하이브리드 로켓

3. 구조

가장 단순한 형태의 하이브리드 로켓은 액체 산화제를 담는 압력 용기(탱크), 고체 로켓 추진제를 담는 연소실, 그리고 이 둘을 분리하는 기계 장치로 구성된다. 추력이 필요할 때, 적절한 점화원을 연소실에 넣고 밸브를 연다. 액체 산화제(또는 기체)는 연소실로 흘러 들어가 기화된 후 고체 추진제와 반응한다. 연소는 고체 추진제의 표면에 인접한 경계층 확산 화염에서 발생한다.^[57][58][61]

일반적으로 액체 추진제는 산화제이고 고체 추진제는 연료인데, 이는 고체 산화제가 극도로 위험하고 액체 산화제보다 성능이 낮기 때문이다. 또한, 하이드록실-종단 폴리부타디엔(HTPB) 또는 파라핀 왁스와 같은 고체 연료를 사용하면 알루미늄, 리튬, 또는 금속 수소화물과 같은 고에너지 연료 첨가제를 포함할 수 있다.

하이브리드 로켓은 액체 추진제가 담긴 압력 용기(탱크)와 고체 연료가 채워진 연소실로 구성되며, 밸브를 통해 이 둘은 분리되어 있다. 추력이 필요할 때는 밸브를 열어 연소실 내에 액체 추진제를 공급하고, 점화 장치를 사용하여 점화한다. 연소 중에는 액체(또는 기체)가 연소실 내로 흘러 들어가 증발하여 고체 추진제와 반응한다. 연소 발생으로 인해 인접한 고체 연료 표면에 경계층 불꽃이 번진다.

4. 연소

하이브리드 로켓의 연소는 고체 연료 표면의 경계층에서 확산 화염 형태로 일어난다. 연료 후퇴율은 산화제 질량 유속에 따라 달라지는데, 이는 연료가 타는 속도가 포트를 통과하는 산화제의 양에 비례한다는 것을 의미한다. 이는 고체 로켓 모터와는 다르며, 고체 로켓 모터의 후퇴율은 모터의 연소실 압력에 비례한다.^[5]

:$\backslash dot\{r\}=a\_oG^n\_o$

:여기서 $\backslash dot\{r\}$은 후퇴율, $a\_o$는 후퇴율 계수(입자 길이를 포함), $G\_o$는 산화제 질량 유속, $n$은 후퇴율 지수이다.^[5]

모터가 연소됨에 따라 연료 포트의 직경이 증가하여 연료 질량 유량이 증가한다. 이 현상은 연소 중에 산화제 대 연료비(O/F)가 변동하게 만든다. 증가된 연료 질량 유량은 산화제 질량 유량도 증가시켜 보상할 수 있다. O/F는 시간에 따라 변할 뿐만 아니라 연료 입자 아래 위치에 따라서도 변한다. 연료 입자의 상단에 가까울수록 O/F 비율이 높다. O/F가 포트 아래로 변하므로, 화학량론적 지점이라고 하는 지점이 입자 아래 어딘가에 존재할 수 있다.^[5]

하이브리드 로켓은 연소가 진행됨에 따라 연소실 내의 포트(통로)가 넓어져, 완전히 반응하지 않고 포트를 통과해 버리는 산화제가 증가하는 경향이 있다(이것을 O/F 시프트라고 부른다). 따라서 많은 하이브리드 로켓 시스템에서는 연소가 진행될수록 산화제 과잉이 되어 평균 비추력이 저하된다.

연소 속도가 낮은 연료의 경우 여러 개의 구멍이 뚫린 멀티 포트 연료를 사용한다(연근을 상상하면 이해하기 쉽다). 다만, 멀티 포트 연료는 체적 효율이 낮고, 구조가 복잡해져 난이도가 높다. 1990년대 말에 개발된 연소 속도가 빠르고 액화하기 쉬운 연료를 이용함으로써 이 문제를 해결할 가능성이 있다.^[62]

적절하게 설계된 하이브리드 로켓은 O/F 시프트의 영향이 매우 작아, 비추력이 O/F비의 피크에 관계없이 대체로 일정하게 된다.

5. 추진제

일반적으로 하이브리드 로켓은 액체 산화제와 고체 연료를 사용한다. 이는 고체 산화제가 극도로 위험하고 액체 산화제보다 성능이 낮기 때문이다.^[5]

알루미늄, 리튬, 수소 저장 합금과 같은 금속 첨가제를 연료에 추가하여 로켓의 성능을 향상시킬 수 있다.^[5]

5. 1. 연료

• 비추력 향상이 용이하다 - 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 베릴륨과 같은 반응성이 높은 금속을 첨가하거나, 더 나아가 이러한 금속에 수소를 흡장시킴으로써 비교적 용이하게 비추력을 높일 수 있다.

5. 2. 산화제

• 기체 또는 액체 산소
• 아산화 질소
• 과산화 수소

6. 장점

하이브리드 로켓은 액체 연료 로켓 및 고체 연료 로켓에 비해 여러 장점을 가진다.

• 비추력이 높다: 연소 생성물의 분자량이 고체 연료 로켓의 연소 생성물보다 작아 이론적으로 높은 비추력을 얻을 수 있다. 금속화된 연료를 사용한 하이브리드 로켓에서는 400초라는 높은 비추력이 측정되기도 했다.^[57]
• 폭발 위험이 낮다: 추진제가 제조 시의 균열과 같은 불량을 어느 정도 허용하기 때문에 폭발 위험이 낮다.
• 제어성이 좋다: 시동, 정지, 재시동이 용이하며, 산화제의 공급량만 변경하여 출력을 조정할 수 있다.
• 저독성이다: 액체 산소나 아산화 질소와 같은 독성이 없는 산화제를 사용할 수 있다.
• 취급이 용이하다: 현장에서 발사 전에 원격 조작으로 산화제를 충전하면 되므로, 발사장까지 안전한 상태로 수송할 수 있다.
• 추진제가 저렴하다: 제조에 위험하고 유독한 특수 원료를 사용하는 고체 추진제에 비해 비교적 저렴한 원료를 연료, 산화제로 사용할 수 있다.

6. 1. 액체 로켓 대비

• 기계적 단순성: 하이브리드 로켓은 단일 액체 추진제만 필요로 하므로 배관이 줄어들고, 밸브 수가 감소하며, 작동이 간단하다.^[58][61] 액체 로켓에 비해 구조가 간단하여 고장 가능성이 낮다.
• 연료 밀도: 고체 상의 연료는 일반적으로 액체상의 연료보다 밀도가 높아 전체 시스템 부피를 줄인다. 이는 로켓의 크기를 줄이고 효율성을 높이는 데 기여한다.
• 금속 첨가제: 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 베릴륨과 같은 반응성 금속을 연료 입자에 쉽게 포함시켜 비추력($I\_\{sp\}$)과 밀도 또는 둘 다를 증가시킬 수 있다.^[57] 이러한 금속 첨가제는 연소 효율을 높여 로켓의 성능을 향상시킨다.
• 연소 불안정성: 하이브리드 로켓은 고체 연료 입자가 음파를 분해하기 때문에 액체 로켓에서 발생하는 고주파 연소 불안정성을 나타내지 않는다. 이는 로켓의 안정적인 작동을 보장한다.
• 추진제 가압: 액체 로켓 설계에서 가장 어려운 부분 중 하나는 터보펌프이다. 터보펌프 설계는 매우 복잡하다. 하이브리드 로켓은 이동해야 하는 유체가 훨씬 적고, 블로우다운 시스템(액체 로켓에서는 지나치게 무거울 것임) 또는 자체 가압 산화제(예: N₂O)로 가압될 수 있다.
• 제어성: 복잡한 절차 없이도 시동, 정지, 재시동이 용이하며, 산화제 공급량만 변경하여 출력을 조정할 수 있다.
• 저독성: 액체 산소나 아산화 질소와 같이 독성이 없는 산화제를 사용할 수 있다.
• 취급 용이성: 현장에서 발사 전에 원격 조작으로 산화제를 충전하면 되므로, 발사장까지 안전한 상태로 수송할 수 있다.
• 저렴한 추진제: 제조에 위험하고 유독한 특수 원료를 사용하는 고체 추진제에 비해 비교적 저렴한 원료를 연료, 산화제로 사용할 수 있다.

6. 2. 고체 로켓 대비

• 높은 이론적 비추력: 자주 사용되는 액체 산화제에 비해 알려진 고체 산화제의 한계 때문에 가능하다. 연소 생성물의 분자량이 고체 연료 로켓의 연소 생성물보다 작아 이론적으로 높은 비추력을 얻을 수 있다.^[57]
• 폭발 위험 감소: 추진제는 가공 오류에 더 관대하며, 유전 하전으로 점화될 수 없고, 열로 인한 자동 점화에 매우 둔감하다. 산화제와 연료를 분리하여 보관한 상태로 발사 현장으로 운송할 수 있어 안전성이 향상된다.
• 취급 및 보관 문제 감소: 고체 로켓의 구성 요소는 종종 화학적 및 열적으로 호환되지 않아 곡물의 변형을 일으킬 수 있다. 하이브리드 로켓은 이러한 문제가 적다.
• 제어 가능: 정지/재시동 및 스로틀링은 대부분 설계에 쉽게 통합될 수 있다. 고체 로켓은 쉽게 차단되는 경우가 드물고 스로틀링 또는 재시동 기능을 거의 갖추지 못한다.
• 비추력 향상 용이: 알루미늄, 마그네슘, 리튬, 베릴륨과 같은 반응성이 높은 금속을 첨가하거나, 더 나아가 이러한 금속에 수소를 흡장시킴으로써 비교적 쉽게 비추력을 높일 수 있다.
• 저독성: 액체 산소나 아산화 질소와 같은 독성이 없는 산화제를 사용할 수 있다.
• 취급 용이: 현장에서 발사 전에 원격 조작으로 산화제를 충전하면 되므로, 발사장까지 안전한 상태로 수송할 수 있다.
• 추진제 저렴: 제조에 위험하고 유독한 특수 원료를 사용하는 고체 추진제에 비해 비교적 저렴한 원료를 연료, 산화제로 사용할 수 있다.

7. 단점

하이브리드 로켓은 액체 및 고체 로켓에 비해 몇 가지 단점을 보인다.

• 산화제/연료 비율 변화(O/F shift): 산화제 유량이 일정할 때, 연료 생성 속도와 산화제 유량 비율은 연료가 연소됨에 따라 변한다. 이는 화학적 성능 관점에서 최적점을 벗어난 작동으로 이어진다. 그러나 잘 설계된 하이브리드의 경우, 비추력($I\_\{sp\}$)이 최적점 근처에서 O/F 변화에 둔감하기 때문에 O/F 변화는 성능에 매우 작은 영향을 미친다.
• 낮은 연료 후퇴율: 다중 포트 연료를 사용하게 하는데, 이는 부피 효율이 낮고 구조적 결함을 유발할 수 있다. 1990년대 후반에 개발된 높은 후퇴율의 액화 연료는 이 문제에 대한 잠재적인 해결책을 제공한다.^[12]
• 재급유의 어려움: 액체 추진 방식과 비교했을 때, 부분 또는 전체 소모된 하이브리드 로켓의 재급유는 고체 추진제를 연료 탱크로 단순히 펌핑할 수 없기 때문에 어렵다.
• 대형화의 어려움: 제곱 세제곱 법칙에 의해 크기를 2배로 하면 부피와 무게는 8배가 되지만, 연소 단면적은 4배밖에 되지 않아 단위 무게당 연소 가스 생성량이 1/2이 되어 상대적으로 추력이 부족하다. 고체 연료 로켓은 연소 속도를 빠르게 한 조성을 가진 고체 추진제를 사용해 이 문제를 극복하지만, 하이브리드 로켓은 연소 속도를 빠르게 하는 수단이 제한되어 대형화가 어렵다.^[58][61]

8. 안전성

일반적으로 잘 설계되고 신중하게 제작된 하이브리드 로켓은 매우 안전하다. 하이브리드 로켓과 관련된 주요 위험은 다음과 같다.

• '''압력 용기 파손''' – 연소실 단열재 고장으로 인해 연소실 벽 근처에 뜨거운 연소 가스가 유입되어 용기가 파열되는 "번스루(burn-through)"가 발생할 수 있다.^[58]
• '''블로우 백''' – 아산화 질소 또는 과산화 수소와 같이 발열적으로 분해되는 산화제의 경우, 연소실의 화염 또는 고온 가스가 인젝터를 통해 다시 전달되어 산화제가 기화되고 연료가 풍부한 고온 가스와 혼합되어 탱크 폭발로 이어질 수 있다. 블로우 백은 불안정한 연소 기간 동안 발생할 수 있는 압력 강하 부족으로 인해 가스가 인젝터를 통해 다시 흐르도록 요구한다. 블로우 백은 특정 산화제에 내재되어 있으며, 산소 또는 사산화 질소와 같은 산화제에서는 산화제 탱크에 연료가 존재하지 않는 한 불가능하다.^[58]
• '''하드 스타트''' – 점화 전에 연소실에 과도한 산화제가 있는 경우, 특히 아산화 질소와 같은 단일 추진제의 경우 점화 시 일시적인 과압 또는 "스파이크"가 발생할 수 있다.^[58]

9. 하이브리드 로켓 개발 현황

1998년 스페이스데브는 아메리칸 로켓 컴퍼니의 하이브리드 로켓 관련 지적 재산을 인수하여 스페이스십원에 사용된 말단 수산기 폴리부타디엔(HTPB)과 액체 아산화 질소(N₂O)를 사용하는 하이브리드 로켓을 개발했다. 시에라 네바다 코퍼레이션(SNC)은 드림체이서 개발을 위해 스페이스데브와 오비탈 테크놀로지스사를 인수했으나, 2014년 하이브리드 로켓 대신 액체 추진 시스템으로 변경했다.^[63]

Space Propulsion Group은 액화 진행률이 높은 하이브리드 로켓 연료를 개발하기 위해 설립되었고, 반동 연구 학회(RRS)는 하이브리드 로켓 추진 연구 개발에 오랜 역사를 가지고 있다. 코펜하겐 서브오비탈스는 아산화 질소와 액체 산소를 산화제로, 에폭시, 파라핀, 폴리에틸렌을 연료로 사용하는 하이브리드 엔진을 설계 및 시험했다.^[64] 브라질, 루마니아 등에서도 과산화 수소를 산화제로 사용하는 하이브리드 로켓 개발이 검토되었다.^[65][66][67]

9. 1. 기업

9. 2. 대학교

• 아키타 대학교 이노베이션 창출 종합 연구 기구 아키타 우주 개발 연구소는 하이브리드 로켓 개발을 진행하고 있으며, 일본 대학 중 최대급 하이브리드 로켓용 발사대를 보유하고 있다.^[70]

• 수도 대학 도쿄는 2001년에 일본 최초의 하이브리드 로켓 발사에 성공^[71], 2011년에 다단식 하이브리드 로켓의 개념 설계를 검토했다.^[72][73]

• 도카이 대학교는 2005년에 마이크로 왁스와 아산화 질소를 사용한 하이브리드 로켓을 발사했다.^[74]

• 무로란 공업대학에서 하이브리드 로켓 개발이 진행되고 있다.^[75]

• 와카야마 대학교는 와카야마 대학교 우주 개발 프로젝트(WSP)와 우주 교육 연구소가 하이브리드 로켓 개발을 진행한다.^[76]

• 2015년 3월 7일, UHA 미각당, 아키타 대학, 와카야마 대학, 국립 천문대 등으로 구성된 "Candy Rocket Project 실행 위원회"는 연료로 캔디를 사용한 하이브리드 로켓 발사에 성공했다.^[77]

• 가나가와 대학교 공학부 및 우주 로켓부는 초소형 하이브리드 로켓 발사 실험을 하고 있으며, 2017년에는 고도 4,779m에 도달했다.^[78][79]

9. 3. 고출력 로켓

• HyperTek
• RATTWorks
• Skyripper Systems
• West Coast Hybrids
• Contrail Rockets
• Propulsion Polymers

10. 대중문화

MythBusters의 2005년 10월 26일 방영된 "남부 연합 로켓" 에피소드에서는 액체 아산화 질소와 파라핀 왁스를 사용하는 하이브리드 로켓 엔진이 등장했다.^[56] 이 에피소드에서는 미국 남북 전쟁 당시 남부 연합군이 이러한 유형의 로켓을 제작할 수 있었다는 속설을 다루었다. 이 속설은 고체 연료로 속을 파낸 건조 살라미를 사용한 ''살라미 로켓'' 에피소드에서 다시 다루어졌다.

2007년 2월 18일 ''탑 기어'' 에피소드에서 리처드 해먼드와 제임스 메이는 일반 K-reg 로빈을 재사용 가능한 우주 왕복선으로 개조하려는 시도를 했다. 전문 무선 조종 항공기 조종사인 스티브 홀랜드는 해먼드가 로빈을 안전하게 착륙시키는 방법을 연구하는 것을 도왔다. 이 우주선은 영국 로켓 협회(UKRA)의 고위 회원들이 제작했으며 성공적인 발사를 거쳐 몇 초 동안 공중으로 날아올랐고, 고체 연료 로켓 부스터를 제시간에 성공적으로 분리했다. 이는 유럽에서 정부가 아닌 단체에서 발사한 가장 큰 로켓이었다. 이 로켓은 Contrail Rockets에서 제작한 6개의 40960 NS O 모터를 사용하여 최대 8톤의 추력을 냈다. 그러나 로빈과 외부 연료 탱크 사이의 폭발 볼트 결함으로 인해 자동차가 대형 외부 연료 탱크에서 분리되지 못했고, 로빈은 결국 지면으로 추락한 후 곧 폭발하는 것처럼 보였다. 이 폭발 장면은 극적인 효과를 위해 추가되었는데, 리라이언트 로빈이나 하이브리드 로켓 엔진은 묘사된 방식으로는 폭발하지 않기 때문이다.

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