이원영 기자
우주선에 사용되는 로켓 엔진 연소실에선 가스가 3200도까지 가열되는 경우가 있다. 엔진이 제대로 작동하려면 이런 고온이 필요한 만큼 많은 재료 융점을 넘는 고온을 견디기 위해 여러 궁리가 도입되고 있다.
로켓 엔진 챔버 상부에는 인젝터가 있어 연료와 산화제를 고압으로 챔버내에 공급하고 있다. 챔버로 전달되는 연료와 산화제는 혼합되어 발화, 연소하며 엄청난 에너지를 생성한다. 하지만 아무런 궁리도 하지 않으면 금속 챔버 벽면은 녹아 버린다.
먼저 방열판. 옵션 중 하나는 챔버 벽을 두껍게 하는 것이다. 두꺼운 벽은 방열판 역할을 하며 고온 가스가 금속층을 녹이기 전에 전체 온도를 낮춘다. 하지만 로켓을 만들 때 경량화가 중요해지기 때문에 무거운 금속 벽을 어디까지나 두껍게 할 수는 없다. 또 모든 금속은 융점을 맞이하면 녹아버리기 때문에 여기까지 장시간 사용에는 적합하지 않다. 이 때문에 히트싱크는 단시간만 동작하는 조종용 스러스터라면 이용 가능하지만 몇 분에 걸쳐 계속 움지기는 주 추진엔진에는 적합하지 않다.
다음은 연료와 산화제 비율. 또 다른 옵션은 연료와 산화제 비율을 조정해 배기 온도를 낮추는 것이다. 연료와 산화제 전량이 완전하게 반응하는 비율이라면 가능하면 최대한 열이 방출되게 되어 최대 출력을 요구하는 경우에는 좋은 결과라고 할 수 있지만 열을 억제하고 싶은 경우에는 맞지 않는다.
다음은 어블레이티브 냉각. 어블레이티브 냉각은 대기권에 재돌입하는 우주선이 이용하는 차열판과 같은 기화열을 이용하는 방법이다. 높은 융점을 가진 탄소 복합 재료를 이용한 차열판은 고온이 되면 층이 녹아 열을 빼앗아 우주선 내부까지 고열이 침투하는 걸 방지한다. 로켓 엔진의 경우 챔버와 노즐 벽 내부에 탄소 복합재료 층이 제공된다.
하지만 이 방법으로 냉각된 엔진은 재사용할 수 없는 등 문제가 알려져 있다. 유명한 예로 아폴로 계획에서 우주비행사를 지구로 되돌아오게 해준 엔진은 월면에서 실제로 사용될 때까지 테스트를 할 수 없었다.
다음은 재생 냉각. 액체 연료 로켓 엔진의 경우 재생 냉각이라는 방법을 이용한다. 이 방법은 추진제를 챔버와 노즐 벽면 내부를 통해서 인젝터를 경유해 챔버에 보내는 것으로 로켓 엔진에 관한 큰 브레이크스루가 된다. 재생 냉각 과제 중 하나는 벽 내부 압력을 챔버 내 압력보다 높게 할 필요가 있다는 것이다. 하지만 좁은 벽 내부를 고압으로 설정하면 누출이 발생할 수 있다.
재생 냉각에 이은 방법으로는 챔버와 노즐 내부와 벽 사이에 유체를 주입해 고온 가스와 벽 사이에 경계를 만드는 필름 냉각이 알려져 있다. 가장 간단한 방법은 인젝터 외주 연료 또는 산화제 농도를 높여 챔버 내에는 연료가 풍부하기 때문에 일반적으로 연료가 사용된다. 이 방법이라면 반응에 필요한 산화제를 얻을 수 없는 연료가 외주를 흘러 액체로부터 기체로 상변화해 열을 흡수한다.
그 밖에 스페이스X가 사용하고 있는 마린(Marlin) 엔진이나 로켓랩의 러더포드(Ratherford) 엔진은 금속 부분으로부터 열을 우주에 방사한다. 이는 태양이 진공을 통해 열을 전달하는 것과 유사한 방법이다. 이들 노즐 확장은 보통 니오븀(niobium) 합금 같은 높은 열 부하를 견디는 얇은 금속으로 만들어진다.
하지만 너무 얇은 탓에 깨지기 쉬운 단점이 있다. 또 니오븀은 산소와의 반응성이 높기 때문에 이런 엔진은 현실적으로는 진공 환경 하에서만 작동할 수 있어 제조할 때 복잡한 작업이 필요하다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.
정용환 기자
