[2017 UGRP 우수 연구] ‘시간에 따른 후퇴율 측정을 위한 PE-GOX 하이브리드 로켓 엔진 디자인’

[편집장 주]

‘2017 UGRP 우수 연구’ 시리즈는 학부생과 대중에게 UGRP 연구를 쉽게 풀어 전달하기 위해 기획되었다. UGRP는 Undergraduate Group Research Project의 약자로 3학년, 4학년 학생들이 자율적으로 연구하는 융복합대학 교과목이다. 기자가 연구보고서와 논문을 분석해 비전공자도 UGRP 연구과정과 결과를 보다 쉽게 이해할 수 있게 도와주는데 목적이 있다. 

2017 UGRP 학술기사 시리즈의 첫 번째 주제는 ‘시간에 따른 후퇴율 측정을 위한 PE-GOX 하이브리드 로켓 엔진 디자인’이다. 이 주제는 2017 UGRP 최우수 과제상을 수상했으며, 장영실 코스 주제이다.

정세주, 김두희, 서정연, 여윤권 학생(’15)이 참여한 UGRP팀(이하 로켓팀)의 2017년도 연구 주제는 ‘시간에 따른 후퇴율 측정을 위한 PE-GOX 하이브리드 로켓 엔진 디자인’이었다. 하지만 로켓팀은 이 주제를 선행연구로 삼아 추가적인 연구를 할 계획을 하고 있다. 로켓팀의 최종 목표는 ‘탐사로켓 임무수행 구간 증대를 위한 고체 램제트 엔진 개발’이다.

실제로 제작한 SRM을 들고 찍은 로켓팀 팀원들 <제공 = 정세주 학생>

로켓은 추진체 종류에 따라 3가지로 분류할 수 있다. ▲ SRM^[각주:1] (Solid-propellant Rocket Motor) 고체연료로켓모터 ▲ LRE^[각주:2] (Liquid Rocket Engine) 액체연료로켓엔진 ▲ HRE^[각주:3] (Hybrid Rocket Engine) 하이브리드로켓엔진 이다. 또한, 공기가 있는 곳에서 사용되는 엔진은 공기 유입 방식에 따라 ▲ 제트엔진 과 ▲ 램제트 엔진으로 분류한다.

램제트엔진은 제트엔진의 한 종류로 공기가 있는 곳에서만 사용할 수 있다. 제트 엔진은 팬으로 공기를 빨아들여 압축한다. 제트 엔진 속 압축된 공기에 연료를 태워 급격하게 팽창시킨 후 추진력을 얻는다. 여기서 발전된 방식이 램제트엔진이다. 램제트엔진은 고속 비행 중 유입 공기압으로 공기를 압축하는 제트 엔진이다. 램(ram)은 ‘세게 때리다’라는 뜻이다. 즉, 공기가 엔진을 세게 때리는 것 같이 빠르게 들어와 공기 압축효율을 높이기 때문에 램제트엔진이라고 부른다.

[연구 과정]

2016년 8월, 로켓팀이 처음 모였다. 포스텍에서 받은 자료로 4개월간 공부하고 회의했다. 처음부터 하이브리드 엔진(HRE)을 만들기보다 로켓 기본형인 고체연료로켓(SRM)을 제작해 노하우를 익히기로 했다. SRM을 만드는 동안 PE-GOX^[각주:4] 하이브리드 엔진 로켓을 설계해 제작했다.

실제로 제작한 하이브리드 엔진(HRE) <제공 = 정세주 학생>

SRM 연구를 위해 고체연료의 연소율^[각주:5] 측정 장비를 2017년 1월에 설계했다. SRM에 관한 선행연구를 보고 연소율을 인용해도 되지만, 직접 계산해서 시뮬레이션과 비교 검증하기 위해 직접 설계했다. 설계 후 실험을 하지는 못했지만, 원통형 실린더 안의 고체 연료에 불을 붙여 초당 연료 연소 정도를 측정하면 된다. 연소율은 내부 압력에 따라 차이가 나기 때문에 내부압력을 지정해 준 후 시뮬레이션과 비교할 예정이다. 

내탄도 성능 시험 중 폭발한 SRM <제공 = 서정연 학생>

연소율 측정 후 본격적으로 고체연료엔진(SRM)을 제작했다. 다양한 프로그램을 활용해 단면도를 만들고 압력중심과 무게중심 등을 계산했다.

2017년 11월, 공들여 만든 SRM이 폭발했다. SRM 발사를 목전에 두고, 발사 전 내탄도^[각주:6] 성능 시험을 위해 지상 연소실험을 진행 중이었다. 로켓의 벌크헤드 쪽 나사 구멍이 압력을 견디지 못해 폭발했다. 다행히 인명피해는 없었다. 이론상으로는 완벽했지만, 단열재를 간과한 것이 원인이었다. 폭발 후 토의한 결과, 단열이 원인이라고 결론지었다. 시뮬레이션을 돌려본 결과 폭발 원인이 단열이라는 예측과 맞아떨어졌다. 차폐나 단열 그리고 연료 구성 또한 고려했어야 했다. 정세주 학생은 “이론상으로 완벽했으나 실험이 이론과 다를 수 있다는 점을 다시 한번 확인했다”라고 당시의 소감을 전했다.

궁극적 목표인 로켓 효율 개선을 위해서는 내탄도 작동원리와 후퇴율^[각주:7]을 이해해야 한다.  내탄도 성능이 후퇴율과 직결되기 때문에, SRM을 만드는 동안 후퇴율 해석에 치중했다. SRM과 달리 하이브리드 엔진(HRE)을 해석하고 예측하는 프로그램이 없어 직접 계산했다. HRE의 후퇴율을 공부하면서 내탄도 성능 해석식의 후퇴율 부분이 모호하다고 느꼈다고 한다. 기존 식은 후퇴율이 일정하다고 가정하여 내탄도 성능을 해석했지만 로켓 팀은 시간에 따라 변하는 후퇴율까지 고려하여 오차를 보정한 새로운 식을 도출했다.

실제로 기존의 식으로 그래프를 그려보니 시간이 갈수록 오차가 커졌다. 시간에 따라 바뀌는 후퇴율을 고려해 내탄도 분석 식을 새롭게 제시했다. 정세주 학생은 “새로운 식으로 더 정확하게 내탄도 성능을 분석해 안정적인 로켓을 만들 것”이라고 언급했다.

본 연구에서 로켓팀은 다음과 같은 성과를 냈다. ▲ 시간에 따른 후퇴율 변화를 보정한 내탄도 성능 해석 식 도출 ▲ 고체연료 연소율 측정 장치 제발 및 연소율 측정 ▲ 고체연료로켓(SRM) 제작 및 연소 시험 ▲PE-GOX 하이브리드 로켓(HRE) 설계 및 제작 등이다.

 

Q. 이번 UGRP를 진행하면서 느끼고 배운 점이 있다면?

- 공학과 이학의 차이점을 분명히 느꼈다. 이론적으로 완벽하지만. 이론과 실험이 많이 다르다. 협업과 실패에 대처하는 법도 배웠다. 어떤 로켓이든 한 번에 성공한 로켓은 없다. 한 번에 성공하는 것이 이상하다. 앞으로 더 많은 실패를 겪더라도 딛고 일어날 자신이 생겼다. 로켓이 원래 진로와 달랐기 때문에 연구에 임하면서 큰 부담이 없었다. 덕분에 많은 열정을 쏟았고, 어떠한 상황에서도 의연하게 대처 가능했다.

아무런 기준이나 토대가 없는 상황에서 엔진을 만드는 데 필요한 재원을 모두 스스로 결정하기가 어려웠다. 마치 2개의 식으로 3개의 해를 찾으라고 요구받는 기분이었다.

 

Q. 앞으로 UGRP를 하게 될 학부생에게 해주고 싶은 말이 있는가?

- DGIST를 선택한 가장 큰 이유는 UGRP 바텀업 과제 때문이었다. 바텀업을 하고자 하는 학생들은 연구 진행 과정이 정말 힘들 것이다. 경험자가 적고 무에서 유를 창조해내는 과정이기 때문이다. 성취감이나 협업을 배우는 데는 최고이다. 전공 지도 교수님과 더불어 창업이나 비즈니스 관련 교수님과 같이하면 좋다. 연구 노하우는 물론 다른 연구자나 기업가에게 다가가는 노하우를 많이 알려주신다.

UGRP를 하면서 15학점 이하로 들었으면 좋겠다. 15학점이 성적과 UGRP의 균형점을 잡을 마지노선이다. 행정 관련 문제는 방문하지 말고 메일로 해결해라. 마지막으로, 팀원 선택이 정말 중요하다. 친한 정도는 중요하지 않다. 1년간 함께 성공적인 연구를 이끌어 나갈 친구들과 진행해야 한다.

 

Q. UGRP를 진행하면서 연구 외적으로도 힘든 부분이 있었나?

행정원분께 예산 매뉴얼을 보고도 잘 모르는 학부생에게 자세하게 설명해주시길 부탁드린다. 한 번도 행정처리를 해보지 않은 학부생이 잘 모르는 것은 당연한 일이다. 질문에 성실히 답변하는 것이 의무라고 생각한다. 행정은 학생과 동등한 위치에서 도와주어야 한다. 정말 좋으신 선생님이 많다는 사실을 알지만, 학생 편에 서서 학생에게 최대한 도움을 줄 수 있는 방향으로 일해주시길 다시 한번 부탁드린다.

 

류태승 기자 nafrog@dgist.ac.kr

 

1. SRM은 고체연료 엔진이다. 다른 연료 로켓보다 구조가 간단하고 초속도(初速度)가 크다. 다만, 액체연료로켓보다 추진방향 제어가 어렵고, 연소가 도중에 중단될 수 있다는 단점이 있다. [본문으로]
2. LRE는 액체연료 엔진이다. SRM과 달리 필요에 따라 엔진을 끄고 켜는 것이 가능해 로켓을 정밀하게 움직여 정확한 도달이 가능하다. 상업용 로켓 엔진 대다수는 LRE이다. 나로호의 1단과 현재 개발중인 한국형발사체도 LRE를 사용한다. [본문으로]
3. HRE는 고체추진약에 액체 산화제를 섞어 연소하는 하이브리드 구조이다. SRM에 비해 복잡한 LRE의 구조적 단점과 제어가 힘든 SRM의 단점을 보완한 구조이다. 아직 연구가 많이 되지 않았다. [본문으로]
4. Polyethylene Glucose Oxidase을 연료로 한 로켓엔진이다. [본문으로]
5. 연소율은 시간 당 연료가 소모되는 비율이다. 이 값은 추진기관 추력과 직결된다. 효율적인 추진제는 연소율이 빠르고, 압력에 따라 연소 속도 변화가 크지 않아야 한다. 큰 추진력을 내려면 같은 조건에서 연소 속도가 빠를수록 유리하여 연소 속도를 높이려는 연구가 계속되고 있다. [본문으로]
6. 내탄도(internal ballistics) 분석이란, 연료와 산화제의 연소 과정을 수식으로 기술하는 것을 말한다. 압력과 추력, 추진기관의 성능을 예측하고 분석한다. 내탄도 해석을 잘못하면 유동 속도와 온도, 내부압력, 추력을 정확하게 알지 못해 로켓이 터질 수 있다. [본문으로]
7. 후퇴율이란, 하이브리드엔진 해석에서 사용되는 ‘시간당 고체연료의 감소율’이다. SRM에서의 연소율과 비슷한 개념이다. 일반적으로 HRM은 고체연료의 후퇴율이 낮다는 단점을 갖는다. [본문으로]