로켓도 자동차처럼 연료를 사용하나요?
자동차는 휘발유와 디젤, 그리고 LPG 최근에는 전기식 하이브리드까지 다양한 엔진에 맞추어 각기 다른 연료를 사용하는데요~ 그렇다면 하늘을 날아올라 우주로 안착하는 로켓은 연료로 무엇을 사용할까요? 세계의 주요 로켓에는 다양한 특징의 연료가 쓰이지만, 우리나라 첫 우주발사체 나로호는 등유의 일종인 ‘케로신’을 사용하는데요. 오늘은 세계 주요로켓 연료의 특징을 알아보도록 하겠습니다.
우선, 로켓의 액체연료는 크게 산화제와 연료로 구성되는데, 국가별 개발로켓에 따라 사용하는 연료성분이 다릅니다. 2차대전 중 독일이 개발했던 V2 로켓은 물이 섞인 알코올을 연료로 사용하고 액체산소를 산화제로 사용했습니다. 세계 최초 위성 발사체인 구소련의 R-7 로켓은 액체산소와 케로신을 주추진제로 사용하고 과산화수소를 터빈을 돌리는 데 사용했습니다.
또한, 미국의 탄도미사일 겸 위성발사체인 쥬피터의 액체엔진은 액체산소와 케로신을 추진제로 사용합니다. 우리와 가까운 중국에서 개발한 선저우 로켓은 산화제로 사산화질소를 연료로는 UDMH를 추진제로 사용하며, 미국의 우주왕복선과 일본의 H-2 로켓은 액체산소와 액체수소를 추진제로 사용하며 이륙 시 고체 부스터의 도움을 받습니다.
유럽의 경우 아리안-4까지 활용된 바이킹엔진의 추진제로 사산화질소와 UDMH를 사용하였고 이후 아리안-5 발사체에는 액체산소/액체수소를 사용하고 있습니다. 우리나라 최초 우주발사체 나로호는 1단은 액체산소/케로신을 사용하며 2단은 고체연료를 사용하고 있습니다.
발사체 연료인 케로신의 주성분은 원유에서 정유한 것으로 항공기에 사용되는 연료와 유사하며 자동차 연료인 가솔린 또는 경유와는 정유조건이 다릅니다. 발사체용 연료는 추진제이기도 하지만 연소실을 냉각하기 위한 냉각수의 역할을 동시에 해내야 하기 때문입니다. 따라서 연소실 냉각 중 연료가 열분해 되거나 고형물질을 생성해서 냉각 유로를 막아서는 안되는 등의 추가적인 조건이 요구됩니다.
현재 운용되고 있는 발사체의 추진제 중 환경오염을 유발하지 않는 것은 액체산소/케로신 또는 액체산소/액체수소 조합이 있습니다. 이들은 연소되어 수증기와 이산화탄소를 발생시킵니다. 과거 탄도미사일에 많이 사용되었고 현재도 일부 국가에서 사용되는 하이드라진, UDMH 등은 맹독성 물질로 환경오염을 유발할 수 있다. 러시아와 중국으로부터 로켓기술을 도입한 북한의 로켓 역시 하이드라진과 사산화질소를 사용하는 것으로 추정됩니다.
미래의 추진제는 현재의 화학적 반응에서 에너지를 얻는 방식에서 탈피하여 태양에너지, 원자력 에너지 등으로 다원화될 것으로 예상됩니다. 이온엔진은 원자력에서 얻어진 에너지를 이용하여 연료를 플라즈마로 변환시켜 추진력을 얻으며 이러한 방식의 엔진에서 세슘, 수은, 크세논, 크립톤, 네온, 헬륨 등이 연료로 사용될 수 있습니다. 태양풍 로켓엔진은 태양풍의 반동을 이용하므로 특별한 연료가 사용되지 않으며 돛단배처럼 넓은 면적의 반사장치가 필요합니다.
글 : 한국항공우주연구원