CEA-Based Performance and Off-Design Assessment of LOX/Biofuel Rocket Propellant Candidates

기술 요약: CEA 기반 LOX/바이오 연료 로켓 추진제 후보군의 성능 및 오프디자인(Off-Design) 평가

문제 정의
본 연구는 전통적인 탄화수소 연료와 산소 함유 바이오 연료 후보군을 비교하는 표준화된 초기 단계 스크리닝의 필요성을 다룬다. RP-1은 확립된 공학적 기록과 높은 에너지 밀도 덕분에 LOX/탄화수소 엔진에서 실질적인 벤치마크로 남아 있으나, 더 깨끗하고 작은 규모 또는 데몬스트레이터형 추진 시스템을 위한 산소 함유 연료(예: 디메틸 에테르, 에탄올, 메탄올)에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존 문헌의 주요 공백은 단일하고 일관된 열역학적 가정 하에 최고 이상 성능(peak ideal performance)과 혼합비 허용 오차(오프디자인 거동)를 모두 평가하는 비교 프레임워크가 부족하다는 점이다. 이전 연구들은 종종 최고 수치나 특정 엔진 설계에 집중하여 직접적인 연료 간 비교를 어렵게 만들었다. 본 논문은 6가지 LOX 호환 연료를 스크리닝하여 어떤 후보가 고충실도 분석(CFD, 실험 또는 시스템 수준)을 수행할 가치가 있는지 식별함으로써 이 공백을 메우고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 NASA의 화학 평형 계산 코드인 CEA(Chemical Equilibrium with Applications)를 평형 로켓 모드로 활용한다. 공정한 비교를 위해 6가지 연료 후보(RP-1, 디메틸 에테르(DME), 에탄올, 메탄올, 아세트산, 포름산) 모두에 대해 다음과 같은 고정된 이상 열화학 조건하에서 평가를 수행하였다:

• 연소실 압력: 20 bar
• 노즐 팽창비: 40
• 연료 온도: 298 K
• 산화제(LOX) 온도: 90 K
• O/F 비 범위: 0.5 ~ 8.0

연구에서는 진공 비추력($I_{sp,vac}$), 연소실 온도($T_c$), 특성 속도($c^*$), 추력 계수($C_f$), 비열비($\gamma$), 배기 분자량($MW$)을 포함한 핵심 성능 지표를 추출하였다.

강건성을 평가하기 위해, 저자는 혼합비가 최적점에서 벗어날 때 발생하는 비추력의 상대적 손실을 계산한 오프디자인 저하 지수($\Delta I_{sp}$)를 도입하였다. 이 지수의 평균값, 95 백분위수, 최대값을 사용하여 전체 범위에 걸친 성능 저하를 요약하였다. 본 분석에서는 인젝터 압력 강하, 유한 속도 화학 반응, 열전달, 냉각 요구 사항 및 피드 시스템 질량과 같은 실제 손실은 명시적으로 제외하였다.

주요 결과

1. 성능 순위: RP-1은 최적 O/F 비 2.5에서 336.24 s의 가장 높은 샘플링 진공 비추력을 달성하였다. DME는 O/F 1.5에서 334.61 s를 기록하며 가장 근접한 경쟁자로 나타났으며, 차이는 1.63 s에 불과했다. 에탄올이 327.31 s (O/F = 1.5)로 그 뒤를 이었으며, 메탄올, 아세트산, 포름산은 점진적으로 낮은 성능을 보였다.
2. 열역학적 동인: 순위는 단순히 연소실 온도에 의해 결정되지 않았다. RP-1이 가장 높은 $T_c$(3477.44 K)를 가졌음에도 불구하고, DME는 더 낮은 $T_c$(3322.90 K)에도 불구하고 상위 후보들 중 가장 가벼운 평형 배기 생성물($MW$ = 21.706)을 생성했기 때문에 경쟁력 있는 성능을 유지할 수 있었다. RP-1은 약간 더 높은 분자량(22.764)을 가졌다.
3. 최적 혼합비: 산소 함유 연료들은 연료 분자 내부의 산소 함량과 일치하게 RP-1(2.5)에 비해 낮은 O/F 비(DME, 에탄올, 메탄올의 경우 1.5)에서 정점에 도달했다.
4. 오프디자인 거동: RP-1은 O/F 범위 전반에서 가장 낮은 저하를 보여 강건성을 확인하였다. 재생 가능 후보들 중에서는, DME가 더 높은 피크 $I_{sp}$를 가졌음에도 불구하고 에탄올이 평균 오프디자인 저하 측면에서 약간 더 나은 특성을 보였다. 메탄올은 피크 값과 허용 오차 모두에서 저조한 성능을 보였다. 산(acid) 연료(아세트산 및 포름산)는 낮은 열 방출과 무거운 배기 생성물로 인해 경쟁력이 없는 것으로 판단되었다.
5. 벤치마킹: 발표된 CEA 유형 데이터(Burkhardt 등)와의 비교 결과, 일관된 성능 경향(RP-1 > DME > 에탄올 > 메탄올)을 보였으나, 본 연구의 절대값은 압력 및 입력 상태 가정의 차이로 인해 약 4.3~5.0% 낮게 나타났다.

의의 및 주장
본 논문은 최종적인 추진제 선정 연구라기보다 엄격하게 초기 단계 스크리닝 도구로서의 위치를 설정한다. 본 연구의 주요 의의는 피크 이상 성능과 혼합비 허용 오차를 동시에 평가하는 통합된 데이터셋을 제공한다는 점에 있다.

• 고성능 응용 분야를 위해: 결과는 피크 성능과 운용 허용 오차가 모두 요구될 때 RP-1이 대체하기 어려운 벤치마크임을 재확인한다.
• DME의 경우: 피크 이상 성능을 우선시하는 응 Anwendungen을 위한 가장 강력한 산소 함유 후보로 식별되었는데, 이는 RP-1의 비추력에 매우 근접하기 때문이다.
• 에탄올의 경우: 본 연구는 에탄올을 균형 잡힌 후보로 강조한다. 에탄올은 DME보다 피크 $I_{sp}$는 낮지만, 우수한 평균 오프디자인 저하 특성을 통해 절대적인 피크 성능보다 혼합비 허용 오차가 중요한 소형 엔진이나 데몬스트레이터에 더 적합한 선택임을 시사한다.

한계 및 범위
저자들은 본 결과가 이상적인 평형 계산임을 명시적으로 밝히고 있다. 본 연구는 인젝터 손실, 원자화, 증발, 점화 과도 현상, 연소 불안정성, 벽면 열전달, 재생 냉각, 밀도 충격량, 탱크 크기, 독성 또는 재료 적합성을 고려하지 않는다. 따라서 본 연구의 결과는 직접적인 비행 추진제 결정을 내리기보다는, 후속 고충실도 CFD, 연소 시험 및 시스템 수준 설계를 위한 후보 선정을 가이드하기 위한 목적으로 사용된다. 본 논문은 향후 연구에서 불확실성 정량화와 가변 운용 조건을 포함하여 이러한 스크리닝 결과를 정교화해야 한다고 결론짓는다.