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by 고정우 Oct 12. 2021

발사체의 연료

곧 KSLV-III 발사가 다가오니깐!

10월 21일에 발사되는 누리호에 대해 조금 알아보고 예전에 작성해둔 원고를 사용해보자는 마음으로 간략하게 정리해서 올렸습니다. 다양한 로켓 중에서 대표적이며 또 액체성 연료를 위주로 다루었습니다.

#1 케로신 Kerosene

이름만 거창할 뿐 '등유'이다. 물론, 우리들이 타고 다니는 자동차에 사용하는 그런 등유는 아니며 고도로 정제한 'RP-1'이라는 등유를 별도로 케로신이라 부르는 것이다. 이처럼 케로신은 등유 즉, 원유를 분별 증류해서 얻어진 석유의 한 종류이므로 다른 발사체 연료들과 비교했을 때 보관은 물론 가격도 저렴하며 다루기 쉽다. 게다가 독성도 없고 환경오염을 일으키지 않으며 액체수소에 비해 부피당 에너지 밀도가 높아 추진제 탱크의 크기를 줄일 수 있어 대부분의 상용로켓이 케로신을 연료로 사용한다.

SpaceX Falcon9 re-entry @Space Center Houston

하지만, 케로신을 연료로 사용할 경우 엔진 점화 과정에서 탄소 찌꺼기가 엔진 내부에 달라붙어 로켓 엔진의 재활용을 어렵게 만든다. 그런데 SpaceX의 Falcon9 로켓의 Merline 엔진은 케로신을 연로로 사용한다. 이는 케로신을 연료로 사용할지라도 세척을 해준다면 10번 정도 재사용이 가능하기 때문이다. 다만, 이런 세척 과정에도 상당한 비용이 들어가기 때문에 이번에 새롭게 개발 중인 Starship 로켓의 Raptor 엔진은 메테인을 연료로 사용할 예정이라 한다.

#2 수소 Hydrogen (LH2)

수소는 친환경 자동차의 연료원으로도 널리 알려져 있듯이 깨끗한 에너지이다. 게다가 폭발성이 강한 기체라 압도적이 비추력을 가진다. 하지만, 오늘날 수소전지 자동차가 상용화되지 않았음에서 알 수 있듯이 고도의 기술력을 요구하며 이는 곧 가격 증가로 이어진다.

왜냐하면 수소는 상온 대기압에서 기체로 존재하기 때문이다. 그래서 수소가 담긴 연료 탱크는 상온 대기압에서 기체가 되어버리는 수소를 액체 상태로 가두기 위해 고도의 기술력을 요구한다. 게다가 케로신에 비해 부피당 에너지 밀도가 낮아 케로신을 연료로 하는 발사체에 비해 크고 거대한 연료 탱크를 가져야 해 여로모로 쉽지 않은 연료이다. (이는 최대한 가볍고 슬림하게 만들어야 하는 로켓에게는 치명적이다.) 대표적인 예가 우주왕복선의 여러 연료 탱크 중에서 가장 크고 이목을 끄는 주황색의 연료통이다.

Space shuttle main fuel tank @Pinterest

참고로 앞서 살펴본 케로신은 상온에서 장시간 액체 상태로 저장이 가능해 저장성 추진체, 영어로는 'storable propellant'라고 하며, 수소처럼 매우 낮은 온도에서만 액체 상태를 유지하는 추진체는 저온 추진체 영어로는, 'cryogenic propellant'라고 한다.

#3 메테인 Methane (CH4)

메테인은 수소와 케로신 사이에 있는 녀석이라 볼 수 있다. 수소보다 높은 온도에서 보관이 가능하다는 점에서 수소보다 보관이 용이하나 여전히 상온 대기압에서는 기체가 되어버리기 때문에 케로신과 비교하면 비교적 무거운 연료탱크를 필요로 한다.

그러나 메테인의 핵심은 엔진 연소 시 찌꺼기가 발생하지 않는다는 점, 그리고 외계행성 예를 들면 화성과 같은 곳에서 케로신이나 수소에 비해 얻기 쉽다는 점에서 주목받기 시작한 차세대 연료라 할 수 있다. 대표적으로 최근에 개발 중인 SpaceX의 Starship의 Raptor 엔진이 대표적이다.

SpaceX Starship with Raptor engine @BitEvolved

추가로, 위에서 다룬 케로신, 액체수소 그리고 메테인은 모두 연료이고 산화제로 액체산소(LOX)를 사용한다는 점을 알아두자. 그리고 세계 최초의 대륙간탄도미사일(ICBM)이라 불리는 나치 독일의 V2 로켓은 연로로 알코올, 산화제로 액체산소를 사용했다.

여기까지는 모두 일반적인 그리고 서방국가들에서 사용하는 로켓 연료이다. 무슨 말이냐면 일반적인 경우가 아닌 전쟁에 사용되는 발사체 또는 동구권 국가들은 케로신, 액체수소 그리고 메테인이 아닌 다른 연료를 사용한다는 말이다.

#4 디메틸히드라진(UDMH)

UDMH는 Unsymmetrical Dimethylhydrazine. 즉, 불균일 디메틸히드라진이라 및 하이드라진 계열의 연료들은 산화제인 질산화합물(사산화질소)과 접촉하면 별도의 점화장치나 절차 없이도 자연발화가 일어난다. 게다가 상온에서도 물과 비슷한 상태를 지녀 보관이 용이하나 이러한 액체 상태에서는 신체에 흡수되는 발암물질이다. 산화제로 사용되는 사산화질소 역시 상온 저장이 가능하며 밀도가 높아 과거부터 탄도미사일에 많이 사용되었으나 맹독성 물질로서 피부에 닿으면 손상을 유발한다. [그래서 아래 사진에서 발사체 잔해에 다가가는 사람이 특수한 복장을 하고 다가가는 것이다.)

North Korea '은하' rocket @VOA 한국어

이런 물질들을 연로로 사용하는 발사체들은 대게 동구권 국가들인데 대표적으로 북한의 대포동과 은하 로켓, 중국의 창정 로켓 그리고 러시아의 프로톤이 있다. 드물게 미국의 우주왕복선에도 보조동력장치(APU)로 하이드라진을 사용했다. 개인적인 추측이지만 연료 제작 기술이나 엔진 제작 기술이 부족한 국가에서 값싸고 저렴하게 미사일을 만들기 위해 이러한 연료를 사용하는 게 아닌가 싶습니다. 러시아는 기술이 뛰어남에도 그 시작이 탄도미사일에서 나왔기 때문에 이러한 연료를 계속 사용하는 듯하며 우리에게 익숙한 소유즈(Soyuz) 로켓은 케로신(연료)과 액체산소(산화제)로 사용하나 일부 발사체에는 유독성 물질을 사용한다는 것을 알 수 있다.