한국항공우주연구원

거의 엔진을 파괴할 수 있는 정도의 위협으로 수년 간 로켓 과학자들을 괴롭혀왔던 이상한 음파 현상이 고속 카메라와 광섬유 탐침을 결합한 영상 기술 덕분에 새롭게 이해되게 되었다.

수십 년 간, 과학자들은 이런 현상이 어떻게 일어나고 왜 일어나는지 이해할 수 없었다. 그것은 이 문제를 통제된 실험실 환경에서 재현하거나 조사할 수 없었기 때문이었다. 일반적으로 과학자들은 이렇게 강력하고 불안정한 음파가 연소과정으로부터 공급받는 에너지에 의해 생기며, 미국과 러시아 로켓에서 발생했던 몇몇 로켓 고장의 원인이라고 생각했다. 과학자들은 또한 이러한 불가사의한 진동을 미사일이나 가스터빈과 같은 다른 추진 및 발전시스템에서도 관찰해왔다.

그런데, 조지아공대(Georgia Institute of Technology)의 연구자들이 이러한 폭발성 음파의 원인에 대한 수수께끼를 풀고 이 음파를 좀 더 잘 이해하여 이를 방지할 수 있도록 하는데 도움을 줄 수 있는 액체 로켓엔진 모의실험장치와 관련 영상 기술을 개발했다. 연구팀은 이 현상이 회전하는 음파의 형태로 나타나며 초당 5,000회전의 속도로 로켓의 연소실 주위를 돌 때 파괴적인 능력을 얻는 것을 분명하게 시연할 수 있었다. “이것은 로켓 개발에서 매우 골치 아픈 현상이다. 이런 회전 음향 진동은 엔진을 파괴하지만 누구도 이런 파동의 형성 과정을 충분히 이해하지 못하고 있다. 이 현상을 시각화하면 좀 더 잘 이해할 수 있다”고 항공우주공학과 교수인 벤 진(Ben Zinn)은 말했다.

이 파괴적인 불안정성에 대한 지난 연구들을 통해 과학자들은 이 문제의 초기 단계를 관찰할 수 있었지만 파동이 충분히 발달하여 심각한 손상을 일으키기 전에 엔진이 고장나버렸다. 또한 연구자들은 엔진 내부의 복잡한 과정들을 명확히 관찰할 수 없음으로 인해서 그 원인을 탐구하는 데 방해를 받았다. 그러나 우크라이나에서 온 방문 물리학자이자 연구 과학자인 올렉산드르 비비크(Oleksandr Bibik)의 엄청난 도움 덕분에, 조지아 팀은 이번 실험장치와 영상 기술을 개발할 수 있었으며, 엔진폭발이나 생명의 위험없이도 이런 파동이 어떻게 형성되고 행동하는지에 관한 상세한 정보를 밝혀낼 수 있었다.

먼저, 연구진은 거대한 로켓 엔진의 정확한 모의실험장치의 역할을 하는 저압 연소실을 개발했다. 그 뒤 비비크는 엔진 내부에서 생긴 회전 음파의 형성과 움직임을 명확히 관찰할 수 있도록 초고속 카메라와 일련의 광섬유 탐침을 함께 사용했다. 게다가, 연구진은 비비크의 새로운 영상 방법을 통해 이러한 파동들이 일어나는 조건과 어떻게 제어할 수 있는지를 결정할 수 있었다. 비비크의 방법은 고속카메라를 이용하는데, 연소 구역에서 발생된 특정한 빛 복사만 카메라 렌즈에 도달하도록 하는 필터 시스템을 통해 반응 구역을 관찰한다. 이러한 전략은 모든 배경광 간섭을 제거하며 연소 및 엔진 주변을 회전하는 음파에 대한 깨끗한 영상을 제공한다. 동시에, 전략적으로 배치된 광섬유 탐침은 연소실 속의 다양한 위치에서의 반응 과정 진동에 관한 정보를 수집한다.

“이 현상을 더욱 잘 이해하면 더 안전한 전술임무와 우주 임무가 가능할 것이며 연소실을 이용하는 기술에 드는 수십억 달러를 절약할 수 있다”고 진은 말했다.

갈수록 우주공간으로의 진출이 활발해지고 있다. 현재 위성을 이용한 방송, 통신 등의 다양한 서비스가 실현되고 있으며, 프랑스 대통령은 위성항법시스템(갈릴레오), 지구 관측, 기후 변화, 우주감시(군사) 등의 우주부분에 대한 투자 강화 의사를 표명했다. 또한 로켓제작업체 EADS는 우주관광용 비행선 제작을 계획하고 있으며, 저궤도 우주 공간에 태양열 전지판을 건설하는 계획도 고려되고 있다. 그리고 영국은 2013년에 달에 소형 탐사선을 보낼 계획이며 영국 과학장관은 우주탐사의 영국 경제 기여도가 70억 파운드에 이를 것이라고 평가하고 있다. 로켓 엔진의 신뢰성을 높일 수 있는 이번 연구는 우주산업의 발전에 있어서 매우 중요한 요소로 활용될 수 있을 것이다.

원문출처:  http://www.yeskisti.net/yesKISTI/Briefing/Trends/View.jsp?ct=TREND&clcd=R&clk=&lp=TM&gotoPage=1&cn=GTB2008040406