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로켓 엔진 내부에서 연소는 연료의 열역학적인 임계점 이상에서 일어난다. 초임계 상태에서 연료는 상변화에 필요한 증발 엔탈피가 존재하지 않아 임계점 근처에서 밀도, 엔탈피 등 물성치의 연속적인 변화가 존재한다. 물성치의 변화가 기존의 상변화와 다른 로켓 엔진의 내부에서의 연소를 예측하기 위해 기초적인 초임계 연구가 필수적이다. 그동안 초임계 상태에서의 제트 연구가 진행되어 왔는데, Yang 등은 질소 와 이산화탄소를 이용하여 초임계 조건에서 분류의 계면에서의 불안정성을 연구하였다. 또한 Xia 등은 고압에서의 초임계 제트의 침투 거리를 슐리렌 기법 (Schlieren method)을 통해 가시화하며 단일, 이중 충돌 인젝터에서 분사되는 제트를 분석하였다.
특히 Banuti 등은 초임계 상태에서 유사 임계온도에 대한 고려가 필요하고, 그에 따른 물성치 변화에 주목할 필요가 있다고 주장하였다. 유사 임계온도는 압력에 따라 정압비열이 최대가 되는 온도로 정의하였으며, 액체와 기체의 구분이 뚜렷하지 않은 초임계 상태에서 액체 같은(liquid-like) 영역과 기체 같은(gas-like) 영역으로 구분 지을 수 있는 임의의 온도로 정의하였다. 유사 임계온도를 도입하면서 유체가 기존의 실제 임계온도에서 물성치가 크게 변화 하지 않는 것을 반증할 수 있으며 유사 임계온도에서 유체의 밀도, 엔탈피와 같은 물성치가 변화하는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 액체로켓의 연료로 주로 사용되는 케로신을 모사하는 탄화수소계열 연료로 데칸/메틸 사이클로헥산 혼합물을 이용하여 초임계 환경으로 분사되는 제트의 분무 특성을 관찰하였다. 초임계 상태에서 온도, 압력에 따라 밀도와 엔탈피 등 물성치 가 달라지는 지점인 유사 임계점이 제트 밀도변화에 미치는 영향을 후처리한 제트의 밝기 강도로 나타내 분무 특성을 관찰하였다. 액체 연료 제트가 분사되는 주변 환경의 온도가 높을수록 제트의 밀도가 감소하 여 밝기 강도가 감소하는 경향을 확인하였다.
연료가 분사되는 주변 환경의 압력이 상승할 경우 유사 임계온도가 상승하여 액체 연료의 밀도가 유지되는 온도가 높아지게 되고 챔버의 질소 환경으로 침투하는 제트의 밝기 강도가 높게 유지되어 제트의 밀도감소를 지연시키는 경향성을 관찰하였다. 또한 초임계 환경으로 분사되는 혼합 액체연료의 분무각은 분사 차압이 같을 경우 연료 질소의 밀도와 제트의 밀도비의 제곱근에 비례하는 경향성을 확인하였다. 이러한 밀도비의 제곱근은 챔버 내부의 온도와 압력에 영향을 받게 된다. 챔버 온도가 상승할 경우 질소 기체의 밀도감소로 제트와의 충돌이 줄어들고 이에 따라 제트의 퍼짐(spreading) 정도가 감소하여 분무각이 감소하였다고 판단하였다. 챔버 내부 압력 상승의 경우 밀도가 높아진 질소 기체 분자가 분사되는 제트와 더 자주 충돌하게 되어 분무각이 증가하는 것으로 판단하였다.
에어로젤 aerogel
에어로젤은 미국의 화학공학자인 스티븐 카슬러가 1931년 최초로 개발한 세상에서 가장 가볍고 낮은 밀도를 지니고 있는 고체입니다. 액체의 밀도와 미슷한 값을 가지며 점도는 기체에 가까운 에어로젤은 확산계수가 엑체보다 100배 큰 값을 가집니다.
부피의 98%이상이 기체로 되어있는 에어로젤은 젤형태에 가장 가까운 고체로, 초임계 건조를 통해 젤의 고체 구조를 유지하며 내부를 기체로 채워 물질을 얻어낼 수 있습니다.
에어로젤 제조 공정
상용화될 수 있는 에어로겔 제조방법으로는 금속 알콕사이드인 알콕시실래인, 즉 tetramethoxysilane(TMOS)와 tetraethoxy -silane (TEOS) 알콕사이드(alkoxide)와 물유리(waterglass)를 원료로 하여 만들어집니다. 액체 형태인 알콕사이드 혼합 원료에 알코올과 첨가제를 넣고 틀에 넣고 얼마간 시간을 유지하면 묵과 같은 젤형태로 변화되는데 이때 건조용기에 넣고 고온·고압 상태를 가하면 알코올이 들어있던 자리에 초임계유체가 들어가게 됩니다.
초임계유체를 흘리는 이유는 부피 변화를 없애기 위해서인데 고체에 묻어있던 액체가 기체로 변하면서 표면장력의 차이 때문에 부피가 변하기 때문인데요. 초임계 이산화탄소의 경우 표면장력이 거의 제로에 가까워 제품에 손상을 주지 않는다는 특징이 있습니다. 건조용기에서 액체 상태인 알코올 자리를 초임계이산화탄소가 대체하고 나면 온도와 압력을 서서히 낮춰 상온·상압으로 만들어주면서 알코젤을 꺼내면 이산화탄소 자리에 대기중의 공기가 유입되고 기체가 98%를 차지하는 고체인 에어로젤이 탄생하게 됩니다.
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