1. 서 론

극초음속 추진기관은 극심한 열적 부하에 노출되기 때문에 열에 의한 변형을 막기 위해 흡열연료를 통한 재생 냉각 시스템을 사용한다[1]. 그 경우, 현열과 함께 열분해 과정에서 일어나는 흡열반응에 의해 많은 열을 흡수할 수 있기 때문이다. 이 방식은 연료의 흡열 분해 반응을 이용하기 때문에 흡열연료를 냉각 시스템에 적용하기 위해서는 연료의 열분해 반응과 열분해된 연료의 분사 특성 및 연소 과정에 관한 연구가 필요하다. Lee 등[2]은 JP-7의 대체 연료로써 사용되는 n-dodecane에 PPD 모델을 적용해 열분해 반응 수치해석을 진행하여 흡열량, 물성치 등을 파악하였다.

재생냉각에 사용되는 다른 흡열연료로 JP-10이 있으며, 이는 고에너지 밀도를 가진 exo-tetrahydrodicyclopetadien (exo-THDCPD, C₁₀H₁₆)으로 불리는 하나의 성분으로 구성된 단일 성분 탄화수소 연료이다. 지난 수십년 동안 JP-10를 다양한 실험 장치들을 활용하여 열분해 생성물의 종류와 발생 메커니즘을 규명하는 연구들이 이루어지고 있다. Herbinet 등[3]은, 제트 교반 반응기 실험을 수행하여 전환율과 열분해 과정에서 발생한 주요 생성물의 형성에 대한 주요 반응 경로를 도출하였다. Davison 등[4]은 충격파관을 이용해 cyclo-pentane이 JP-10의 초기 분해 생성물임을 밝혔으며, Xing 등[5]의 연구에 따르면, 압력이 증가할수록 전환율이 높아지고, 그와 동시에 열분해 생성물 내 메탄과 에탄, 프로판의 농도가 증가한다고 보고하였다. 또, Pan 등[6]이 조사한 바에 따르면, 초임계 조건에서 높은 압력으로 C-C 결합의 분리가 억제되고 다환 방향족 탄화수소가 빠르게 형성되어 코크스가 상당량 발생하는 것을 확인하였다. 흡열연료의 열분해 과정에 관한 다양한 연구가 이루어졌지만, 열분해 이후 연소실 내로 분사되어 점화되는 과정에 관한 연구는 미흡한 실정이다.

초음속 연소기 압력은 1-3 atm으로 낮은 압력으로 유지되고. 제트 연료의 연소실 내 체류시간이 짧기 때문에 연료의 빠른 점화는 필수적이다[7]. 따라서 저압 조건에서 흡열연료의 점화지연시간을 파악하고 점화지연 단축을 위한 방안의 연구가 필요하다. 그 일환으로 열분해 생성물이 포함된 연료의 점화지연 연구가 필요하다.

본 연구에서는, 국내에서 개발 중인, JP-10과 유사한 후보 시험연료인 TF-10(Test Fuel-10, C₁₀H₁₆)을 선정하여, 먼저 충격파관을 이용해 저압 조건에서 TF-10 흡열연료의 점화지연시간을 측정하였다. 다음으로, 흡열분해 과정을 거친 이후의 연료의 점화 특성을 파악하기 위해서 TF-10 연료의 전환율에 따른 열분해 생성물이 점화지연시간에 미치는 효과를 조사하였다.

2. 연구 방법

2.1 점화지연시간 측정

본 연구에서는 두가지 실험 장치를 이용하여 점화지연시간을 측정하였다. 먼저, CRU(Combustion Research Unit)는, Fueltech Solutions사에서 제조한 정적연소실로서, 설정한 압력 및 온도로 유지되는 연소실에 액체 연료를 분사하여 점화지연시간(main combustion delay, MCD라고 부름)을 측정하는 장치이다. 해당 장치 개략도를 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1.

Schematic overview of the CRU device for ignition experiment (in IP 541[8]).

CRU로 측정 가능한 연료의 온도 범위는 300-590℃이며, 압력 범위는 10-75 bar이다. IP-541[8] 규격에 따라, MCD는, 연료 분사 시점부터 연소실 내의 압력이 최고 압력 상승량의 10%만큼 상승했을 때까지 걸린 시간으로 정의된다. 하나의 조건당 25회 반복 실험하여 얻은 결과의 평균값을 실험 데이터로 사용하였다. TF-10의 MCD를 44, 49, 54 atm, 770 K∼870 K의 범위에서 측정하였고 상대 비교를 위해 일반적인 항공유인 Jet-A1의 MCD도 41 atm, 690 K∼870 K의 범위에서 측정하였다.

다음으로, 충격파관을 이용하여 미리 기화된 연료의 순수 화학반응에 의한 점화지연시간을 측정하였다. 점화 발생 여부는 CH 라디칼의 방출 신호로 판단하였으며, 점화지연시간은 충격파가 끝단면에서 반사된 시점부터 CH 라디칼 방출 신호가 급상승하는 시점까지 경과한 시간으로 정의하였다. Fig. 2에 장치 개략도를 나타내었다. 실험에 사용된 충격파관의 기하학적 제원, 실험 방법 등의 상세한 사항은 이전 논문[9,10]에서 확인할 수 있으며, 여기서는 생략한다.

충격파관을 이용한 점화 실험은 Table 1의 조건에서 수행되었으며, 온도, 압력을 변화시키며 총 10번의 실험을 수행하였다.

Fig. 2.

Schematic diagram of a shock tube.

2.2 점화지연시간 예측을 위한 화학반응 모델

실험과 더불어 수치해석을 통해 점화지연시간을 예측하였으며, 단열 정적 연소실에서의 0-차원 해석으로 점화지연을 계산할 수 있다. 본 연구에서는 오픈 소스 코드인 Cantera에서 제공되는 closed homogeneous batch reactor 모델을 사용하여 0-차원 과도해석(0-dimensional transient simualtion)을 수행하였다. 열분해 생성물이 포함된 TF-10 연료의 점화 과정 모사를 위한 화학반응 메커니즘으로는 Tao 등[11]이 개발한 상세반응 모델을 채택하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 TF-10의 주요 연소 물성치

TF-10은 exo-THDCPD가 주성분인 단일 연료로 물성치를 Jet-A1 또는 Jet-A[12]와 비교하여 Table 2에 나타내었다. TF-10은 Jet-A1에 비해 매우 높은 밀도를 가지며 그에 따라 단위 부피당 높은 연소열을 가진다. 세탄가의 일종인 DCN(Derived Cetane Number; 일반적으로 점화지연시간의 역수에 비례하는 관계를 가짐)이 매우 낮기 때문에 Jet-A1보다 점화지연시간이 상당히 길 것으로 예상할 수 있다.

3.2 TF-10의 점화지연시간

3.2.1 CRU로 측정한 점화지연시간

TF-10의 MCD를 Fig. 3에 나타내었다. 잘 알려진 바와 같이, 압력이 증가할수록 점화지연이 짧아짐을 확인할 수 있다. 44 atm과 49 atm에서는 최고 온도인 970 K에서만 점화되었고 그보다 낮은 온도에서는 점화되지 않아 측정된 데이터가 각 1개에 불과하였다. 또한, 예상한 대로, 동일 압력에서 TF-10의 점화지연시간은 Jet-A1보다 상당히 길다는 것을 알 수 있었다. 예를 들어, 44 atm에서 측정한 TF-10의 MCD는 41 atm에서 측정된 Jet-A1의 MCD보다도 약 8.4배 더 길었다. 즉, TF-10의 점화지연을 더 높은 압력에서 측정하였음에도 Jet-A1과 상당한 점화지연 차이를 보였다. 가장 높은 압력인 54 atm에서 측정된 TF-10의 MCD가 41 atm에서 측정된 Jet-A1의 MCD보다 모든 온도 조건에서 더 길었다.

Fig. 3.

Main combustion delays of TF-10 and Jet-A1 [13] measured by CRU at pressures of 44 to 54 atm.

3.2.2 충격파관으로 측정한 점화지연시간

충격파관으로 2∼12 atm 조건에서 TF-10의 점화지연시간을 측정하여 Fig. 4에 나타내었다. 압력이 낮아질수록 점화지연시간이 길어지는 정도가 증폭되었으며 이는 Fig. 3에서 MCD가 나타내는 경향과 동일하다.

여러 압력과 넓은 온도 범위에서 측정된 점화지연시간 데이터를 바탕으로 온도와 압력의 함수로서 TF-10의 점화지연시간 상관식을 다음과 같이 도출하였다.

위 상관관계의 결정계수(R2)는 약 99.5%로서 매우 높았다. 한편, Jet-A의 점화지연시간에 대해 Zhukov 등[14]은 다음의 상관관계식을 제시하였다.

두 수식에서, TF-10의 압력지수의 크기(절대값)가 Jet-A1 (또는 Jet-A)보다 크고 온도 지수의 크기가 작은 것을 알 수 있다. 한편, Jet-A1의 활성화온도가 더 크다. 이는, TF-10의 점화시간은 압력 의존성이 더 크다는 것을 의미한다. 반면, Jet-A1은 TF-10에 비해 온도에 더 의존적이며 온도가 낮아질수록 점화지연시간이 더 큰 폭으로 길어질 것이다. 이는 두 연료의 점화지연 측정 결과로부터도 확인할 수 있다. 12 atm에서 온도에 따라 두 연료의 점화지연을 충격파관으로 측정하여 Fig. 5에 나타내었다. 이 그림으로부터 다음을 알 수 있다. 측정 온도구간에서 MCD와 동일하게 TF-10의 점화지연시간이 Jet-A1[13,15]보다 더 길다. 그러나, 저온으로 갈수록 두 연료간 점화지연 차이는 작아진다. 왜냐하면, 온도 의존성이 더 큰 Jet-A1의 점화지연이 저온으로 갈수록 급격히 길어지기 때문이다. 즉, Jet-A1은 방향족 화합물이 포함된 대표적인 연료로써 저온에서 반응성이 낮은 방향족 성분의 영향이 크게 나타나기 때문이라고 판단된다.

Fig. 4.

Measured ignition delay time of TF-10 at pressures of 2, 5, and 12 atm and ϕ = 1.0.

Fig. 5.

Ignition delay time of various jet fuels of TF-10 and Jet-A1[13](or Jet-A[15]) at 12 atm and ϕ = 1.0.

3.3 열분해 생성물의 점화 단축 효과

3.3.1 열분해된 TF-10의 점화지연시간

Exo-THDCPD(TF-10의 주성분)의 열분해 생성물을 조사한 기존 연구[16]에 따라서 대표 생성물로 H₂, CH₄, C₂H₄를 선정하였다. 연료 전환율(TF-10의 분해율을 의미함)이 25%와 50%일 때, 각 분해 생성물과 TF-10의 혼합물의 점화지연시간을 계산하여 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6(a)에서 보듯이, H₂와 C₂H₄은 TF-10과 혼합되었을 때 점화지연시간을 각각 3%, 18% 가량 단축시켰다. 전환율이 50%로 증가한 경우, Fig. 6(b)에서 보듯이, 각각 9%, 40% 가량 점화지연시간을 단축시켜 그 효과가 좀 더 증대되었다. 그러나, CH₄의 경우 전환율과 상관없이 점화지연시간을 오히려 증가시켰다. 전환율 25%일 때는 3%, 전환율 50 %일 때는 10% 가량 증가한 점화지연시간을 보였다. 연료 전환율이 높아지면서 분해 생성물의 점화지연시간 단축 및 지연 효과는 커졌지만, H₂의 경우 그 정도의 차이가 크지 않았고 모든 조건에서 C₂H₄의 단축 효과가 가장 큰 결과를 보였다. 이러한 결과는, 점화지연시간이 상대적으로 긴 연료인 TF-10의 단점을 보완하기 위해 특정 화학종을 활용할 수 있음을 암시한다.

Fig. 6.

Ignition delay times of mixtures of TF-10 and each pyrolysis product such as H₂, CH₄, and C₂H₄ at fuel conversion ratios of (a) 25% and (b) 50% at 3 atm and unity equivalence ratio.

3.3.2 민감도 분석을 이용한 열분해 생성물(C₂H₄)이 점화지연에 미치는 효과 분석

점화지연 단축에 가장 효과적인 분해 생성물인 C₂H₄가 점화지연시간을 단축시키는 원인을 분석하기 위해 관련된 주요 반응단계들의 효과를 파악하고자 한다. 이를 위해 민감도 분석(sensitivity analysis)을 수행하였다. 이때, 민감도 지수는 다음의 식(3)과 같이 정의하였다.

여기서 k는 특정 반응 단계의 반응속도계수(reaction-rate coefficient), τ1은 계수가 k일 때의 점화지연시간, τ2는 계수가 2k일 때의 점화지연시간을 나타낸다. 특정 반응 단계의 민감도 지수가 음수인 경우, 그 반응은 점화를 촉진한다는 것을 의미한다. 반면, 양수인 경우, 그 반응은 점화를 지연시키는 반응이다.

상세반응 메커니즘은 상당히 많은 반응 단계를 포함하고 있기 때문에 모든 단계의 민감도 지수를 계산할 경우에 많은 계산 시간을 요구하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 계산 효율을 고려하여 상세반응모델을 축소하였다. 축소된 반응 메커니즘의 검증을 위해 충격파관으로 측정한 점화지연시간과 상세반응 및 축소반응 메커니즘으로 계산한 점화지연시간을 Fig. 7에 함께 나타내었다. 본 연구에서 축소된 반응 메커니즘에 포함된 화학종 개수는 39개로써, 기존 상세반응 메커니즘의 화학종 개수인 120개에 비해 1/3 수준으로 줄어들었다. 그럼에도 실험데이터와 잘 부합하는 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 7.

Ignition delay times of TF-10 from experiments and numerical simulations with detailed and reduced mechanisms at several pressures of (a) 2 atm, (b) 5 atm, and (c) 12 atm.

3 atm, 1200 K 조건에서 축소반응모델의 각 반응단계의 민감도를 조사하여 민감도 지수가 높은 15개의 반응 단계와 TF-10의 열분해 반응 단계 3개의 민감도 지수를 Fig. 8에 나타내었다. TF-10의 열분해 반응 단계의 반응식은 다음과 같다.

TR1: C₁₀H₁₆ + O₂ => HO₂ + 0.43 H+ 0.26 CH₃ + 0.31 aC₃H₅ + 0.781607 C₂H₄ + 0.062529 C₃H₆ + 0.859765 C₅H₆ + 0.367353 H₂ + 0.361213 C₆H₆ + 0.084728 C₆H₅CH₃,

TR2: C₁₀H₁₆ => 1.79 H+ 0.01 CH₃ + 0.2 aC₃H₅ + 0.866256 C₂H₄ + 0.0693 C₃H₆ + 0.952882 C₅H₆ + 0.407143 H₂ + 0.351373 C₆H₆ + 0.08242 C₆H₅CH₃,

TR3: C₁₀H₁₆ + OH => H₂O + 0.43 H+ 0.26 CH₃ + 0.31 aC₃H₅ + 0.781607 C₂H₄ + 0.062529 C₃H₆ + 0.859765 C₅H₆ + 0.367353 H₂ + 0.361213 C₆H₆ + 0.084728 C₆H₅CH₃.

Fig. 8.

Sensitivity indices of major reaction steps contributing to ignition acceleration or retard in the mixture of TF-10 and C₂H₄ at 3 atm and 1,200 K.

C₂H₄의 첨가로 인해, 점화를 촉진하는 C₂H₄와 OH가 결합하는 반응 단계 R3의 민감도 지수가 음의 방향으로 크게 증가하였다. 또한, R3 반응으로 C₂H₃가 생성되면서 C₂H₃가 O₂와 반응하는 R7 반응 단계를 활성화시켜 HCO와 CH₂O를 생성하였다. HCO는 산화되어 점화를 촉진하는 또다른 연쇄 반응을 활성화시키거나 H와 CO로 분해되어 연쇄 반응을 지속시킨다.

한편, C₂H₄의 첨가로 인해 열분해 반응식 중 점화 촉진 반응식인 TR1의 민감도 지수는 감소되었고, TR2의 민감도 지수가 커져, 열분해 반응은 대체로 점화를 지연시키는 것으로 판단된다.

Fig. 6에서 볼 수 있듯이, C₂H₄가 첨가된 TF-10 혼합물의 점화지연시간은, 전환율과 무관하게 순수 TF-10의 점화지연시간보다 짧았다. 이로부터, C₂H₄의 첨가로 인한 열분해 반응의 효과보다 점화 촉진 연쇄 반응의 효과가 더 우세하게 나타나는 것으로 판단된다.

4. 결 론

개발중인 시험용 흡열연료(TF-10)의 저압조건에서의 점화지연시간과 해당 연료의 열분해 생성물이 점화지연시간에 미치는 영향을 조사하였다. CRU와 충격파관 장치로, 저압과 넓은 온도 범위에서 시험연료의 점화지연시간을 측정하여 기존 항공유인 Jet-A1과 비교하였다. 시험 연료의 점화지연은 Jet-A1보다 압력에 더 의존적이며, 기존 연료 대비 매우 긴 점화지연시간을 보임을 알 수 있었다.

흡열연료를 추진기관 연료로 사용할 때 냉각채널에서의 열분해 과정 중 분해 생성물이 발생한다. 특정 열분해 생성물의 첨가는 시험연료의 점화지연시간을 단축시키는데 효과를 보였다. 시험 연료의 전환율에 따른 점화지연시간의 변화를 정량적으로 파악하였으며 특히, C₂H₄와 같은 특정 열분해 생성물은 점화지연시간을 단축시키는데 주요한 역할을 하였다. 민감도 분석을 통해, 이러한 열분해 생성물이 점화를 촉진하는 연쇄반응을 활성화하여 점화지연을 단축시킨다는 사실과 점화지연에 영향을 끼치는 주요 반응 단계를 파악하였다.

본 연구 결과, 시험 연료(TF-10)의 저압 조건에서의 점화 특성과 열분해 생성물이 점화에 미치는 효과를 규명하였다. 이러한 점화지연 정보는 극초음속 추진기관에 사용되는 흡열연료의 합성 및 제조, 연소기 설계에 활용될 수 있으며, 새로운 흡열연료의 화학반응모델 개발 및 검증에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.