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발사체 포커스

로켓엔진에 바람을 불어넣는다?

  • 이름 : 관리자
  • 작성일 : 2018-07-04
  • 조회수 : 638

연료와 산화제가 만나 강력한 폭발로 추진력을 만들어내는 로켓 엔진.
그런데 로켓 엔진에 불을 붙이기 전 꼭 필요한 작업이 있습니다. 바로 엔진에 바람을 불어 넣어주는 작업입니다. 로켓 엔진에 왜 바람이 필요할까요?




한국형발사체 75톤급 엔진 연소 시험 장면




퍼지(purge) - ⓥ 제거하다, 없애다

‘퍼지’라는 단어가 있습니다. ‘제거하다’,‘몰아내다’라는 뜻을 가진 단어인데요.
로켓 엔진에 바람을 불어넣는 작업을 보통 ‘퍼지(purge)’라고 합니다. 이때 불어주는 바람은 ‘불활성가스’(unreactive gas)입니다. 불활성가스는 다른 물질과 화학반응을 일으키기 어려운 가스를 말하는데요. 엔진에 불을 붙이기 전, 퍼지를 통해 불활성가스를 엔진에 불어넣어 산화제 배관, 연료 배관, 연소실에 있는 기체 및 이물질을 밀어내야 합니다. 단어 뜻 그대로 공기를 제거, 몰아내는 작업이지요. 다시 말하면 한 공간을 가득 차고 있는 기체나 유체를 불활성가스로 치환하는 작업입니다.
엔진에 불을 붙이려면 어차피 공기가 필요한데, 왜 이런 작업이 필요할까요?


부드러운 시동을 위한 사전 작업, 퍼지

강력한 연소가 일어나는 연소실에선 산화제와 연료가 흘러들어오기 직전 ‘점화제’ 밸브를 열어주는데요. 이 점화제는 ‘접촉발화성’을 가진 액체 상태의 물질로, 공기(또는 산소, 대기 중 공기의 산소)를 만나면 바로 불이 붙는 특성을 가지고 있습니다.
정해진 순서대로 산화제와 연료가 흘러들어오기 전 산소가 연소실에 있게 되면 불이 붙어야 하는 시점보다 먼저 점화가 됩니다. 그렇게 되면 산화제와 연료가 연소실로 들어가며 계획했던 것보다 더 강력한 폭발이 발생해 엔진에 손상이 갈 수 있습니다. 예상한 순서대로, 부드러운 시동이 아닌 예상하지 못한 ‘딱딱한 시동’(Hard Starter)이 발생하게 되면 엔진이 폭발하기도 합니다.

또한 퍼지를 통해 산화제 배관이나 연료 배관에 들어있던 각종 이물질들도 제거할 수 있는데요. 고압으로 연소실에 공급되어야 하는 산화제나 연료가 배관의 이물질로 인해 압력 흐름이 떨어지게 되면 엔진의 추력이 떨어지게 되는데, 퍼지를 통해 이를 사전에 방지할 수 있습니다.

주연소실뿐만 아니라 가스발생기에서도 퍼지 작업은 필요합니다. 터보펌프를 구동하기 위한 터빈을 고압의 가스로 돌리는데 필요한 부품이 가스발생기인데요. 가스발생기 또한 작은 연소실이 있기 때문에, 연소 전 퍼지 작업은 필수입니다.







터보펌프에도 필요한 퍼지

연료와 산화제를 고압으로 연소실까지 공급해주는 터보펌프에도 퍼지가 필요합니다. 한국형발사체의 경우 연료펌프와 산화제펌프가 한 축에 위치해있는데요. 이 축은 고속으로 회전하고 있기 때문에 완전한 기밀이 불가능합니다. 행여 새어 나온 산화제와 연료가 만나면 예기치 않은 사고가 발생할 수 있는 겁니다. 그렇기 때문에 연료펌프와 산화제 펌프 사이에 IPS(Inter Propellant Seal)란 공간을 만들어 이 공간에 불활성가스를 불어넣습니다. 새어 나온 산화제나 연료를 불활성가스로 불어 내 로켓 밖으로 배출해내는 것이지요.


연소 종료 시에도 필요한 퍼지

로켓 엔진의 연소가 종료될 때에도 퍼지가 필요합니다. 엔진 작동 시 가장 위험한 순간이 처음 불이 붙는 순간이라면, 그다음 위험한 순간은 엔진의 연소가 종료되는 시점입니다. 연소가 끝난 후 불꽃이 순간적으로 역류해 다시 불이 붙게 되면 남은 임무를 수행해야 하는 로켓 기체에 영향을 주어 의도한 대로 임무를 수행할 수 없을 가능성이 높아지게 됩니다. 이를 방지하기 위해 연소실에 다시 불활성가스를 불어넣어 연소실에 산화제와 연료가 유입되는 것을 막아주는 것이죠.


퍼지엔 어떤 가스가?

앞서 설명해드렸던 것처럼 퍼지에 사용되는 가스는 불활성가스입니다.
대부분의 불활성가스들은 원소 주기율표의 맨 오른쪽에 위치해 있습니다. 헬륨, 네온, 아르곤, 크립톤, 제논 등이 있는데, 이 기체들은 가격이 비쌉니다. 이에, 공기의 79%를 차지하고 있는 질소를 사용을 많이 합니다. 질소는 앞서 말한 가스들보다는 아주 약간 불활성이지만, 그래도 퍼지 가스의 역할은 충분히 할 수 있습니다.

로켓에 사용되는 퍼지 가스는 대표적으로 질소와 헬륨이 있는데요. 질소는 비행용 로켓에선 잘 사용하지 않습니다. 헬륨에 비해 질소가 3배 이상 무겁기 때문이지요. 그래서 비행용 로켓의 퍼지를 위해선 헬륨을 많이 사용합니다. 퍼지를 위한 헬륨 탱크는 보통 추진제 탱크 아래, 연소기 위 공간에 자리 잡고 있습니다. 로켓의 몸무게를 줄여야 함에도 헬륨 탱크를 위한 공간이 따로 마련된다는 것은 그만큼 퍼지가 중요하다는 것을 의미합니다.




원소 주기율표. 불활성가스는 맨 오른쪽에 위치해 있다.


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