추진제
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1. 개요
추진제는 로켓 엔진, 화기, 에어로졸 용기 등에서 사용되며, 추력을 발생시키거나 내용물을 분사하는 데 사용되는 물질을 통칭한다. 로켓 추진제는 로켓 엔진에서 추력을 발생시키는 반작용 물질로, 고체, 액체, 기체, 플라스마 등 다양한 형태로 존재하며, 화학 반응, 전기 에너지, 핵반응, 또는 광자를 이용하여 활성화된다. 화기 추진제는 총기나 화포의 탄환 발사에 사용되는 화약 등이 있으며, 에어로졸 용기 추진제는 스프레이 캔과 같은 용기에서 내용물을 분사하는 고압 기체로, 압축 가스, 액화 가스, 또는 특정 화학 물질을 사용한다.
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| 추진제 | |
|---|---|
| 추진제 | |
| 정의 | 추진력을 발생시키는 데 사용되는 화학 물질이다. |
| 구성 요소 | |
| 일반적인 추진제 | 산화제 환원제 |
| 단일 추진제 | 스스로 분해하여 추력을 생성하는 화학 물질. |
| 이원 추진제 | 두 가지 이상의 물질이 혼합되어 추력을 생성하는 화학 물질. |
| 유형 | |
| 액체 추진제 | 액체 상태의 추진제. |
| 고체 추진제 | 고체 상태의 추진제. |
| 하이브리드 추진제 | 액체와 고체 추진제의 조합. |
| 모노 추진제 | 단일 성분으로 구성된 추진제. |
| 응용 | |
| 주요 용도 | 로켓 미사일 항공기 인공위성 |
| 기타 응용 | 추진 장치 화약 에어로졸 |
| 특징 | |
| 성능 | 비추력, 밀도, 연소율 등이 중요한 요소이다. |
| 안정성 | 안전한 취급 및 저장이 요구된다. |
| 독성 | 추진제 자체와 연소 생성물의 독성을 고려해야 한다. |
| 추가 정보 | |
| 추진제 연소 과정 | 추진제는 산화제와 환원제의 반응을 통해 에너지를 생성하고 추력을 만든다. |
| 연구 개발 | 높은 성능과 친환경적인 추진제 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. |
2. 로켓 추진제
로켓 추진제는 로켓 엔진에서 추력을 발생시켜 로켓을 전진시키는 반작용 물질이다. 뉴턴의 운동 제3법칙에 따라 추진제를 배출하는 엔진을 반응 엔진이라고 한다. "추진제"라는 용어는 화학 로켓 설계에서 연료와 추진제를 합쳐서 지칭하는 경우가 많지만, 추진제는 엔진이 추진제를 배출하는 데 필요한 에너지를 생성하는 데 사용되는 연료와는 다른 개념이다.
화학 로켓과 항공기에서는 연료를 사용하여 에너지가 넘치는 기체를 생성하고, 이를 노즐을 통해 배출하여 추력을 생성한다. 로켓에서는 로켓 연료의 연소로 배기가스가 생성되며, 배출된 물질은 일반적으로 압력을 받아 노즐을 통해 추진제로 배출된다. 배출 물질은 기체, 액체, 플라스마, 또는 고체일 수 있다.
전기 추진 우주선에서는 추진제를 가속하는 데 전기가 사용된다. 정전기력을 사용하여 양이온을 배출하거나, 로렌츠 힘을 사용하여 음이온과 전자를 추진제로 배출할 수 있다.
광자 로켓은 추력을 생성하기 위해 광자의 상대론적 운동량을 사용한다. 광자는 질량이 없지만, 상대론적 속도(즉, 광속)로 이동하기 때문에 추진제 역할을 할 수 있다.
대부분의 추진제는 저장을 위해 고체 또는 액체로 저장된다.
2. 1. 화학 추진제
화학 추진제는 화학 반응을 통해 에너지를 생성하고, 이를 유체의 움직임으로 변환하여 추진력을 얻는 방식이다. 현재 주로 사용되는 화학 로켓은 연료를 반응시켜 "연소 잔류물"(배기가스)을 배출하여 추진력을 얻는다. 엄밀하게는 이 배기가스가 추진제이지만, 연료 자체를 추진제라고 부르는 경우가 많다. 연료를 산화제와 산화되는 물질로 나누어, 산화되는 쪽만을 "연료"라고 할 때, "추진제"는 산화제와 연료의 총칭으로 사용되기도 한다.[1]고체 추진제는 과염소산암모늄, 질산암모늄 등의 고체 산화제와 HTPB 등의 합성 고무, 분말 금속 연료(알루미늄)를 혼합하여 만든다. 액체 추진제 로켓은 액체 산소, 등유, 액체 수소 등의 연료와 산화제를 각각 탱크에 저장했다가 연소실로 공급하여 연소시켜 추력을 얻는다.
2. 1. 1. 고체 추진제
복합 추진제는 과염소산암모늄이나 질산암모늄과 같은 고체 산화제와 HTPB 등의 합성 고무, 분말 금속 연료(알루미늄)를 혼합하여 만든다.[1][2] 일부 아마추어 로켓 추진제는 질산칼륨과 설탕, 에폭시 수지 등을 사용하며, 과염소산칼륨은 아스팔트, 에폭시 수지 및 기타 결합제와 함께 산화제로 사용되었다.2. 1. 2. 액체 추진제
액체 추진제 로켓은 액체 산소, 등유, 액체 수소 등의 연료와 산화제를 각각 탱크에 저장했다가 연소실로 공급하여 연소시켜 추력을 얻는 방식이다.[3][4][5]로켓에서는 주로 다음과 같은 세 가지 주요 액체 이원추진제 조합이 사용된다.[3]
- 극저온 산소와 수소, 극저온 산소와 탄화수소, 그리고 저장 가능한 추진제:
- 극저온 산소-수소 조합 시스템: 우주 발사 시스템의 상단부와 때때로 부스터 단계에서 사용된다. 이것은 비독성 조합이다. 높은 비추력을 제공하며 고속 임무에 이상적이다.
- 극저온 산소-탄화수소 추진제 시스템: 많은 우주 발사체의 부스터 단계뿐만 아니라 소수의 2단에도 사용된다. 이 연료/산화제 조합은 밀도가 높으므로 더욱 소형화된 부스터 설계가 가능하다.
- 저장 가능한 추진제 조합: 거의 모든 이원추진제 저추력, 보조 또는 반응 제어 로켓 엔진뿐만 아니라 탄도 미사일의 1단과 2단의 일부 대형 로켓 엔진에도 사용된다. 즉시 시동이 가능하며 장기간 저장에 적합하다.
액체 추진제 로켓에 사용되는 추진제 조합은 다음과 같다.
| 추진제 조합 |
|---|
| 액체 산소와 액체 수소[4] |
| 액체 산소와 등유 또는 RP-1[5] |
| 액체 산소와 에탄올 |
| 액체 산소와 메탄 |
| 과산화수소와 위에서 언급한 알코올 또는 RP-1 |
| 적연산화질산(RFNA)과 등유 또는 RP-1 |
| RFNA와 비대칭 디메틸히드라진(UDMH) |
| 사산화이질소와 UDMH, MMH 및/또는 히드라진 |
액체 로켓 엔진에 사용되는 일반적인 단일 추진제는 다음과 같다.
| 단일 추진제 |
|---|
| 과산화수소 |
| 히드라진 |
| 적연산화질산(RFNA) |
2. 2. 전기 추진제
전기 추진은 원자 이온, 플라스마, 전자, 작은 방울, 고체 입자 등 다양한 종류의 이온화된 추진제를 사용한다.[6] 페트병 로켓의 물처럼 순수한 "추진제"도 있지만, 화학 로켓에서는 주로 연료의 연소 후 배기가스를 추진제로 사용하며, 연료 자체를 추진제라고 부르기도 한다.2. 2. 1. 정전기 추진
가속이 주로 쿨롱 힘(가속 방향으로 정전기장을 가하는 것)에 의해 발생하는 경우, 장치는 정전기식으로 간주된다. 정전기식 추진기의 종류와 추진제는 다음과 같다.- 격자형 이온 추진기 – 전기적으로 충전된 격자에 의해 가속되는 양이온을 추진제로 사용
- * NSTAR – 고전압 전극을 사용하여 양이온을 가속
- * HiPEP – 마이크로파를 사용하여 생성된 양이온을 추진제로 사용
- * 무선주파수 이온 추진기 – HiPEP의 일반화
- 홀 효과 추진기(정지 플라즈마 추진기(SPT) 및 양극층 추진기(TAL) 하위 유형 포함) – 홀 효과를 사용하여 전자를 배향하여 추진제를 위한 양이온을 생성
- 콜로이드 이온 추진기 – 추진제로 액체 염의 작은 방울을 정전기적으로 가속
- 전계 방출 전기 추진 – 전극을 사용하여 이온화된 액체 금속을 추진제로 가속
- 나노입자 전계 추출 추진기 – 대전된 원통형 탄소 나노튜브를 추진제로 사용
2. 2. 2. 전열 추진
전자기장을 이용하여 추진제로 사용되는 플라스마를 생성하는 엔진이다. 에너지를 받은 추진제는 노즐을 통해 방향이 제어된다. 노즐 자체는 단순한 자기장으로 구성될 수 있다. 이러한 시스템에는 저분자량 기체(예: 수소, 헬륨, 암모니아)가 추진제로 선호된다.[6]- 저항제트 로켓 – 일반적으로 불활성 압축 추진제를 사용하며, 단순한 저항 가열을 통해 에너지를 공급받는다.
- 아크제트 로켓 – 일반적으로 히드라진 또는 암모니아를 추진제로 사용하며, 전기 아크를 이용하여 에너지를 공급받는다.
- 마이크로파 전열 추진기 – 고주파 이온 추진기의 한 종류이다.
- 가변 비추력 자기 플라스마 로켓(VASIMR) – 마이크로파로 생성된 플라스마를 추진제로 사용하며, 자기장을 이용하여 배출 방향을 제어한다.
2. 2. 3. 전자기 추진
전자기 추진기는 이온을 추진제로 사용하며, 전기로 생성된 로런츠 힘 또는 자기장에 의해 가속된다.- 전극 없는 플라즈마 추진기 – 폰데로모티브 힘에 의해 가속되는 추진제로 냉 플라즈마를 사용하는 복잡한 시스템이다.
- 자기 플라즈마 역학 추진기 – 제논, 네온, 아르곤, 수소, 히드라진 또는 리튬을 포함한 추진제를 로런츠 힘을 사용하여 배출한다.
- 펄스 유도 추진기 – 이 반응 엔진은 방사형 자기장을 사용하기 때문에 양전하와 음전하 입자 모두에 작용하므로 물, 히드라진, 암모니아, 아르곤, 제논 및 기타 여러 가지 기체를 추진제로 사용할 수 있다.
- 펄스 플라즈마 추진기 – 전기 아크에 의해 생성되고 로런츠 힘을 사용하여 배출되는 테플론 플라즈마를 추진제로 사용한다.
- 헬리콘 이중층 추진기 – 플라즈마 추진제는 기체로부터 생성되고, 고주파 대역의 전파에 의해 유도된 헬리콘에 의해 여기되어 원통형 자기 노즐을 형성한다.
2. 3. 핵 추진
핵반응은 추진제를 배출하기 위한 에너지를 생산하는 데 사용될 수 있다. 여러 유형의 원자로가 전기 추진을 위해 전기를 생산하는 데 사용되거나 제안되었다. 핵 펄스 추진은 일련의 핵폭발을 사용하여 막대한 양의 에너지를 생성하여 핵반응의 생성물을 추진제로 배출한다. 핵열 로켓은 핵반응의 열을 이용하여 추진제를 가열한다. 일반적으로 추진제는 수소인데, 그 이유는 힘이 추진제의 질량에 관계없이 에너지의 함수이기 때문에 가장 가벼운 추진제(수소)가 가장 큰 비추력을 생성하기 때문이다.2. 4. 광자 추진
광자 반응 엔진은 광자를 추진제로 사용하며, 광자의 이산적인 상대론적 에너지를 이용하여 추력을 생성한다.3. 화기 추진제
4. 에어로졸 용기 추진제
압축유체 추진제는 화학 반응이 아닌 압축기로 물리적으로 가압된다. 클로로플루오로카본(CFCs)은 한때 추진제로 널리 사용되었으나,[7] 1989년 몬트리올 의정서 발효 이후 지구 오존층에 미치는 부정적 영향으로 인해 거의 모든 국가에서 사용이 줄었다. CFCs의 가장 일반적인 대체제는 프로판, n-부탄, 이소부탄과 같은 휘발성 탄화수소 혼합물이다.[8] 디메틸 에테르(DME)와 메틸 에틸 에테르도 사용되지만, 모두 가연성이라는 단점이 있다.
아산화질소와 이산화탄소는 휘핑크림, 조리용 스프레이 등 식품을 분사하는 추진제로 사용된다. 천식 흡입기와 같은 의료용 에어로졸은 수소불화알칸(HFA)을 사용하며, HFA 134a(1,1,1,2-테트라플루오로에탄), HFA 227(1,1,1,2,3,3,3-헵타플루오로프로판), 또는 이 둘의 조합을 사용한다. 최근에는 증기압이 낮고, 지구온난화지수(GWP)가 낮으며, 불연성인 액체 수소불화올레핀(HFO) 추진제가 에어로졸 시스템에서 더 널리 채택되고 있다.[9]
액화 가스 추진제는 다양한 종류의 운반체를 가능하게 한다. 에어로졸 스프레이는 페인트, 윤활유, 세척제, 보호 코팅제, 방취제 및 기타 개인 위생 용품, 조리용 오일 등 액체를 분무 형태로 분사한다. 휘핑크림이나 면도크림 또는 면도젤과 같이 추진제 압력이 낮거나 운반체의 점도가 높은 경우 일부 액체 운반체는 분무되지 않는다. BB탄총, 페인트볼 건, 에어소프트건과 같은 저출력 총기는 고체 발사체 운반체를 사용한다.
4. 1. 압축 가스 추진제
압력 세척 및 에어브러싱과 같이 많은 양의 추진제가 사용되는 응용 분야에서는 압축기로 공기를 압축하여 즉시 사용할 수 있다. 또한, 분무기, 식물 분무기 및 물 로켓과 같은 저기술 응용 분야에서는 공기를 압축하는 핸드 펌프를 단순성 때문에 사용할 수 있다. 이러한 시스템의 가장 간단한 예로 케첩과 샴푸와 같은 액체를 위한 스퀴즈 병이 있다.[10][11]그러나 압축 가스는 저장 용기 내부에서 액화되지 않는 경우 저장된 추진제로는 비실용적이다. 상당한 양의 가스를 저장하려면 매우 높은 압력이 필요하고, 고압 가스 용기와 압력 조정기는 비싸고 무겁기 때문이다.[10][11]
참조
[1]
논문
Nitro-Substituted Bishomocubanes: Synthesis, Characterization, and Application as Energetic Materials
2014-12
[2]
논문
Synthesis and energetic properties of high-nitrogen substituted bishomocubanes
http://uu.diva-porta[...]
2015
[3]
서적
Rocket Propulsion Elements
Willey
[4]
뉴스
New F-1B rocket engine upgrades Apollo-era design with 1.8 M lbs of thrust
https://arstechnica.[...]
2013-04-15
[5]
뉴스
New F-1B rocket engine upgrades Apollo-era design with 1.8 M lbs of thrust
https://arstechnica.[...]
2013-04-15
[6]
웹사이트
Native Electric Propulsion Engines Today
http://novosti-kosmo[...]
Novosti Kosmonavtiki
[7]
간행물
Fires Halted Quickly by "Lazy" Freon Gas
https://books.google[...]
Hearst Magazines
2019-06-07
[8]
논문
Global emissions of VOCs from compressed aerosol products
https://eprints.whit[...]
2021-04-22
[9]
웹사이트
Solstice® Propellant Technical Bulletin
https://prod-edam.ho[...]
2017
[10]
웹사이트
propellant
https://eow.alc.co.j[...]
알크
2018-12-17
[11]
웹사이트
プロペラント
2020-07-11
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