에너지 화학 | 로켓 추진제 - 1부

 

 

 

로켓 추진 시스템에 사용되는 산화제와 환원제

로켓 엔진에서는 열이 방출되는 발열 반응의 화학 반응이 일어난다. 이 반응열은 기체 반응 생성물을 팽창시킨다. 기체가 뜨거울수록 팽창력이 커지는 것은 모든 기체들이 가지고 있는 기본적인 성질이다. 이처럼 뜨거운 기체 생성물을 생성시키는 모든 화학 반응들은 로켓의 추진 시스템에 사용될 수 있다. 핵 반응로에서 나오는 열도 역시 기체를 뜨겁게 할 수 있기 때문에 사용할 수 있지만 이 분야의 것은 여기서 언급하지 않겠다. 일반적으로 로켓 추진 시스템은 산화제와 환원제를 필요로 한다. 액체 연료를 사용한다면 보통 산화제와 환원제는 점화하기 전까지 안전을 위해서 각각 다른 용기에 따로 저장한다(그림 1 참조)

 

그림 1 연료 저장 탱크와 로켓 엔진의 기본적인 구조

 

1932년 이태리인 루이기 크로코는 니트로글리세린과 같은 화합물을 가지고 실험하였는데, 이 화합물은 분자 내에서 산화제와 환원제 역할을 모두 할 수 있다. 그러나 니트로글리세린과 같은 한 성분만의 화합물을 추진기관에 사용하면 점화시 실험용 로켓을 쉽게 파괴한다. 그러므로 이를 로켓의 추진제로 사용하는 것은 상당히 위험하다는 것을 먼저 알고 사용해야 한다.

 

표 1 로케트 추진시스템에 사용되는 산화제와 환원제

산 화 제	환 원 제
산소, O2	수소, H2
불소, F2	히드라진, N2H4
사산화이질소, N2O4	등유, CH1.98(대략)
이불화산소, OF2	디보란, B2H6
삼불화염소, ClF3	펜타보란, B5H9
질산, HNO3	에탄올, C2H5OH
삼불화질소, NF3	아세틸렌(C2H5), 메틸히드라진(CH3NHNH2)
과염소산알루미늄	비대칭 디메틸히드라진((CH3)2NHNH2), 알루미늄 분말(Al)

※ 이 표에 실린 모든 물질은 고체인 과염소산 알루미늄과 알루미늄분말을 제외하고는 모두 액체임.

 

로켓 추진제는 폭발력을 충분히 이용할 수 있으면서도 폭발력을 통제할 수 있어야 한다는 양면성을 갖추어야 한다. [표 1]는 산화제와 환원제가 서로 짝지워져서 로켓 추진제로 사용할 수 있는 것들을 나타낸 것이다.

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로켓 추진 시스템

모든 로켓 추진제의 반응은 많은 양의 열과 기체 상태의 생성물을 방출한다. 어떤 액체 추진제는 접촉과 동시에 점화되는 재미있는 성질을 갖고 있다. 이러한 성질을 가진 액체를 접촉 발화성(hypergolic) 액체라고 부른다. 이러한 접촉발화성 액체를 사용하면 로켓 엔진에 발화 장치를 부착시킬 필요가 없고, 액체를 함께 뽑아 올리기만 하면 간단히 점화된다. 가능한 반응들을 [표 2]에서 볼 수 있다.

 

표 2 로케트 추진 시스템

2H2 + O2 → 2H2O + 3.8kcal	우주왕복선에 사용됨. 접촉발화가 아님
2N2H4 + N2O4 → 4H2O + 3N2 + 1.9kcal	우주왕복선에서 고도조정용 로케트에 쓰이고 일부 군사용 로케트의 주엔진에 쓰임. 접촉발화
CH3NHNH2 + 1.25N2O4 → CO2 + 3H2O + 2.25N2 + 2.2kcal	고도조정 로케트에 쓰임. 접촉발화
C2H5OH + 3.5O2 → CO2 + H2O + 1.6kcal	독일의 V-2 로케트에 쓰임. 접촉발화가 아님

 

로켓 추진기관에 사용되는 화학물질을 선택하는데 있어서 중요한 다른 요소는 반응물과 연소 생성물 모두에 대한 물리적 성질의 적합성과 독성이 작아야 한다는 것이다. 일반적으로 상온에서 액체이고 독성이 작은 물질이 우선적으로 선택된다. 그러나 이러한 물질은 많지 않으므로 계속 연구해야 될 과제이다. [표 2]에 열거된 물질 가운데 에탄올만이 상온에서 액체이고 독성 기준을 만족시킨다.

 

 

 

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