로켓 추진제의 성질
[표 1]에서는 일반적인 로켓 연료로서 이들의 바람직하지 않은 성질을 나타내었다. 로켓 엔진은 밖으로의 흐름을 조절하는 노즐을 갖도록 설계되었고, 반응 기체는 이 노즐을 통해 빠른 속도로 흘러서 압력이 낮은 곳으로 팽창하게 된다.
표 1 몇 가지 로케트 추진제의 성질
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화 합 물 |
끓는점(℃) |
특 성 |
|
불소 |
-188 |
반응성이 매우 크고 유독하다. 연소에 의해 생성된 불화 수소도 역시 매우 유독하다. 액체 불소는 저온액체로서 다루어야 한다. |
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산소 |
-183 |
반응성이 매우 크지만 불소보다는 작다. 액체산소도 역시 저온액체이다. |
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사산화질소 |
21.2 |
반응성이 매우 크고 유독하다. 끓는점이 낮기 때문에 취급하기가 어려운 액체이다. |
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수소 |
-252.8 |
인화성이 매우 크다. 저온액체로서 다루어야만 한다. 접촉에 의해 몇 가지 금속을 깨어지게 한다. |
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히드라진 |
113.5 |
인화성이 있고 유독하다. 금속염과 같은 촉매와 접촉하면 불안정해질 수 있다. |
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비대칭 디메틸히드라진 |
63 |
인화성이 있고 유독하다. |
로켓 엔진의 추진력은 일차적으로 압력을 일으키는 화학 반응의 반응열과 기체 생성물 그리고 노즐의 구조에 달려 있다. 간단히 말해서 로켓 기술자는 가능하다면 가장 높은 온도와 가장 빠른 연소 속도를 얻으려고 한다. 얻을 수 있는 가장 높은 온도는 반응물의 성질과 연소 과정에서 생기는 고온에 로켓 엔진이 견딜 수 있는가에 의하여 결정된다. 많은 양의 연료를 로켓 엔진 연소실에 넣어줄수록 보통 더 높은 온도를 얻을 수 있지만, 반응에 의하여 생성되는 기체가 밖으로 방출되어 열 에너지를 빼앗아간다. 만일 노즐의 연소 기체 흐름을 너무 제한하게 되면 로켓 엔진이 녹아버릴 수도 있다.
로켓 엔진의 성능을 알기 위해서 비역적(specific impulse)을 측정한다. 비역적은 매 초당 연소된 연료의 무게 단위로 얻어진 로켓의 추진력을 말한다. 흔히 로켓 설계자는 여러 가지 이유 때문에 엔진의 출력을 감추려고 한다.
산소와 불소를 산화제로 쓸 때 액체 연료의 비역적 값
[표 2]에서 액체산소와 액체불소를 산화제로 사용했을 때 몇 가지 액체 추진제의 최대 비역적을 볼 수 있다. [표 2]을 보면 불소가 산소보다 분명히 더 좋은 산화제이고 아세틸렌을 제외한 거의 모든 연료에 대해 비역적이 크다는 것을 알 수 있다. 그러나 불소는 안전하게 다루는 것이 거의 불가능하며 매우 유독하기 때문에 연료로 사용하는데는 문제점이 있다.
불소는 피부와 접촉하면 인체 조직을 파괴하고, 대부분의 금속과 반응하며 어떤 경우에는 폭팔적으로 반응한다. 가장 중요한 것으로는 수소의 산화에 의해 생성되는 불화 수소가 부식성이 매우 크고 유독한 화합물이라는 점이다. 따라서 큰 에너지를 내는 불소-수소 추진 시스템은 보다 큰 에너지를 얻을 수 있지만, 안전 문제 때문에 활용되지 못하고 대신 산소를 사용하게 되었다.
표 2 산소와 불소를 산화제로 쓸 때 몇몇 액체 연료의 비역적 값
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연 료 |
산 소 |
불 소 |
||
|
Tc(K)* |
비역적(초) |
Tc(K)* |
비역적(초) |
|
|
수소, H2 |
2980 |
391 |
4117 |
410 |
|
디보란, B2H6 |
3846 |
344 |
4934 |
371 |
|
아세틸렌, C2H2 |
4172 |
327 |
3967 |
325 |
|
히드라진, N2H4 |
3410 |
313 |
4687 |
360 |
|
메틸히드라진, CH3NHNH2 |
3581 |
311 |
4419 |
345 |
|
비대칭 메틸히드라진(CH3)2NHNH2 |
3623 |
310 |
4183 |
338 |
|
등유, 대략 CH1.95 |
3687 |
301 |
3917 |
317 |
|
암모니아, NH3 |
3104 |
295 |
4576 |
358 |
|
에탄올, C2H5OH |
3467 |
287 |
4184 |
330 |
※ Tc는 로케트 기관 내에서의 연소 온도임.
연소 과정에서 나오는 열 에너지는 연소에 의해 생성된 분자들의 운동 에너지를 증가시킨다. 이러한 분자의 운동 에너지는 1/2mv2(m:질량, v:속도)로 표시되기 때문에 분자량이 작은 연소 생성물이 더 큰 속도로 연소실에서 밀려나갈 것이다. 이때 뉴톤의 제 3운동 법칙에 의하면, 모든 운동에는 꼭 같은 반대 방향의 운동이 있기 때문에 기체가 노즐을 빠져나갈 때 로켓 엔진은 반대 방향으로 움직여 가게 된다.
실제로 수소-산소 추진 시스템은 수소와 산소를 화학량론적 비율과 다른 비율로 섞어 사용함으로써 추진력을 극대화시킬 수 있다. 즉 다음 반응에서 요구되는 비율 대신에 최대의 비역적을 내는 실제 비율은 4kg 수소에 대한 16kg의 산소이다. 이것은 수소가 모두 연소하기에 산소가 충분하지 않다는 것을 의미한다. 16kg의 산소에 의해 단지 2kg의 수소만이 연소할 수 있다.
연소에 의해 물만이 생성된다고 가정하면 연소되지 않은 수소 때문에 전체 평균 분자량이 18이 아니라 약 10으로 낮아진다. 크기가 큰 수소-산소 로켓 엔진의 연소 생성물은 물과 수소 분자가 1 : 1 비율인 혼합물이다. 평균 분자량이 줄어든다는 것은 로켓 엔진에서 방출되는 연소 기체의 속도가 빨라진다는 것을 의미하고 따라서 로켓이 더 큰 추진력을 내게 된다.
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