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고체추진제 고체추진기관의 구조가 비교적 간단함에도 불구하고 고체추진제의 개발은 상대적으로 까다로운 과정을 거쳐야 함이 일반적이다. 일반적으로 고체추진제의 성능은 조성에 따라 판이하게 달라지게 된다. 즉 대량 첨가되는 산화제 및 연료 뿐만 아니라 소량 첨가되는 첨가제의 종류와 양에 따라 그 성능이 좌우된다. 또한 모든 고체추진제가 기능을 가진 성분들로 구성되어 있는 것이 아니라 고체추진제를 사용하는 추진기관의 목적에 부합되도록 추진제의 원료 성분들이 구성된다. 고체추진제를 조성(ingredients)별로 나누면 크게 세가지로 구분되며, 균질성, 니트라민, 그리고 불균질성계 추진제들이다. 이중에서 미사일 혹은 우주개발용으로 사용되는 고체추진제는 주로 불균질성계의 복합형이며, 이것을 복합형 고체추진제(composite solid propellant)라고 한다. 이것의 조성에는 세가지의 기본 성분이 요구되는데, 바인더 및 연료 역할을 하는 유기물질의 고분자 재료, 고체 상태의 산화제, 그리고 금속연료가 필수적이다. 이 밖에도 고분자 바인더를 가교시키기 위한 경화제, 산화방지제, 연소촉매, 가교반응촉매, 가소제 등이 사용된다. 고체추진제를 개발할 때 고려해야 할 기본적인 조건은 이것의 내탄도 성능 및 구조적인 만족도이다. 다시 말하면, 첫째, 비추력이 높아야 하는데, 해수면에서 7 MPa(1,000 psi)의 연소실 압력 조건에서 180초∼290초 범위에 들어갈 수 있어야 한다. 높은 비추력을 얻기 위해서는 높은 연소 온도가 요구되며, 연소시 발생되는 연소 가스의 분자량이 작아야 한다. 이를 위해서 분자량이 낮은 원소, 즉 Li, C, H, N, O 등을 포함하고 있으면서 생성열(heat of formation)이 플러스(+)이거나, 낮은 값의 마이너스(－) 수치를 갖는 화합물이 고체추진제 산화 원료로서 제일 유리하다. 실제로 이런 조건들을 모두 만족하는 화합물의 종류는 매우 제한적이다. 둘째, 높은 비추력과 더불어 높은 밀도가 요구된다. 이것은 모터 케이스의 부피를 줄이는 효과도 있지만, 연소시 낮은 연소 상수를 얻을 수 있으며, 연소 재현성을 높일 수 있기 때문이다. 세째, 광범위한 온도 범위 내에서 기계적 성질 및 물성이 우수해야 한다. 고체추진제는 구조재료이기 때문에 여러 가지 요인에 의해 균열이 발생될 수 있다. 균열이 생성되면 이것의 연소 표면적이 커지게 되며, 연소시 모터 케이스 내에 예기치 못한 높은 압력이 예상되며, 심지어는 불상사까지도 초래된다. 고체추진제의 균열은 취급 중이거나, 경화반응 중의 열적 변화, 점화시 급격한 내부 압력상승(ignition pressurization) 등으로부터 생성된다. 이러한 균열을 예방하기 위해서는, 우선 고체추진제 자체의 기계적 성질이 고려되어야 한다. 또한 주어진 외부환경 조건하에서 고체추진제의 그레인 변형이 거의 일어나지 않아야 하며, 이를 위해서는 각종 물성이 우수해야 한다. 즉, 구조적 integrity가 있어야 한다. 네째, 앞에서 언급한 내용 이외에도 저연(minimum smoke)과 무연(smokeless) 그리고 무공해성이 요구되는 경우도 있으며, 연소속도, 독극성, 폭발성, 안전성, 공정성, 단가(cost) 등이 고려되어야 한다. 위에서 열거한 조건을 모두 만족하는 고체추진제 개발은 실제적으로 매우 어렵기 때문에, 사용 용도에 따라서 해당 조건들을 고려해서 개발함이 일반적이다. 어떤 추진기관에 고체추진제를 충전하고자 할 때 추진제를 선정하는 절차는 다음과 같다. 먼저 예비설계 과정에서 추진기관의 부피, 필요한 추력, 구조상 추진제에 가해지는 응력, 추진제의 형상 등을 고려하여 추진제의 종류를 선택하고 추진제에 대한 각종 특성을 종합적으로 비교 분석한다. 선정된 추진제에 대한 성능, 내탄도 특성, 기계적 특성, 환경변화에 대한 안정성, 추진제의 위험도 등에 대해 점검한 후에 선정된 추진제를 표준 추진기관에 충전하여 지상연소시험을 통하여 여러 가지 자료를 수집 분석하며, 문제점이 없으면 실제 추진기관에 추진제를 적용하게 된다. 실제로 이들의 조성이 조금씩만 변화하여도 성능 및 특성에 큰 영향을 미치기 때문에 개발시에는 이론 성능과는 달리 많은 시행착오가 동반되기 마련이다. 이들 중에서 우주개발용 추진 모터로 많이 사용되는 것은 안정성이 가장 뛰어난 알루미늄이 함유된 복합형 고체추진제(aluminized composite propellant)로써 고분자 바인더로는 HTPB(hydroxy- terminated polybutadiene)가 가장 많이 사용되고 있다. HTPB이외에 PBAN(polybutadiene-acrylonitrile-acrylic acid) 및 CTPB (carboxy-terminated polybutadiene)가 과거에는 많이 사용되었으나 새로운 추진기관 시스템에는 HTPB로 대체되고 있는 실정이다.[15] 복합형 고체추진제 다음으로 현재 개발되어 사용되고 있는 것으로는 고에너지 고체추진제이며, 이것은 높은 비추력을 갖는 장점이 있지만 취급시 복합형 추진제보다 안정성이 뒤떨어지기 때문에 대형 1단 추진 모터보다는 소형의 2단 및 3단 혹은 4단 모터에 사용되는 게 일반적이다. 그러나 미국의 최신 대륙간 탄도미사일(ICBM)과 같이 정교하게 관리되고 운영되는 로켓추진기관 시스템에는 고에너지 추진제가 이들의 성능향상을 위해서 사용되고 있다. 최근에는 대기오염의 문제성 때문에 무공해 고체추진제(clean solid propellant)가 선진국에서 개발되어 시스템에 적용될 준비를 하고 있다. 이와 같이 재료과학이 발달할수록 더 우수한 성능을 갖으면서 로켓 시스템에 적용 가능한 에너지원이 될 수 있는 고체추진제가 계속 연구개발되어 소개되고 있다.