1. 서 론
2. 평가 방법
2.1 연료 및 오링 후보군 선정
2.2 연료 관점 양립성 평가 방법
2.3 오링 관점 양립성 평가 방법
3. 평가 결과
3.1 연료 관점 양립성 평가 결과
3.2 오링 관점 양립성 평가 결과
4. 결 론
1. 서 론
접촉점화 추진제(hypergolic propellant)는 연료와 산화제의 물리적인 접촉만으로 자연점화(auto-ignition)하는 추진제를 말한다. 별도의 외부 점화 장치 없이 연료와 산화제의 접촉만으로 화학반응을 유발하여 점화가 이루어지므로 전체 시스템의 무게를 줄일 수 있으며, 간단한 밸브 제어만으로도 추진제를 분사하여 점화를 발생시키므로 재점화 신뢰성이 높다는 장점이 있다. 대표적인 접촉점화 추진제 조합으로는 모노메틸하이드라진(monomethylhydrazine, MMH)과 사산화이질소(dinitrogen tetroxide, NTO) 조합이 널리 사용되고 있다. 이 조합은 검증된 점화 성능과 우수한 저장성으로 다양한 우주 탐사 기술 및 국방 기술에 활용되고 있다[1]. 그러나 이 추진제 조합은 독성이 매우 높기 때문에 취급 및 운용이 어려우며, 별도의 특수 안전시설을 필요로 한다. 또한, 유럽연합(European Union, EU)의 화학물질 규제 정책인 REACH의 시행으로 인해, 대기 유해물질 및 발암성 화학물질의 사용이 국제적으로 제한되고 있는 추세이다. 이러한 흐름에서 독성 추진제인 MMH/NTO의 대체 가능성을 제시하는 저독성 접촉점화 추진제에 대한 많은 연구가 수행되고 있다[2,3,4].
저독성 접촉점화 추진제는 상대적으로 낮은 안전 경비 및 운용 절차 수준을 가지고 있기 때문에 로켓 개발의 전 과정에서 부과되는 비용과 시간을 크게 절약할 수 있다. 2000년대 초반부터 현재까지 연료로서는 반응성, 촉매성, 이온성 연료가 주요 대상으로 연구되었으며, 산화제로서는 친환경 추진제인 과산화수소(hydrogen peroxide)에 대한 연구가 수행되었다. 과산화수소는 우수한 저장성과 높은 밀도를 토대로 다양한 우주 시스템에 활용되어 왔다[5,6].
일반적으로 액체 연료를 사용하는 추진기관에서는 고무 재질의 오링이 주로 사용되고 있다. 오링은 추진기관에서 추진제나 연소 가스가 누설되지 않도록 막는 기밀 유지 기능을 하거나, 접촉 부위의 마찰로 인해 마모를 방지하기 위해 반드시 필요한 구성 요소이다. 만일, 접촉되는 오링과 추진제가 호환되지 않는다면 오링과의 화학적 반응을 통해 추진제의 품질이 저하되거나 추진기관의 손상 및 오작동을 유발할 수 있으며, 오링에 포함되어 있는 가소제, 첨가제, 충전제 성분 등이 빠져나가 오링의 수명 또한 크게 단축될 수 있다[7]. 따라서, 실제 추진기관에 오링을 사용하기 전에 추진제와 오링의 양립성 평가(compatibility evaluation)가 필수적으로 수행되어야 한다. 양립성 평가란 어떤 두 가지 물질이 서로 반응하여 화학적 반응 또는 부식이 발생하는지 다양한 조건들을 설정하여 평가하는 방법이다. 이 연구에서는 저독성 접촉점화 연료와 오링의 양립성 평가를 목적으로, 연료와 오링의 상호작용이 각각의 성능에 미치는 영향을 연료 관점과 오링 관점으로 나누어 분석하였다.
연료 관점에서는 오링과의 접촉이 연료의 저장성 및 점화 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 저장성의 경우, 연료의 조성 변화 및 물성 분석을 통해 판단하였으며, 점화 성능은 액적 낙하 실험(drop test)을 통해 오링 접촉 유무에 따른 연료의 점화 성능 변화를 확인하였다.
오링 관점의 경우, 일반적으로 연료에 오링을 침적시킨 후 외관 변화를 육안으로 관찰하는 정성적 평가 방식이 활용된다. 그러나 이러한 방식은 기밀 유지 성능과 같은 기능적 변화를 평가하는 데 한계가 있다. 따라서, 오링의 탄성 회복력을 수치화할 수 있는 압축영구줄음율 시험(compression set test)을 도입하여 연료와의 접촉이 오링에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 압축영구줄음율은 추진기관, 탱크, 밸브와 같이 장시간 정적 기밀(static seal)상태로 운용되는 추진시스템에서 오링의 기밀 성능을 판단하는 핵심 지표이다[8,9].
2. 평가 방법
2.1 연료 및 오링 후보군 선정
저독성 접촉점화 연료와 오링 후보군을 선정하였다. 평가 연료는 한밭대학교에서 연구한 탄화수소 계열 연료인 글라임(glyme)계열의 SPLP01, 아민(amine)계열의 SPLP02 연료로 선정하였으며, 산화제는 과산화수소 90%를 사용하였다. 오링 후보군의 경우, 문헌 조사를 통해 FFKM(perfluoroelastomer), FKM(fluorocarbon), EPDM(ethylene-proplene-diene), 우레탄(urethane) 재질을 선정하였다[10]. Table 1은 선정된 연료와 오링의 양립성 사전조사 결과이다. 사전조사에서는 비응력 상태의 오링을 화학물질에 직접적으로 침적시키는 평가를 수행하였다[11,12]. 평가 결과, SPLP01, SPLP02 연료에 대해 FFKM 재질은 우수, 우레탄 재질은 사용 불가하였으며, FKM, EPDM 재질은 양립성이 좋지 않은 것으로 결과가 나타났다.
Table 1.
Pre-investigation results with SPLP fuels and O-rings.
| Fuel | FKM | FFKM | EPDM | Urethane |
| SPLP01 | C | A | C | × |
| SPLP02 | × | A | C | × |
사전조사 결과의 신뢰성을 검증하기 위해, 동일한 방법으로 4종의 오링을 각각 연료에 2주간 침적시켜 변화를 관찰하였으며, 사전조사 결과와 비교하였다. 평가 결과, Fig. 1에서 확인할 수 있듯이, FKM, Urethane 재질의 오링은 두 연료 모두에서 본래의 형태를 유지하지 못하고 부식되었으며, 이에 따른 연료의 변질이 관찰되었다. 반면, 사전조사에서 양립성이 좋지 않은 것으로 평가된 EPDM과 우수하다고 평가된 FFKM 재질의 오링은 오링 및 연료 모두에서 육안으로 변질을 확인하기 어려웠다. 이에 따라, 변질 여부를 육안으로 판단하기 어려운 FFKM 및 EPDM 재질의 오링을 평가 대상으로 선정하였다. 오링의 규격은 항공우주 표준 규격인 AS568-015(AS015) 규격을 사용하였으며, 외경 17.56 mm, 내경 14.00 mm으로, 두께는 1.78 mm이다.
2.2 연료 관점 양립성 평가 방법
연료 관점 양립성 평가를 수행하기 위해 FFKM, EPDM 재질을 연료에 직접적으로 침적시켜 12개월 동안 보관하였으며, 자세한 양립성 평가 조건은 Table 2에 나타내었다. 침적 시험 조건의 경우, 연료 자체의 변질을 최소화할 수 있는 저온 조건으로 선정하였으며, 오링과의 접촉으로 인한 연료의 화학적 변화를 독립적으로 평가하고자 하였다[13]. 모든 평가는 각각 0, 6, 12개월마다 수행하여 연료의 침적 시험, 조성 및 물성 분석, 액적 낙하 실험을 수행하였으며, 제시하는 결과는 4회 측정 결과의 평균값이다.
Table 2.
Compatibility conditions by fuel perspective.
| Evaluation | Method | Condition | |
| Immersion test |
Visual inspection | 0℃ | |
| Composition | FT-IR | iS50 | 25℃ |
|
Physical properties | Density | Density2Go | 25℃ |
| Viscosity | SV-10 | 25℃ | |
| Ignition performance | IDT | Drop test | 25℃ |
조성 분석은 푸리에 변환 적외선 분광법(fourier transform infrared spectroscopy, FT-IR)을 이용하였다. 이 기법은 물질의 분자 구조와 조성을 분석하는데 사용되는 기법으로, 적외선 광을 시료에 조사하면 분자 내 특정 결합이 특정한 파장에서 적외선을 흡수하여 진동한다. 이때, 흡수된 적외선을 푸리에 변환하여 물질의 화학적 조성을 확인할 수 있는 기법이다. 선행 연구사례에 따르면 점화제가 첨가된 탄화수소 계열 연료는 점화제의 산화로 인하여 저장성에 영향을 주는 것으로 알려져 있다[14]. 따라서, 연료의 변질은 연료의 저장성을 판단하는 척도인 점화제의 피크(peak)변화를 통해 분석하였다.
물성은 대표적인 수력학적 물성인 밀도와 점도를 분석하였으며, 밀도와 점도는 추진시스템 설계에 직접적인 영향을 미치는 필수적인 인자이다[15]. 연료의 밀도는 METTLER TOLEDO사의 Density2Go인 휴대용 밀도계를 이용하였고, 연료의 점도는 A&D사의 SV-10 점도계를 이용하여 측정하였다. 두 인자는 온도에 따라 값이 크게 변화하기 때문에 실험실 내부 온도를 25℃로 유지하였다.
점화지연시간(Ignition Delay Time, IDT)은 접촉점화 추진제의 주요 점화 성능 지표로서 연료와 산화제가 접촉된 후, 점화가 일어나기 전까지 소요되는 시간을 의미한다. 점화지연시간은 짧을수록 신속한 점화를 의미하므로 연료의 반응성을 평가하는 중요한 요소로 활용된다. 액적 낙하 실험은 이러한 점화 성능을 분석하기 위한 대표적인 실험 기법으로, 연료(또는 산화제)를 액적의 형태로 하부의 고정된 산화제(또는 연료)에 낙하하는 방식으로 다양한 추진제 조합의 점화 가능성을 빠르고 쉽게 평가할 수 있는 장점이 있다. 이 연구에서는 Fig. 2와 같이 광 및 음향 센서 기반 액적 낙하 실험 장치를 통해 점화지연시간을 분석하였다. 일반적인 초고속 카메라 기반 측정방법은 촬영 각도, 조명 세기 등에 따라 점화 시점을 정량적으로 계측할수 없다는 한계가 존재한다. 이 실험 장치는 추진제의 점화 과정에서 발생하는 OH 라디칼 방출 신호를 광전자증폭관(PMT)을 통해 계측하며, 점화 반응 과정에서 발생하는 음향 신호를 통해 정량적인 점화지연시간 계측이 가능하다[16].
2.3 오링 관점 양립성 평가 방법
오링 관점 양립성 평가는 육안으로 오링의 변화를 확인하기 어려운 오링의 부식 정도를 정량적으로 판단하기 위해 압축영구줄음율 시험을 도입하였다. 압축영구줄음율 시험은 오링을 압축시켰을 때 오링이 복구되지 않고 영구적인 변형이 일어난 정도로 오링의 성능 저하 여부를 판단하는 시험 방법으로, KS M6518:2006 가황고무 물리시험 방법과 선행 연구사례를 참고하여 시험을 수행하였다[7].
오링의 압축 정도는 스페이서(spacer)의 두께에 의해 결정되며, Fig. 3과 같이 압축하는 판(P1)과 판(P2) 사이에 위치한 스페이서의 두께만큼 압축될 수 있다. 스페이서의 두께는 오링이 25% 압축될 수 있도록 사전에 설정한 두께이다[7]. 따라서, 압축영구줄음율(C)은 Eq. 1과 같이 표현되며 t0는 압축 전 초기 오링의 두께, tspacer는 스페이서의 두께, t는 압축 후 복구된 오링의 두께를 의미한다.
오링은 Fig. 4와 같이 시험기에 의해 압축된 상태로 각각 SPLP01, SPLP02 연료가 채워진 유리 저장 용기에 넣어 밀봉하였다. 오링은 연료와의 화학적 상호작용이 발생할 경우, Fig. 1과 같이 비교적 짧은 시간 이내에 변화가 관측될 가능성이 있다. 따라서, 이러한 변화를 조기에 확인하기 위해 0, 1, 3, 6개월의 단기간 간격으로 오링 관점 평가를 수행하였다. 또한, 오링은 온도 변화에 따라 수축 및 팽창이 발생할 수 있으며, 이는 두께 측정을 기반으로 하는 압축영구줄음율 결과에 직접적인 영향을 줄 수 있다. 따라서, 실험의 신뢰성을 확보하기 위해 보관 온도 조건을 상온(25℃)으로 설정하였다.
3. 평가 결과
3.1 연료 관점 양립성 평가 결과
Fig. 5는 0, 6, 12개월 동안 보관한 연료의 침적 시험 결과이다. 육안으로 관찰한 결과, 두 연료 모두 보관 기간이 증가할수록 변질이 발생하거나 유의미한 탁도 변화가 발생하지 않는 것을 볼 수 있으며, 첨가한 FFKM, EPDM 오링의 부식 또한 확인되지 않았다.
Fig. 6은 연료를 제작한 직후에 분석한 0개월차의 연료와 12개월차의 연료의 점화제 피크를 비교하여 나타낸 것이다. 분석 결과, 0개월차의 연료에 비해 12개월차의 연료에서 모두 점화제 피크가 감소한 것을 볼 수 있으며 이는 보관 기간이 증가함에 따라 점화제의 농도가 감소한 것으로 판단할 수 있다. 하지만, 12개월차의 연료 결과에서 첨가한 FFKM, EPDM 오링 유무에 따라서 발생한 피크의 변화가 거의 나타나지 않는 것을 보아, 첨가한 오링이 연료의 조성 변화에 영향을 끼치지 않는 것을 확인할 수 있다.
Table 3은 0, 6, 12개월마다 측정한 밀도와 점도 측정 결과이다. 밀도의 경우, 12개월 보관 이후에도 첨가한 오링에 따라서 최대 0.6% 미만의 변화를 나타내었으며, 점도의 경우, 최대 1.3% 미만의 변화가 측정되었다. 따라서, 연료의 물성인 밀도와 점도에서는 오링의 첨가가 연료에 유의미한 변화를 나타내지 않은 것을 확인할 수 있다.
Table 3.
Density and viscosity result of fuel.
Fig. 7은 Fig. 2의 액적 낙하 실험 장치를 통해 측정한 점화지연시간 결과이다. SPLP01 연료는 제작 직후 6.89 ms였으며, 12개월 보관 이후 8.99 ms로, 약 2.10 ms 증가하였다. SPLP 02 연료는 9.06 ms에서 10.99 ms로, 약 1.93 ms 증가하였다. 일반적으로 탄화수소 계열 연료는 첨가한 점화제의 농도가 높아질수록 점화지연시간이 짧아지며[15], 12개월 조성 분석 결과, 점화제 피크가 감소하게 되면서 점화제의 농도가 감소한다. 따라서, 초기 연료 제작 시(0개월) 첨가한 점화제의 농도가 감소하여 점화지연시간이 증가한 결과이다. 하지만, 12개월 저장 조건의 오링 접촉 유무에 따른 최대 점화지연시간 변화는 SPLP01의 경우 0.45 ms, SPLP02의 경우 0.19 ms이므로, 접촉된 오링이 연료의 점화 성능에 영향을 주지 않은 것을 알 수 있다.
즉, FFKM, EPDM 오링은 SPLP01 및 SPLP02 연료와 화학적·물리적 변화를 나타내지 않으며, 점화 성능에도 큰 영향을 미치지 않았다. 따라서, 연료 관점에서 볼 때, 해당 오링 소재는 두 연료와 양립성이 양호한 것으로 판단된다.
3.2 오링 관점 양립성 평가 결과
오링 관점 양립성 평가는 육안으로 변화가 확인되지 않은 FFKM과 EPDM 재질에 대해 평가를 수행하였다. Fig. 8은 각각 0, 1, 3, 6개월 차에 압축 후 복구된 오링의 두께 측정 결과이며, 두께는 MITUTOYO사의 마이크로미터를 이용해 측정을 수행하였다. 측정은 오링의 각 4개의 지점에서 평균값을 사용하였다. Fig. 9는 두께 측정 결과를 바탕으로 Eq. 1을 통해 압축영구줄음율을 계산한 결과이다. FFKM 과 EPDM 오링의 최대 압축영구줄음율은 각각 60%, 40% 이하의 수치를 일반 산업 및 항공용 부품에서 허용 수준으로 취급한다. 해당 수치를 초과할 경우 오링이 원래 모양으로 복원되지 못하며, 오링의 내압성 및 화학적 변화가 가속화된다[17]. FFKM 오링의 경우, 모든 조건에서 압축영구줄음율이 약 20% 정도로 허용 범위 내로 측정되었다. EPDM 오링의 경우, SPLP01 연료와 약 20% 정도로 허용 범위 내로 측정되었지만 SPLP02 연료와 1개월 접촉 이후 압축영구줄음율이 100%를 초과하는 결과가 나타났다. 여기서 100% 초과의 의미는 측정한 오링의 두께가 스페이서의 두께 이하로 감소했음을 의미하며, 압축 자체로 인해 두께가 줄어든 것이 아니라, SPLP02 연료와의 접촉으로 인해 EPDM 재질의 오링이 화학적 변형 또는 수축(shrinkage)으로 인해 추가적인 두께 감소가 발생했음을 의미한다.
최종적으로 오링 관점에서 수행한 양립성 평가 결과, 압축영구줄음율 평가를 통해 SPLP01 연료와 FFKM, EPDM 오링의 양립성은 양호한 것으로 나타났으며, SPLP02 연료와 EPDM 오링은 양립성이 부족한 것으로 확인되었다.
4. 결 론
고무 재질의 오링은 추진기관의 기밀 유지 기능과 마모 방지 등을 위해 필수적 요소로 활용되고 있다. Table 1의 사전조사 결과와 같이, 다양한 오링 재질에 대한 내화학성 데이터가 존재하지만, 실제 추진시스템에 적용할 때는 오링의 부식 판단에 대한 정량적인 분석을 필수적으로 수행해야 한다. 따라서, 이 연구에서는 압축영구줄음율 시험을 도입하여 저독성 접촉점화 연료와 오링의 양립성을 연료와 오링 관점으로 나누어 분석하였다. Table 4는 연료와 오링의 최종 양립성 평가 결과이다. 연료 관점에서는 물성 및 조성 분석, 점화지연시간을 통해 평가하였으며, 오링 첨가 유무에 따른 유의미한 차이가 발생하지 않아 양립성이 양호한 것으로 판단하였다. 오링 관점에서는 압축영구줄음율 시험을 통해 오링의 변형 정도를 분석하였다. FFKM 오링은 두 연료 모두 약 20% 수준을 유지하였으나, EPDM 오링은 SPLP02 연료와 1개월 접촉 이후, 압축영구줄음율이 100%를 초과하여 양립성이 좋지 않은 것으로 확인되었다.
Table 4.
Final compatibility evaluation results.
| Compatibility evaluation | SPLP01 | SPLP02 | ||
| FFKM | EPDM | FFKM | EPDM | |
| *Fuel perspective | ○ | ○ | ○ | ○ |
| **O-ring perspective | ○ | ○ | ○ | × |
이 연구에서는 저독성 접촉점화 연료와 오링의 양립성을 정량적으로 평가함으로써, 기존의 단순 침적 시험 기반의 양립성 평가 방법의 한계를 보완하는 평가 방법을 제시하였다. 특히, 저독성 접촉점화 추진제는 차세대 로켓 추진제로 주목받고 있는 만큼, 해당 연구는 추진시스템 설계 단계에서 장시간 기밀 유지를 위한 오링 재질 선정에서의 판단 근거로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 이 연구는 상온 조건에서 양립성 평가를 수행하였으며, 오링 및 추진제가 실제 추진시스템에 적용되기 위해서는 다양한 온도 및 압력 조건에서 수행되어야 높은 신뢰성을 가질 수 있을 것으로 판단된다.
