1. 서 론

화학추진이 적용된 우주발사체 액체로켓 엔진 시동을 위해서는 점화가 필요하다. 점화가 필요한 엔진 구성품으로는 추진력을 발생하는 연소기와 터보펌프가 원하는 동력을 공급하는 가스발생기 또는 예연소기가 있다. 점화는 이 같은 연소장치의 급격한 상태 변화를 가져오기 때문에 작동 안정성이 중요하고, 또한 의도한 시점에 정확하게 이루어져야 한다. 엔진 클러스터링 경우, 만약 한 개의 엔진이라도 점화에 실패하게 되면 발사 계획이 실패하는 위험이 항상 존재한다. 발사체 로켓 단 일부를 재사용하기 위해 엔진 재점화를 통해 회수하는 방법을 적용하는 경우, 무결한 엔진 점화 신뢰도는 무엇보다도 중요하다[1]. 상단 엔진이 2번 이상의 다회 점화가 가능할 경우, 임무 중량 운송 능력이 확연히 증가하는 큰 장점이 있어 엔진 시스템에서 점화시스템 성능의 중요성은 더 강조할 수 없을 정도로 높다[2].

일반적으로 액체로켓 엔진 점화는 접촉발화성 물질, 파이로테크닉, 스파크 토치를 활용한다. 한국형발사체 또한 접촉발화성 물질을 담은 카트리지[3] 또는 파이로테크닉 점화기[4]를 활용한다. 이 같은 점화기는 다양한 개발 프로젝트에 통해 누적된 적용 이력을 갖고 있어 높은 점화 신뢰도와 작동 특성 파악이 충분히 이루어졌다는 장점이 있다. 그러나 재점화를 위한 시스템 개발 시 불가피하게 추가되는 밸브와 배관 등에 의해 중량이 과도하게 증가하거나, 점화 횟수에 한계가 있다는 극복하기 힘든 단점이 존재한다.

재점화 특성 강화를 위해 열 음향 공진현상을 이용한 점화방식이나, 레이저 점화에 관한 연구가 꾸준히 진행되었다. 열 음향 공진현상은 수소를 추진제로 사용했을 때 활용 가능성이 있으며, 스파크 토치 점화기와 유사하며 점화 플러그가 없는 시스템이라 볼 수 있다[5]. 이에 반해 레이저 점화는 스파크 플러그를 직접 연소기에 장착한 것과 유사한 방법이라 볼 수 있다. 레이저 점화가 가진 가장 큰 장점은 장치 내구성만 확보된다면 이론적으로 무한에 가까운 반복적인 점화가 가능하다는 것이다. 연소실 내 국부적인 점화 위치를 특정할 수 있으며, 관련 부품 개발 수준에 따라 점화시스템이 단순해질 수 있다. 추가로 점화 시점을 조절할 수 있는 등의 많은 장점을 지닌다. 1960년대 이루어진 흔히 스파크(spark)라 불리는 레이저 광선 초점에서 발생하는 짧은 소음을 동반한, 푸르고 하얀 섬광 현상의 발견으로부터 레이저 점화를 포함하여 관련 물리 현상에 대한 다양하고 방대한 연구가 시작되었다[6,7].

본 논문에서는 액체로켓 엔진 연소장치 환경에 적용할 수 있는 레이저 에너지를 활용한 점화에 관련한 원리를 검토했다. 그리고 자동차엔진이나 타 내연기관을 위한 점화시스템 대비 매우 소수에 불과한 액체로켓 엔진 레이저 점화시스템 관련 연구개발 상황을 정리 분석하였다. 액체 로켓엔진 연소 환경에서 수행된 주요 연구 결과들에 관해서 정리해서, 레이저 점화시스템을 액체로켓 엔진에 적용을 위해 극복할 주요 기술적 난관을 선제적으로 파악하고, 궁극적으로 액체 로켓엔진의 활용 확장성을 키우기 위해서 레이저 점화 방법의 연구 방향을 제시한다.

2. 본 론

2.1 레이저 점화 개요

레이저를 활용해서 점화에 필요한 에너지를 얻는 방법은 이론적으로 네 가지가 있다. 광화학(photochemical), 공진 레이저(resonant laser), 열(thermal), 비공진 레이저(non-resonant laser) 점화 방식이다[8,9].

첫 번째 방법인 광화학 점화를 위해서는 분자를 광 분해해서 반응을 일으킬 단위 부피당 충분한 활성 라디칼을 생성해야 한다. 이를 위해 특정 주파수의 광자를 배출하는 레이저 광원이 필요하다. 공진 레이저 점화방식은 두 개의 광자를 흡수한 원자를 이온화시키는 방식으로 이 또한 자외선 대역(UV-C, 100-280 nm)의 특정 파장을 갖는 레이저 광원을 필요로 한다. 열 점화방식은 고체 표적에 조사하여 이를 가열하거나, 기체 분자의 이동, 회전 진동 등의 운동 에너지를 증가시켜서 분자 결합을 끊고 화학반응을 유도한다[9,10]. 마지막으로 이들 방법 중에서 특정 파장을 지닌 레이저 선택에 얽매이지 않고, 현실에서 사용이 가능한 파워를 지닌 레이저를 활용할 수 있는 방법이 있다.

점화 지연 발생 등의 문제 없이 액체로켓 엔진 점화에 적용할 수 있는 방법이 다음에 소개할 비공진 레이저 점화이다.

2.2 비공진 레이저 점화

비공진 레이저 점화는 레이저 유도 플라스마 점화(laser plasma ignition; 이하 LPI)로 불린다. 특정한 파장을 갖는 레이저 광원을 필요로 하지 않기에 현재까지 가장 많은 적용 연구가 진행되었다.

레이저 광선을 렌즈를 통해 모은 초점 발생 위치에서 일반적으로 스파크라 부르는 플라스마 커널(plasma kernel)이 Fig. 1과 같이 발생한다[11]. 플라스마 커널은 빛과 함께 충격파를 수반하며, 점화 에너지로 활용될 수 있는 열에너지를 방출한다. 많은 연구에서 널리 사용된 레이저 광원은 Q 스위치를 장착한 파장 1,064 nm, Nd:YAG 펄스 레이저이다[8]. 일반적으로 Q 스위치 1,064 nm 파장 레이저를 활용하여 직경 10-100 ㎛의 초점을 만들고 이때 레이저 파워 밀도는 10-100 GW/cm²에 해당한다. 결과로 점화를 위한 직경 약 1 mm의 고온 기체 커널이 생성되는 결과를 얻었다[12].

Fig. 1

Photographic view of plasma induced by focused laser beam[11].

스파크를 유도하기 위해서는 레이저 광선이 초점에서 단위 면적 당 펄스가 보유한 레이저 파워를 의미하는 레이저 파워 밀도(laser power density) 또는 방사 조도(irradiance)를 일정 수준 이상으로 발생시켜야 한다. 초점의 작은 공간에 많은 양의 광자가 집결하면, 같은 공간에 존재하는 기체 분자가 광자에 의해 이온화가 되고, 방출되는 전자의 양이 급격히 증가한다. 이때 전자와 이온쌍이 약 10¹³개 이상 생성된다[13]. 이 같은 현상을 레이저 광선이 유도한 붕괴(breakdown)이라 하며, 플라스마 덩어리가 곧 스파크이다. 국부적인 온도는 10⁶ K 그리고 압력은 1,000 bar 수준까지 증가한다[13,14].

스파크 플라스마 발생은 주어진 조건에 따라 두 개의 서로 다른 과정을 통해서 이루어진다. 다광자 이온화(multiphoton ionization) 과정 또는 전자 캐스캐이드(electron cascade) 과정이다. 다광자 이온화 과정은 기체 분자가 여러 개의 광자를 흡수해서 이온화 전위(ionization potential)를 상회하는 충분한 에너지를 흡수해서 이온이 되는 과정이다[14]. 일반 기체의 이온화 전위는 7 eV이 넘는데 1,064 nm 파장을 갖는 Nd:YAG 레이저의 광자 에너지는 1.0 eV이다. 충돌(collisional) 효과를 무시할 수 있는 낮은 압력(< 10 torr) 조건과 광자의 에너지가 상대적으로 큰 짧은 파장(< 1 ㎛)의 레이저 조건에서 발생할 수 있다.

두 번째 과정인 전자 캐스캐이드는 상대적으로 높은 압력(≥100 torr)과 긴 파장(≥1 ㎛) 조건에서 이루어지는 일반적인 레이저 스파크 발생이다. 본 과정이 이루어지기 위해서는 초기 전자가 필요한데 이런 초기 전자들은 레이저 방사 조도가 충분히 클 때 다광자 이온화 과정을 통해 얻어질 수 있다. 플라스마 이온화와 온도 상승에 있어서 핵심적인 역할을 하는 역제동방사(inverse bremsstrahlung) 과정을 통해 광자들을 흡수해서 충분한 에너지를 가진 이러한 초기 전자들이 기체 분자를 이온화시키게 된다. 결과로 전자 캐스캐이드와 기체 붕괴가 발생한다.

여기까지 설명한 과정들과 점화를 포함한 다양한 현상들의 시간 경과에 따른 변화를 Fig. 2에서 확인할 수 있다. 약 5 ns를 보이는 레이저 펄스 시간 간격 대비 다른 물리 현상의 시간 간격을 비교할 수 있다. 특히 Fig. 3에서 관찰할 수 있듯이 동반 발생하는 충격파가 1 ㎲ 내외에서 플라스마 영역에서 벗어나게 되고, 점화 지연이 5~100 ms 사잇값을 갖게 된다.

Fig. 2

Comparison between time durations of various phenomena observed in laser ignition. (a) laser pulse duration (b) temporal change of OH concentration in flame kernel (c) combustion chamber pressure change[15].

Fig. 3

Temporal Schlieren images and visual luminosity of laser spark in air[16].

2.3 레이저 점화시스템

레이저 점화시스템 구성은 전원과 제어장치를 포함한 레이저 광원, 빔 익스팬더 그리고 초점을 만드는 볼록 렌즈로 구성된다. 레이저 광원과 렌즈 등을 포함한 광학 부품이 만드는 초점의 크기는 다음과 같다.

레이저 펄스 에너지, E(mJ), 펄스 유지 시간, t(sec), 펄스 파워, W(=E/t), 렌즈의 초점거리, f(mm) 그리고 레이저 광선의 발산각(divergence)을 α(radian)라 할 때, 초점에서 레이저 광선 지름(d)는 fα가 된다. 따라서 레이저 파워 밀도 또는 방사 조도(J)는 J = 4W/(πd²)와 같다.

레이저 광선 초점을 생성해도 펄스 에너지, 정확히는 방사 조도가 어느 한계보다 낮다면 플라스마는 발생하지 않는다. 플라스마 발생 한계 조건의 일정 범위 내에 방사 조도 값이 형성된다면 플라스마는 초점 가까이에서 발생하고, Fig. 4와 같이 방사 조도가 증가할수록 레이저 진행 방향과 반대 방향으로 플라스마 생성 위치가 거슬러 올 라가는 현상을 보인다.

레이저 점화시스템 적용을 위해서는 첫째로 연소 환경을 고려해야 한다. 액체로켓 엔진 연소실 내부로 유입되는 액체 추진제는 분사 시점부터 액적 분리, 증발, 혼합, 연소까지 여러 절차를 거치는 복잡한 과정을 겪는다. 이 같은 환경에서 LPI 방식을 활용한 점화에 영향을 미치는 인자는 매우 다양하다. 펄스 에너지 조사 시간, 펄스 에너지 방사 조도, 추진제의 반응 에너지, 추진제의 특정 반응 시간, 추진제 속도, 속도비, 운동량 비, 점화 시 압력 상승 특성 등이 있다.

Fig. 4

Illustrations of plasma structures depending on the variations of the laser pulse energy. Shaded region indicates the plasma[17].

2.4 액체로켓 엔진 연소 환경 적용

레이저 점화 관련 연구는 레이저에 의한 스파크 발생 현상 발견 직후 화학량적인 혼합비로 섞인 프로판/공기 혼합기체 환경에서 수행된 연구를 시작으로 1969년까지 거슬러 올라간다[18].

레이저 발생 플라스마를 통한 분광학 연구뿐만 아니라 여러 가지 연소 환경 조건에서 점화에 관한 연구가 진행됐다.

특히 자동차엔진의 기존 스파크 플러그 대신할 내연기관 연소실 내 레이저 점화 연구가 활발하게 진행되었다[19,20]. 또한, 항공 분야인 가스터빈, 스크램제트 엔진 등에서의 점화 특성 연구가 진행됐다[21]. 자동차엔진이나 항공용 엔진 환경에서 수행된 연구의 다양성과 양에 비교했을 때 액체 로켓엔진에 적용된 레이저 점화 연구 결과는 극소수라고 볼 수 있으나, 그 가능성 타진에 대해서는 주요 우주개발 선진국에서 적지 않은 연구가 진행되었다.

1994년 NASA[22]에서 처음으로 Nd:YAG 1,064 nm, 9 ns 레이저를 활용해서 다양한 로켓엔진 추진제 조합(기체수소/기체산소, 기체메탄/기체산소, RP-1/기체산소, 일산화탄소/기체산소)에서 점화시험을 수행한 이래로, 2000년대 초반 RBCC(Rocket Based Combined Cycle), 다중 엔진 점화 적용 등을 목적으로 총 8년의 연구 기간으로 계획된 로켓엔진 레이저 점화 기술 연구 프로그램이 진행되었다[23]. 해당 연구자들은 레이저 광선 송출을 위해 광섬유를 활용했는데, 광섬유가 전달할 수 있는 레이저 동력의 허용 한계가 있었다. 이를 극복할 방안으로 이중 펄스(dual pulse)를 적용했다[24].

프린스턴 대학교 연구그룹은 에탄올과 액체산소 조합 환경에서 1,064 nm, 펄스 에너지 ~80 mJ, Q 스위치 Nd:YAG 레이저를 활용해서 초점거리 100 mm 렌즈를 통해 에너지를 집중해서 점화에 성공했다[25].

유럽항공우주국(ESA)은 낮은 기술성숙도(TRL)를 갖는 우주발사체 세부 기술을 선제적으로 개발해서 신규 발사체 적용 시 원활한 적용을 위해서, 가장 적극적으로 액체 로켓엔진 레이저 점화 기술 개발을 위해 노력하고 있다. Future Launchers Preparatory Programme(FLPP)라고 명명한 프로젝트를 통해 개발한 여러 세부 기술 중 하나가 레이저를 이용한 연소실 내부 직접 점화 기술이다[26]. 2022년 IAC에서 발표한 연구개발 내용에 의하면 여전히 레이저 점화 기술을 연구하고 있는 것으로 판단된다[27]. 액체로켓 엔진에 레이저 점화시스템을 어떻게 적용 구현할 것인가는 Fig. 5와 같이 어떤 구성품을 일체형으로 제작하고 연소장치에 근접하게 위치시킬 것인가에 따라 다양한 형태를 구상할 수 있다[28,29].

Fig. 5

Various configurations of laser ignition systems with radial introduction of laser beam into a combustion chamber[28].

러시아 켈디시(Keldysh) 연구자들은 등유/액체산소 추진제 조합의 RD-107엔진에 고체 레이저와 광섬유를 이용한 레이저 점화시스템을 구축하여, 두 개의 연소실을 동시에 점화시키는 데 성공하였다[29].

에어버스 소속 유럽 연구자들[30]은 팽창식 수소/액체산소 연소기 분사기 헤드에 장착한 소형연소기에서 점화시험을 수행했다. 연료 온도가 50 K까지 하강한 조건에서 연소실 내부는 상압으로 측면에 레이저 점화기를 장착했는데, 가장 바깥쪽 분사기에 레이저 초점이 맞춰졌다. 사용 레이저는 1,064 nm, 펄스간격은 2 ns이며, 펄스 주파수는 50 Hz까지 변경하고, 펄스 에너지는 35~50 mJ로 변경했다. 점화 에너지 공급 시간은 1초에 해당하였다. 초점 위치를 반경 방향으로 변경시켜가면서 실제 점화 특성을 확인했다. 플라스마 브레이크다운 방식을 적용했다.

DLR에서는 분사 유동에 관해서 레이저 초점의 상대적인 조사 위치에 따른 연구가 진행되었다. 결과로 LO_X/CH₄ 전단 동축 분사기를 장착한 연소기의 경우 Fig. 6에서 보는 것과 같이 마하 디스크 하류에 있는 전단층(shear layer)에 레이저 펄스를 조사해서 초점을 생성한 경우 가장 안정적인 점화를 얻을 수 있었다[31].

Fig. 6

LOx/GCH₄ injection flow field with laser energy deposition. Region B2 resulted in 100% ignition probability[31].

이상 유동 조건인 메탄/액체산소 추진제 조합에서 점화 현상을 연구한 첫 번째 결과라 볼 수 있는 연구가 있다. 15개의 전단 동축 분사기 액체산소와 메탄 추진제 조합 연소기에서 무려 259번의 점화시험을 실시했다. 하나의 조립체로 구성된 레이저에서 1,064 nm, 약 57 Hz의 횟수로 레이저 펄스를 약 400 ms 동안 20개 보내고, 한 개의 펄스 에너지는 33.2 mJ, 펄스 간격은 2.3 ns였다. 최종 초점을 위한 렌즈 초점거리는 15 mm로 연소실 벽면과의 거리가 매우 근접한 조건에서 수행되었다. 점화 실패 원인으로는 플라스마 발생 위치에서 추진제 혼합비 조건이 점화에 적합하지 않았던 것으로 판단했다[32].

레이저 점화를 구현하는 또 다른 방식은 레이저 삭마 점화(laser ablation ignition; 이하 LAI)이다. 연소실 내부에 설치된 금속 목표물에 레이저 빔을 조사하여 플라즈마를 형성시켜 점화 에너지를 얻는 방식이다.

단일 분사기가 장착된 모델 연소기에서 수행된 시험 결과에 의하면 기체수소/액체산소, 기체메탄/액체산소 추진제 조합의 최소 레이저 점화 에너지로 각각 플라스마 점화는 72±5 mJ, 92±5 mJ, 구리 표적을 활용한 삭마 점화는 14.5±5 mJ, 61.7±5 mJ이다[31]. 기체메탄/기체산소, 기체수소/기체산소 조합에서 레이저 삭마 점화 방식(Q-switched Nd:YAG, 1,064 nm, 12 ns)을 통한 연소실 압력과 혼합비 조건 변화에 따라 최소 점화 에너지를 구했다[33]. 최적의 연소압과 혼합비 조건에서 기체수소/기체산소 조합은 30 µJ, 기체메탄/기체산소 조합은 230 µJ로 동일한 레이저를 활용한 레이저 붕괴 점화방식과 비교하면 필요 에너지가 약 10분 1수준인 것으로 보고했다.

2.5 액체 로켓엔진에서 레이저 점화

레이저 점화 연구 분야에서 국부 위치에 레이저 에너지를 집중시켜 점화에 필요한 에너지를 전달하는 것과 관련한 이론 연구는 충분히 진행되었다. 결국은 어떤 특정 환경에서 레이저 에너지를 어떻게 집중 위치시키는가에 따라 점화 신뢰도는 향상 또는 악화될 수 있다.

액체 추진제 로켓 환경에서 적용될 수 있는 레이저 점화방식은 앞에서 살펴본 것과 같이 레이저 스파크 점화와 삭마 점화방식이 있다. 특정 추진제 조합 조건에서 얼마의 펄스 에너지와 펄스 간격, 그리고 초점의 상대적인 위치를 파악할 필요가 있다. 동시에 펄스 에너지를 전달하는 광학 시스템을 구성하는 광섬유가 견딜 수 있는 순간 펄스 파워 한계를 향상할 필요가 있고, 이것을 휴대용 소형 시스템으로 완성해야 한다. 광학/전자 시스템으로 이루어진 레이저 시스템을 보호하는 구조물을 만들 때 구조물이 차지하는 공간과 무게 그리고 연소기 헤드로부터 열 보호 시스템이 필요하다. 강한 진동에 노출되는 열악한 환경에서 구조물이 견뎌야 한다.

레이저 점화시스템이 갖춰야 할 점들은 다음과 같다. 우선 레이저 광선이 연소실 내부에 조사될 수 있는 통로가 있어야 한다. 탄화수소 연료를 사용하는 경우 레이저 광원이 나오는 광학계 표면이 오염되어 투과되는 레이저 파워의 세기가 감소하거나 차단될 수 있다. 기존 점화 방법이 대부분 큰 부피 영역에서 점화 에너지를 공급한다면, 레이저 점화는 상대적으로 매우 작은 부피에 조사되므로 국부 점화 환경이 중요하다. 점화 특성은 초점과 추진제 혼합비 분포를 포함한 점화 위치 추진제 유동 패턴에 따라서 매우 민감할 수 있다. 액체 로켓엔진 연소실 내부에서 형성되는 추진제 유동 패턴은 점화기 설계, 분사기 헤드 설계, 그리고 연소실 설계, 연소실 내부 막 냉각 등의 설계에 따라 다를 수 있다. 레이저 시스템이 높은 온도와 진동 환경에 노출된다. 또한, 상단 엔진 또는 주엔진 재점화에 의한 재사용 발사체 구현에 있어서 진공 상태에서 레이저 시스템 작동이 검증되어야 한다. 2024년 현재, 유럽 아리안그룹을 중심으로 진행하는 연구결과에 의하면, 내연기관용으로 개발된 고출력레이저 점화시스템을 10년간의 액체 로켓엔진 연소 환경 적용을 위해 개발해서, 기술 성숙도(TRL) 6에 도달했으며, 수년 이내에 실제 비행 시험에 적용할 것으로 예상한다[34].

삭마 점화방식을 채택하는 경우, 낮은 에너지로 점화할 수 있지만, 삭마 대상 물체를 고온 고압 환경의 연소실 내부에 마련해야 한다는 것이 풀어야 할 기술적 문제가 된다. 연소장치 점화 절차가 수행 과정에서 실제 연소실 점화 위치까지 추진제가 도달하는 시간 동안 레이저 펄스가 지속하여야 하는데 이는 공간적으로 매우 국부적이고, 제한된 시간에 이루어진다.

3. 결 론

레이저 점화가 기존의 액체 로켓엔진 점화방식 대비 갖는 가장 큰 장점은 이론적으로 무한대의 점화 반복이 가능하다는 것이다. 레이저 광선을 광섬유로 전달해서 여러 개 엔진을 동기화한 점화를 수행할 수 있다는 장점도 있다. 의도한 위치에 점화 에너지를 정밀하게 공급할 수 있는 특징도 갖는다. 도전적인 해법을 찾는 민간기업의 상업 재사용 발사체 개발 시 필수 적용 설계 요소가 된 다수의 엔진으로 구성된 부스터 단에서 레이저 점화의 동기화 특성은 그 효과를 발휘한다. 레이저 점화의 또 하나의 특징인 점화 에너지를 국부적으로 공급할 수 있는 점은 오히려 급격한 압력 상승을 동반한 비정상 점화 특성을 일으킬 수 있다. 따라서, 안정적이고, 반복적인 점화 특성을 확보하기 위한 연구개발이 필요하다. 정리하면, 엔진 재점화와 추력 조절로 수직 착륙 방식을 채택한 재사용 발사체 개발 방향에 있어서 다 회 점화가 가능하면서, 신뢰도 높은 점화 기술을 확보하는 것이 매우 중요하다. 레이저 점화방식이 재사용 발사체 엔진 점화에 있어서 매력적인 점화방식임에는 틀림이 없으며, 아직은 낮은 수준의 기술성숙도를 향상하는 지속적인 연구개발 노력이 필요하다.