집 연료

집 연료(Zip fuel), ZIP 연료 또는 고에너지 연료('high energy fuel, HEF)는 하이드로 붕소 화합물 또는 보레인 형태의 첨가제를 포함하는 제트 연료 계열의 구성원이다. 집 연료는 기존 연료보다 높은 에너지 밀도를 제공하여 제트 항공기의 비행 거리를 연장하는 데 도움을 준다. 1950년대에 제트 항공기의 짧은 비행 거리가 군사 계획자들에게 큰 문제였을 때, 집 연료는 중요한 연구 주제였다.

XB-70 발키리, XF-108 레이피어, BOMARC 및 심지어 핵추진 항공기 프로그램을 포함한 여러 항공기가 집 연료를 사용하도록 설계되었다. 해군은 모든 제트 엔진을 집 연료로 전환하는 것을 고려하고 항공모함을 안전하게 저장할 수 있도록 개조하는 연구를 시작했다.

시험 결과, 연료는 몇 가지 심각한 문제를 가지고 있는 것으로 밝혀졌고, 전체 노력은 결국 1959년에 취소되었다.

설명

일반적인 추진제 조합에서 가장 높은 에너지 밀도 연료(무게 기준)는 수소이다. 그러나 기체 수소는 (부피) 밀도가 매우 낮다. 액화 수소는 밀도가 더 높지만 저장하기 복잡하고 비싸다. 탄소와 결합하면 수소는 쉽게 연소되는 탄화수소 연료로 만들어질 수 있다. 알루미늄 및 베릴륨과 같은 다른 원소는 탄소보다 훨씬 높은 에너지 함량을 가지고 있지만, 쉽게 연소될 수 있는 안정적인 연료를 형성하기 위해 잘 섞이지 않는다.

모든 저질량 원소 중에서 붕소는 높은 에너지, 낮은 중량 및 광범위한 가용성을 결합하여 잠재적인 연료로서 흥미롭다. 보레인은 약 70,000 kJ/kg (30,000 BTU/lb)의 높은 비에너지를 가지고 있다. 이는 약 42,000 kJ/kg (18,000 BTU/lb)을 제공하는 JP-4 또는 RP-1과 같은 일반적인 등유 기반 연료와 비교하여 유리하다. 그러나 보레인은 공기와 접촉하면 자발적으로 점화되는 경향이 있어 다루기 위험하므로 연료로 단독 연소하기에 적합하지 않다.

기존 제트 연료와 혼합되면 에너지 함량을 높이면서 다소 더 안정적이 된다. 일반적으로 붕소 강화 연료는 무게와 부피 모두에서 일반 JP-4보다 최대 40% 더 높은 에너지 밀도를 제공한다. 미국에서는 여러 종류의 연료가 조사되었으며, 일반적으로 공군의 프로젝트 HEF 동안 할당된 이름으로 언급되었다: HEF-1 (에틸디보레인), HEF-2 (프로필펜타보레인), HEF-3 (에틸데카보레인), HEF-4 (메틸데카보레인), 및 HEF-5 (에틸아세틸렌데카보레인).

집 연료는 여러 가지 단점이 있다. 첫째, 연료와 배기가스가 모두 독성이다. 이것은 비행 중에는 큰 문제가 아니었지만, 항공기를 정비하는 지상 요원에게는 주요 문제였다. 연료는 끈적하고 부식성이 있는 고체를 생성하며, 탄화 붕소 고체는 마모성이 있다. 이것은 제트 엔진의 터빈 블레이드에 심각한 문제를 일으켰는데, 배기가스가 블레이드에 쌓여 효율성을 떨어뜨리고 때로는 엔진의 치명적인 고장을 유발했다. 마지막으로, 배기가스 기둥은 석탄 연기처럼 미립자로 가득 차 있어 항공기를 먼 거리에서도 육안으로 식별할 수 있었다.

결국, 엔진 전체에서 HEF를 연소하는 문제는 해결할 수 없는 것으로 판명되었다. 쌓이는 것을 제거하는 것은 어려웠고, 그것이 유발하는 마모는 재료과학이 해결할 수 없는 문제였다. 재연소기에서 비교적 쉽게 연소할 수 있었지만, 이것은 재연소기를 장시간 사용하는 항공기에서만 효과적일 것이다. 연료 생산의 높은 비용과 독성 문제와 결합되어 집 연료의 가치는 심각하게 감소했다.

제트 연료로서 보레인에 대한 관심이 시들해진 후, 로켓 연료로서의 사용에 대한 소규모 연구가 계속되었다. 이것 또한 막다른 길로 판명되었다. 연소 생성물에 있는 고체 붕소 산화물이 예상되는 열역학을 방해했고, 추력 이점을 실현할 수 없었다.

역사

수년에 걸쳐 붕소화 연료에 대한 여러 연구가 이루어졌다. 1940년대 후반 미국 육군의 로켓 관련 프로젝트 HERMES로 시작하여 1952년 미국 해군 항공국의 프로젝트 ZIP, 그리고 1955년 미국 공군의 프로젝트 HEF(고에너지 연료)가 있었다. 1950년대 대부분 동안, 집 연료는 "차세대 큰 것"으로 여겨졌고, 이를 실용화하기 위해 상당한 자금이 이 프로젝트에 투입되었다. 해군의 이름이 붙어 모든 붕소화 연료는 "집 연료"로 알려졌지만, 공군의 연료 자체에 대한 명칭이 일반화되었다.

공군 프로그램의 주요 추진력은 HEF-3에 기반을 두었는데, 이는 빠른 도입에 가장 유력한 후보로 보였다. HEF는 B-52 스트래토포트리스를 대체할 새로운 장거리 폭격기를 건설하려는 WS-110 노력의 일부가 되었으며, 마하 2까지의 속도로 돌진할 수 있는 설계를 목표로 했다. 보잉과 노스아메리칸 (NAA)의 초기 설계는 모두 이륙 및 순항 시 기존 연료를 사용하고, 고속 돌진 시 HEF로 전환하여 재연소기 섹션에서만 연소했다. 이것은 HEF의 주요 문제를 피했다. 재연소기에서만 연소함으로써 터빈에 쌓이는 문제점을 제거했고, 재연소기가 이륙 및 고속 비행에만 사용되었기 때문에 독성 배기가스 문제도 크게 줄였다.

초기 설계가 상대적으로 작은 성능 향상에 비해 너무 비싸다는 것이 입증되자, 둘 다 설계 초기 단계로 돌아가 전투 임무의 대부분을 초음속으로 비행하는 새로운 설계를 내놓았다. 이 설계는 지속적인 고속 비행을 위해 설계된 새로운 엔진을 기반으로 했으며, NAA XB-70 발키리와 제너럴 일렉트릭 J93은 프로토타입 단계까지 진행되었다. 이 경우 재연소기는 더 긴 기간 동안 사용되어 HEF의 이점을 극대화했다. J93의 후기 버전을 도입하여 HEF-4를 전체적으로 연소할 계획도 있었다. 한편, BOMARC 램제트 엔진에 HEF-3를 사용하는 연구도 있었고, 미국 해군 항공모함 함대에 실어 미래 항공기에 동력을 공급하는 것에 대한 연구도 있었지만, 이 프로그램들은 모두 중단되었다.

문제가 해결하기 어려운 것으로 판명되면서 공군은 1959년에 프로그램을 취소했고, 집 연료에 대한 관심은 사실상 사라졌다. 이때쯤 HEF 사용을 여전히 고려하고 있던 유일한 설계는 XB-70과 그 J93이었다. NAA와 제너럴 일렉트릭은 새로운 고밀도 형태의 제트 연료인 JP-6를 사용하도록 엔진을 재설계하고 두 개의 폭탄창 중 하나를 새로운 연료 탱크로 채움으로써 대응했다. 그렇게 함으로써 비행 거리는 약 7,700 to 5,500 해리 (14,300 to 10,200 km)로 급격히 줄어들었다. 이는 미국에서 공격할 수 있는 목표의 선택을 줄였고, 모든 임무 프로파일에 대해 공중 급유가 필요하게 만들었으며, 이는 프로젝트가 결국 순수하게 실험적인 항공기로 재조정되는 또 다른 문제로 이어졌다.

미국은 이 프로그램에 2001년 인플레이션 조정 달러로 약 10억 달러를 지출한 것으로 추정된다. 미국에는 최소 5개의 HEF 생산 공장이 건설되었으며, 뉴욕에 있는 한 공장을 파괴한 폭발로 두 명의 작업자가 사망했다. 프로그램의 대부분은 진행되는 동안 최고 기밀로 분류되었지만, 그럼에도 불구하고 무역 언론과 일반 신문 모두에서 광범위하게 다루어졌다.

미국과 소련은 1964년에 독립적으로 연구를 기밀 해제했다.

집 연료 연구는 SR-71 블랙버드에 사용되는 JP-7 연료의 점화제로 트라이에틸보레인을 사용하게 되었다.

HEF 프로그램의 잠재적으로 지속되는 유물 중 하나는 캘리포니아주 보론 외곽에 버려진 비포장 비행장이다. USGS 지형도에 "공군 공장 #72"로 표시되어 있지만, 활주로와 물탱크 외에는 아무것도 건설되지 않았다. 이는 대규모 붕사 매장지(마을 이름의 유래)를 사용하여 HEF 연료 공장이 되었을 것이며, 그곳에서 에드워즈 공군기지로 쉽게 운송할 수 있었을 것으로 추측된다.

참고 자료

• Clark, John Drury (1972). 《Ignition! : An Informal History of Liquid Rocket Propellants》. Rutgers University Press. ISBN 978-0-8135-9919-9. OCLC 1125188610. 
• J. R. Cracknell, "High Energy Fuels", Flight International, 15 March 1956, pg. 332–334
• Dequasie, Andrew (1992년 4월 1일). 《The green flame: surviving government secrecy》. 
• M. Frederick Hawthorne, "From Mummies to Rockets and on to Cancer Therapy"
• Griswold, Wesley (October 1957). 《Super-Potent 'Zip' Fuels Pack More WHOOSH》 (영어). Bonnier Corporation. 86–89, 250쪽. 
• Dave Schubert, "From Missiles to Medicine: The development of boron hydrides", Pioneer, March 2001
• "Boron Air Force Plant #72 Airfield, Boron, CA"