| NASA에서 2023년 1월 실험에 성공한 에어로스파이크 노즐이 장착된 RDRE 엔진의 연소 장면. 2023년 현재 개발되고 있는 회전 폭발식 로켓 엔진의 대다수는 에어로스파이크 노즐을 채택하고 있다. |
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| 2021년 7월 세계최초로 실제 우주 공간 동작 실증에 성공한 JAXA의 RDE 로켓 모터 |
Rotating Detonation Rocket Engine, 회전 폭발 로켓 엔진
1. 개요
Rotating Detonation Rocket Engine, RDE[1] 회전 폭발 로켓 엔진은 두 개의 겹쳐진 크기가 다른 원통 사이의 공간에 산화제[2]와 연료를 주입, 폭발시켜 두 원통 사이의 틈에 충격파를 발생시키고, 동시에 연료를 회전시키며 주입하여 충격파가 원통 사이의 틈에 머물면서 후속하는 연료를 연쇄적으로 폭발시키는 액체 연료 로켓 엔진이다. 기존의 벨 형태의 노즐과 별도의 인젝터를 갖춘 로켓 엔진들에 비해 움직이는 부품이 현저히 적고, 또한 연소실 내부의 충격파를 회전시켜 그대로 후속 연료 점화(폭발)에 사용함으로서 구조적으로 기존의 로켓 엔진들에 비해 높은 열효율과 비추력을 가질 수 있어 미래 우주 산업의 새로운 액체 연료 로켓 모터로서 활발하게 각광받고 있는 새로운 종류의 로켓 엔진이다.마치 마하 다이아몬드 현상에서 충격파가 배기가스의 잔류 연료를 재점화시키듯이, 원통 사이의 충격파만으로 연료를 매우 활발하게, 또한 초음속 유동 속에서 폭발[3]시킨다는 점 덕분에 높은 열효율을 가질 수 있게 되며 또한 많은 움직이는 부품이 생략되고, 동시에 높은 기계적 신뢰성을 갖출 수 있다는 점에서도 많은 주목을 받고 있다.
그러나 실용화를 위해서는 유의미한 출력의 폭발을 안정적이고 연속적으로 제어할 수 있는 기술과 여기서 발생하는 초고온, 초고압의 플라즈마와 더불어 강력한 충격파 역시 유의미한 시간 동안 견딜 수 있는 소재의 개발이 관건이다. 작동 중 조금만 잘못돼도 엔진 전체가 폭발해버리기 때문에 거의 시한폭탄에 가깝다.
사실, RDE는 1950년대에 개념이론이 등장했지만 2020년까지만 해도 실현이 불가능하다고 여겨져 왔으며, 기초적인 시제품들이 나오기 시작한 지는 불과 수 년이 지났을 정도로 신생 분야이다.
2. 이점/원리
회전 폭발 로켓 엔진이 주목받는 이유 중 하나는 상술했듯이 연료가 폭발 될 때부터 유동이 초음속이라는 점이다. 기존의 로켓 엔진들은 인젝터와 연소실에서 아음속으로 분사, 연소된 연료를 벨 형태의 노즐로 배출시켜 유동을 초음속으로 만드는 원리로 작동하는데, RDE는 애초에 연료가 연소실로 주입 될 때부터 충격파를 때려맞아 이름에도 나와있듯이 '폭발'시키며(Detonation) 초음속의 유동을 형성하기 때문에 열효율과 비추력이 훨씬 좋다.따라서 로켓 엔진에 적용할 경우 엔진의 노즐과 연소챔버가 로켓 엔진 무게의 대부분을 차지하는 특성상 이를 생략할 수 있어 혁명적인 중량절감을 달성할 수 있으며, 가스터빈에 적용할 경우 압축기 및 연소부가 축소되어 체적을 30% 감소 시킬 수 있고, 미사일에 적용할 경우 엔진 및 모터부 축소, 연료량 증가로 비거리가 최소한 20% 이상 늘어나는 이점이 있을 것으로 계산되고 있다.
또한 아음속, 초음속, 극초음속의 모든 속도 범위는 물론 대기권에서 뿐만 아니라 우주에서도 작동할 수 있고[4], 나아가 로켓 엔진과 제트 엔진의 범주를 넘나드는 것이 가능한 플랫폼인데다가 출력 조정과 재사용도 가능하여 향후 항공기 겸 무단분리 우주선인 SSTO를 실현해 줄 미래의 엔진 후보로서 강력하게 여겨지고 있다.
2024년 5월, 일본의 우주항공벤처인 PD 에어로 스페이스가 세계최초로 이 기술을 응용해 콤바인드 제트/로켓 사이클 엔진을 개발하여 연소 중 제트 ↔ 로켓 양방향 전환 시험에 성공했다. # ## 이로써 준궤도 항공기의 실현 가능성이 시야에 들어오게 되었다.
[1]
로켓 말고 다른 형태의 엔진으로서도 적용될 수 있는 플랫폼이기에 뒤의 'Rocket Engine'을 떼고 넓은 범위에서는 RDE라고 부르기도 한다.
[2]
여기서 말하는 산화제는 Open-Cycle의 Intake Air가 될 수도 있다.
[3]
충격파로 연료를 폭발시킨다는 점이 기존의 로켓 엔진들 대비해 가장 큰 진보점이다. 연소랑은 다른 매커니즘이다. 기존의 로켓 엔진들 대비 비추력과 추중비 상 이점을 가질 수 있게 되는 것이 바로 이 쟁점.
[4]
게다가 RDE의 구조 상 에어로스파이크 노즐을 적용하기에 굉장히 좋은 플랫폼인데(사실상 RDE랑 에어로스파이크는 일체형이라고 보면 된다.), 덕분에 주변 대기압(Ambient pressure)의 밀도와 상관없이 높은 비추력을 얻을 수 있다. 우주와 대기권을 오가는 발사체에는 매우 중요한 역량.