[우주기술] 액체로켓의 문제점, 그리고 그 해결책(냉각법)

우리나라의 두번째 우주발사체
누리호 발사가 올해 10월에 예정돼 있습니다.

나로호 때의 기억을 되살려보면
로켓이 발사될 때
백색의 연기가 솓구쳐오르는 것을 알 수 있습니다.

이는 연료가 타는 연기 뿐 아니라
로켓의 화염으로부터 발사대를 보호하기 위해
1초 당 수백l로 방사되는 물이
열기에 의해 증발되는 수증기인데요.

https://youtu.be/RZqYctjqokc

특히 누리호 같은 액체로켓의 노즐은
천도 이상의 온도를 견뎌야 하기에
내열성이 강한 재료의 사용이 필요합니다.
보통은 구리와 스테인리스 SUS의
적절한 합성재료를 사용하죠.

그런데 이보다 더 큰 문제가 있습니다.
바로 액체로켓의 연소실 냉각 문제인데요.
누리호의 추진제인 케로신과 액체산소는
로켓엔진의 연소실에서 만나 연소되는데,
연소되는 연료의 온도는 3000℃가 넘습니다.
노즐보다 더 높은 온도죠.

이러한 연소실 냉각의 문제점은
1926년, 미국에서
가솔린과 액체산소를 추진제로 사용한
세계 최초의 액체로켓을
발사할 때부터 가장 큰 문제였습니다.

이 문제를 어떻게 해결했을까요?
지금부터 3가지로 정리해 알아보겠습니다.

1. 막 냉각법

세계 최초의 액체로켓 발사에 성공한
미국의 고다드 박사는
연소실 안으로 추진제가 분사될 때
연소실 벽으로 연료를 다량 분사해
열이 연소실 밖으로 전달되는 것을
방지했습니다.
하지만 벽으로 분사된 연료의 일부는
연소실 벽을 타고 곧장 내려가버려서
불이 붙지 않고 버려지므로
연료의 낭비가 심한 냉각법입니다.

a) 막 냉각법

2. 리델냉각법

1930년대 독일,
클라우스리델은 연소실을
달걀 모양의 물통에 집어 넣어
식히는 방법을 연구합니다.
이러한 아이디어이 착안하여
물통 대신, 연료로 사용하는 에틸알코올에
직접 물을 섞어 연소실을 냉각하는
'리델냉각법'을 고안합니다.



위 2가지 아이디어는
유명한 액체로켓인 독일 V-2의 엔진을
냉각하는 방법으로 사용됩니다.
세계 최초의 탄도미사일이자
25년 앞서간 기술로 평가되는 V-2는
65초라는 긴 연소시간을 버텨야 했습니다.
그래서 연료량의 25%나 되는 많은 물을 넣고
연료 중 일부를 연소실 주위로 보내
엔진을 식혔습니다.
동시에 연소실 벽 안쪽에 작은 구멍을 뚫고
구멍을 통해 연료를 분사시켜
연소실 내부에 보호막을 형성하는
막냉각법을 함께 사용합니다.

그럼에도 냉각을 위해 버려지는 연료가 많았고,
결국 더 강력하고 효율적인 로켓을 만들기 위해서는
발전된 엔진 냉각법이 필요했습니다.
그리고 이는 20세기 당시 두 패권국 중심의
냉전시대를 동반한 우주개발 경쟁을 통해
급격히 발전되기 시작합니다.

3. 재생냉각법

이 시기에는 연소실 벽에
매우 가느다란 관을 연결하거나
이중으로 관을 만들고,
그 사이에 연료나 산화제가
지나다니는 길을 내어
열을 식히는 방법을 사용했습니다.

이전의 냉각법과 가장 큰 차이는
냉각에 사용된 연료를 버리지 않고
연소실로 다시 분사, 연소시켜
연료의 낭비를 줄이고
추진력을 증가시킬 수 있었습니다.



최근의 액체로켓엔진들은
대부분 재생냉각법과 막냉각법을
함께 채택하여 개발하고 있습니다.

폭탄먼지벌레는 100도가 넘는 가스를
방어수단으로 사용합니다.
이 원리가 액체로켓과 아주 유사한데요.
피조물에 담긴 놀라운 지혜들이
세상을 회복시키는
과학기술로 발현되길 바라면서,

온 세상이 본연의 모습으로 회복되는 그 날까지
우리의 소망은 끝없이 펼쳐집니다.