인 등급의 추진제 성능에 가깝다.

5. 활용

로켓 캔디는 비교적 만들기 쉽고 저렴하여 다양한 분야에서 활용되어 왔다. 특히 아마추어 로켓 분야에서 널리 사용되었으며, 관련 서적과 로켓 보이즈 같은 작품을 통해 대중에게 알려졌다.

그러나 때로는 하마스가 이스라엘 공격에 사용한 카삼 로켓처럼 조잡한 무기 제작에 악용되기도 하였다.^[10]

한편, Sugar Shot to Space (SS2S) 프로그램과 같이 로켓 캔디를 이용하여 우주 공간 진입에 도전하는 등 긍정적인 연구 개발 노력도 이어지고 있다.^[11]

5. 1. 아마추어 로켓

로켓 캔디는 1960년에 출판된 버트런드 R. 브린리의 아마추어 로켓 관련 저서인 ''아마추어를 위한 로켓 매뉴얼''(Rocket Manual for Amateurs)에서 대중화된 용어인 "캐러멜 캔디"라고도 불린다. 이 추진제는 호머 히컴의 베스트셀러 회고록인 ''로켓 보이즈''에 묘사된 일부 아마추어 로켓에 사용되었다.

로켓 캔디는 또한 1958년 7월부터 여러 호에 걸쳐 게재된 Lt. Col. 찰스 M. 파킨의 긴 ''일렉트로닉스 일러스트레이티드'' 기사에서 설명된 소형 아마추어 로켓에도 사용되었다. 파킨은 녹는 작업을 위한 열원으로 전기 프라이팬을 사용하여 추진제 혼합물을 준비하는 방법을 설명했다. 이 기사는 1959년에 출판된 파킨의 저서 ''아마추어를 위한 로켓 핸드북''(The Rocket Handbook for Amateurs)에 재수록되었다. 파킨의 기사는 1950년대 후반과 1960년대 초부터 아마추어 로켓 그룹 사이에서 로켓 캔디 추진제의 인기를 높이는 데 기여했다.

설탕 연료 로켓은 2000-2003년 동안 하마스에 의한 이스라엘 공격과 같이 조잡한 형태의 전쟁 무기로 사용되기도 했다.^[10]

Sugar Shot to Space 프로그램(SS2S)은 "‘설탕 추진제’로 구동되는 로켓을 100km 고도에 해당하는 우주로 발사하는 것"을 목표로 결성되었다.^[11] ''Double Sugar Shot'' 로켓은 33km 또는 목표 고도의 3분의 1에 도달할 것으로 예상되었다.^[11] 첫 번째 ''Mini Sugar Shot'' 로켓은 ''Extreme Sugar Shot'' 로켓의 단일 단계 이중 펄스 설계 모터 프로토타입으로, 치명적인 모터 오작동이 발생하기 전에 4km 고도에 도달했다. 두 번째 ''Mini Sugar Shot'' 로켓과의 통신은 거의 6km 고도에서 마하 1 이상으로 비행하면서 손실되었다. 2017년 SS2S 팀의 릭 마첵과 크리스 코바니는 150mm 질산칼륨 소르비톨 추진 로켓을 마하 2.5 이상으로 성공적으로 발사했으며, 같은 해 릭과 SS2S 팀의 에릭 벡너가 Friends of Amateur Rocketry(FAR) 시설에서 가장 큰 '설탕' 모터인 두 개의 성공적인 300mm KNSB 모터 정적 모터 테스트 중 첫 번째를 수행하여 대형 '설탕' 모터를 만들 수 있음을 보여주었다. 현재 일반적인 2단계 로켓 설계로 계획된 ''Extreme Sugar Shot'' 로켓은 우주 진입 목표를 달성할 것으로 예상되지만 아직 완성되지 않았다.^[11]

5. 2. 군사적 이용 (비판적 관점)

로켓 캔디와 같은 설탕 기반 연료는 비교적 만들기 쉽다는 특성 때문에, 때로는 분쟁 지역에서 조잡한 형태의 무기로 사용되기도 한다. 대표적인 예로 2000년부터 2003년 사이 하마스가 이스라엘을 공격할 때 사용한 카삼 로켓을 들 수 있다.^[10] 이는 아마추어 수준의 기술이더라도 파괴적인 목적으로 악용될 수 있음을 보여주는 사례이다.

5. 3. 우주 개발 시도 (Sugar Shot to Space)

Sugar Shot to Space (SS2S) 프로그램은 "설탕 추진제"로 구동되는 로켓을 100km 고도, 즉 우주 공간까지 발사하는 것을 목표로 결성되었다.^[11] 초기 모델인 ''Double Sugar Shot'' 로켓은 목표 고도의 약 3분의 1인 33km에 도달할 것으로 예상되었다.^[11]

프로그램의 일환으로 개발된 ''Extreme Sugar Shot'' 로켓의 단일 단계 이중 펄스 설계 모터 프로토타입인 ''Mini Sugar Shot'' 로켓은 두 차례 발사되었다. 첫 번째 로켓은 4km 고도에 도달했으나, 이후 치명적인 모터 오작동이 발생했다. 두 번째 로켓은 6km에 가까운 고도에서 마하 1 이상의 속도로 비행하던 중 통신이 두절되었다.

2017년에는 SS2S 팀의 릭 마첵(Rick Maschek)과 크리스 코바니(Chris Kobanis)가 150mm 질산칼륨-소르비톨(KNSB) 추진 로켓을 마하 2.5 이상으로 성공적으로 발사하는 성과를 거두었다. 같은 해, 릭 마첵과 팀의 에릭 벡너(Eric Beckner)는 Friends of Amateur Rocketry(FAR) 시설에서 300mm KNSB 모터의 정적 연소 시험을 두 차례 성공적으로 수행하며, 대형 설탕 연료 모터 제작의 가능성을 입증했다.

현재 일반적인 2단계 로켓 설계로 계획 중인 ''Extreme Sugar Shot'' 로켓은 최종적으로 우주 진입 목표를 달성할 것으로 기대되지만, 아직 완성되지는 않았다(2019년 6월 기준).^[11]

참조

_[1] 웹사이트 Richard Nakka's Experimental Rocketry Web Site http://www.nakka-roc[...] 2015-11-19
_[2] 웹사이트 Jacob's Rocketry http://www.jacobsroc[...]
_[3] 웹사이트 ATFE Annual List of Explosive Materials https://www.govinfo.[...]
_[4] 웹사이트 Who needs a Federal explosives license or permit? Bureau of Alcohol, Tobacco, Firearms and Explosives https://www.atf.gov/[...] 2023-08-27
_[5] 웹사이트 Propellants - The Potassium Nitrate/Sorbitol Propellant (KNSB) - Introduction http://www.nakka-roc[...]
_[6] 웹사이트 Sugar Fuels http://www.ajolleypl[...]
_[7] 웹사이트 Serge's Rocket Workshop http://66.163.168.22[...]
_[8] 웹사이트 James Yawn Rocketry http://www.jamesyawn[...]
_[9] 웹사이트 Richard Nakka's Experimental Rocketry Site https://www.nakka-ro[...]
_[10] 웹사이트 AP_Sugar_Fueled_Rockets_Hamas https://apnews.com/a[...] 2021-05-20
_[11] 웹사이트 Sugar Shot to Space Project http://www.sugar-sho[...]

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