1. 개요
에너지를 방출하기 위해 연료로 사용할 수 있는 다양한 형태의 고체 물질. 액체 연료 및 기체 연료와 대조된다. 일반적인 예로는 장작, 목탄, 토탄, 석탄, 건조된 배설물, 목재 알갱이, 심지어 옥수수나 밀 등 곡물도 연료로 사용될 수 있다.그러나 아웃도어 업계에서는 흔히 알코올을 굳혀 만드는 고형 알콜 연료를 의미하며, 밀리터리에서는 로켓이나 미사일의 고체 추진제를 지칭하는 경우가 많다.
2. 구성물질에 따른 분류
- 고체 알콜: 메탄올 등을 파라핀이나 비누로 굳혀 만드는 캠핑용 고체연료. 때문에 공기중에 방치하면 알콜이 증발해 버리므로 개별 포장을 한다. 넘어져도 흐르지 않고, 불이 쉽게 붙으며, 연기가 적다. 냄비나 캔틴컵 정도를 데우거나 모닥불 또는 숯불을 피우기 위한 착화제로 사용한다. 성분상 고기를 직접 굽는 등 직화는 하지 않는 것이 좋다.
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Esbit Hexamine fuel tablet: 포름알데히드와 암모니아를 반응시켜 생성된 헥사민을 고형제로 굳힌 연료. 서양에서는 흔히 '에스빗'이라고도 부르는데, 호치키스나 포크레인과 같이 일반화된 상표명이다. 주 재료를 보면 알 수 있듯이 섭취하면 위산과 반응해 독성 포름알데히드로 전환될 수 있고, 연소시에도 포름알데히드, 암모니아, 산화질소, 시안화수소 등이 생성될 수 있다. 연기 자체가 유해하다는 의미.
아울러 헥사민은 군용 고폭약인 RDX의 합성을 위한 전구체이기도 하여 가용성이 규제되고 있다. - 석탄
- 장작
- 우드 펠릿
- 숯 / 목탄 Charcoal
- 토탄(Peat): 습지에 퇴적된 유기물이 석탄처럼 탄화하여 만들어지는 고체 연료.
- 바이오매스: 원래 일정지역 내에 존재하는 모든 생물의 중량을 나타내는 생태학상의 개념이었는데, 미국 에너지부의 대체에너지 개발 프로젝트인 ‘바이오 매스에서의 연료생산’(fuel from bio-mass)에 의해 ‘양적인 생물자원’이란 새로운 개념으로 정착됐다. 1차적으로는 기존에 불을 때는데 사용하는 땔감, 바이오 디젤용 농작물, 우드펠릿 등을 포함한다. 그리고 2차적으로는 기존 기술로는 도무지 사용할 여지가 없는 음식물 쓰레기, 경작하고 남은 농업 잔류물(agricultural residues), 땔감이나 목공용으로 패고 남은 목재 찌거기(organic waste), 동물의 지방과 기름 등을 압축하고 인위적으로 탄화시켜서 만드는 재활용 고체 연료이다.
3. 용도
3.1. 고체 알콜
화력 자체는 낮은 편이지만 장작보다 불이 잘 붙고, 부탄가스 버너보다 가볍고 단순하다. 개인 캠핑객들이 핸디 버너로 사용하는가 하면 장작이나 숯불의 불쏘시개로도 쓰이고, 식당에서 개별 조리기구나 음식이 식지 않도록 하는 용도로 활용하기도 한다. 실내에서 사용시 화재로 번질 위험이 있기 때문에 주의가 필요하다. #건설업계에서 겨울이나 장마철 등 콘크리트가 잘 굳지 않는 시기에 콘크리트 양생을 위해 사용하기도 한다. 양동이만한 대형 깡통에 든 고체연료를 건설중인 건물 이곳저곳에서 밤새도록 활활 태우는 방식.
서구 군대에서는 오래도록 전투식량을 데워먹는 데 사용되고 있다. 미군이 MRE에 물과 반응해서 열을 내는 가열팩을 채용한 반면 프랑스, 벨기에, 이탈리아, 독일, 영국, 러시아 등 유럽의 군대들은 아직도 대부분 통조림 형태인 주식을 데우기 위해 고체연료를 사용한다. 전투시에 먹는 게 아니라 깡통 덥혀 먹을 정도의 여유는 있지만 야전식당을 차리고 배식할 정도의 여력은 없는 상황을 상정하고 있으며, 서구식 식생활의 특성상 급하면 비스킷이나 치즈 등 데울 필요 없는 메뉴만 씹으면서 전투할 수도 있다. 무겁긴 하지만 차량화가 잘 되어 있기도 하다.
예외로는 우크라이나군이 2018년 전투식량을 개선하면서 레토르트 패키지에 가열팩을 도입했고, 한국과 일본을 비롯해 아시아와 아프리카권 국가들이 의외로 가열팩을 종종 쓴다.
3.2. 로켓
로켓 및 미사일의 추진체. 액체연료 로켓은 구조적으로 복잡하고 무기체계로서는 불편도가 크기 때문에 고체연료 추진체가 주로 사용된다. 일부 소련제 구형 대함미사일이 액체연료 로켓을 사용하기도 하지만 이는 말 그대로 '구형'이고 서방측에서 액체연료를 사용하는 순항미사일은 로켓이 아니라 외부 공기를 흡입해 연소하는 제트 엔진 계열이다. 이것조차 고체 램제트 엔진 또는 덕티드 로켓이라 하여 산화제를 포함하지 않은 고체연료 외부흡기식 대기권내 추진기가 개발되고 있는 실정.[1] 이는 연료를 연소시키는데 드는 산소량이 많은 만큼 기존 고체 추진제에서는 산화제가 차지하는 중량이 컸고, 고체 추진제에서 산화제를 빼면 같은 무게에서 추진력을 늘리거나 반대로 미사일을 경량화시킬 수 있기 때문이다.액체연료 로켓은 연료와 액화산소를 따로 탱크에 넣어 연소실에 공급하여 연소시키므로 연소실 상태에 따라 적합한 분사량을 조절할 수 있으나, 미사일이 장거리화할수록 연료도 그냥 경유나 항공유가 아니라 유독한 화학물질이 되어 위험하고 연료탱크를 부식시켜 미사일에 오래 주입해 둘 수가 없다. 따라서 발사하려면 대량의 연료와 액화산소를 주입하는 시간이 필요해 선제공격을 당할 위험성이 존재한다. 이런 위험한 연료와 액화산소를 따로 보관해야 하니 관리가 복잡하고 사고 우려가 있다는 것도 단점이다.
반면 연료에 산화제를 함께 굳혀서 고체 로켓으로 만들면 관리하기도 쉽고 장전해 뒀다가 신호가 오는 즉시 발사할 수 있다. 일단 연소를 시작하면 추력을 조절할 수는 없어도[2] 발사대기 상태로 보관할 수 있으니 관리가 쉽고 명령이 떨어지는 즉시 발사할 수 있다.
단면도 같은 것을 보면 고체연료 쪽이 엔진 구조가 단순해서 쉬워보이지만 무게가 무거운 탄도탄 수준이 되어 크기가 커지면 의외로 필요한 기술수준이 높다. 예를 들어 혼합 과정에서 성분이 한쪽에 쏠려 불을 붙였는데 비스듬하게 탄다거나, 고체연료에 균열이 있어서 불이 균열 안으로 들어가 안쪽에서 터진다거나, 처음엔 잘 만든 고체연료가 시간이 지나자 경화제가 열화하여[3], 혹은 보존 온도와 습도, 이동시의 진동에 의한 충격, 심지어 발사시의 충격 등등의 원인으로 균열이 생긴다거나, 연소열을 높이기 위해 첨가한 분말 알루미늄이 산화하는 등 성분이 변질된다거나 기타등등 온갖 위험사유가 있는데, 그나마 기기를 점검하고 연료 성분을 검사할 수 있는 액체연료와 달리 고체 추진체는 속이 어떻게 되어 있는지 알기 힘들다. 최초의 탄도미사일이라 할 수 있는 V2 로켓부터가 액체 추진형이었고, 미국도 한동안 액체연료 탄도미사일을 운용하다가 1970년에야 처음으로 고체연료 ICBM인 미니트맨 III을 배치했을 정도로 고체연료 로켓은 기술적 난도가 높다.
70mm 하이드라 로켓이나 공대공 미사일 같은 소형은 좀 낫지만 대형 고체추진체를 만들려고 할수록 어려워져서, 한국군 탄도미사일 개발사에서도 백곰 탄도미사일 때는 추진체 4개를 묶어서 사용하다가 현무 미사일에서야 단일 추진체를 만들 수 있게 되었다. 이는 미사일의 신뢰성에서 중요한데, 4개의 추진체 중 하나라도 불량이 나면 미사일이 통째로 발사 실패되니 단일 추친체보다 발사 실패 가능성이 높아지기 때문이다.
여담으로 한국은 미국의 모 기업이 '때마침' 폐업을 하고 장비, 특히 대형 교반기[4]를 비롯한 핵심설비를 폐기처분하는 것을 '운 좋게' 집어왔다나. 그야말로 "니들 CIA하고는 아무 관계 없지?" "네." "그래 잘하자." 에 가까운 눈가리고 아웅... 일 것이다.
이렇게 만들기는 어려운데 민간 우주개발에는 액체연료에 비해 그다지 강점이 없는 반면 군사적인 장점만 가득한지라 국제적으로도 액체연료 로켓까지는 우주 사업용이라고 우기면 어찌어찌 넘어갈 수도 있지만[5] 고체연료 로켓 개발은 빼박 탄도탄 개발로 취급하는 실정. 특히 북한이 2016년 고체연료를 사용한 북극성 발사에 성공하면서, 액체연료 주입을 미리 탐지해서 발사전에 타격할 수 있다는 개념으로 짜여진 한미연합군의 킬 체인이 사실상 무력화된 게 아니냐는 의견이 나왔었다.
그동안 한국의 우주 발사체 추진력은 ‘100만 파운드/초’로 제한되어 있었으나,[6] 2020년 7월 28일 한미 미사일 사거리 지침 개정을 통해 이제 한국의 모든 기업과 연구소, 대한민국 국적의 모든 개인은 기존의 액체연료뿐 아니라 고체연료와 하이브리드형 등 다양한 형태의 우주 발사체를 아무 제한 없이 자유롭게 연구, 개발하고 생산, 보유할 수 있게 되었다. 한·미 미사일지침 개정…우주발사체 고체연료 사용제한 해제
2022년 3월 30일에는 국방과학연구소에서 자체개발한 고체 추진 우주발사체의 시험발사가 처음으로 성공했다. # 한국형 고체연료 발사체 참고.
[1]
이게 의외로 어려워서, 일본도 자체개발을 포기하고 유럽의 미티어 공대공 미사일 개량에 참여했다.
[2]
고체연료를 층층이 성분을 다르게 하여 발사 직후에는 높은 추력을 내다가 중간 단계에는 낮은 추력으로 비행시간을 연장하고 최종 돌입 단계에 다시 고추력을 발휘해 기동력을 증강시키는 기술도 있긴 한데, 만들기 어려운 것은 둘째치고 주변 환경에 관계없이 처음 계획한 대로만 추력이 변화한다.
[3]
미사일의 보증기간에 직접적인 영향을 끼친다.
[4]
고체연료를 굳힐 때 균일하게 잘 섞어주는 장비. 보유한 교반기보다 큰 대형 추진체는 만들 수 없다. 백곰 때 작은 추진체 4개를 묶어 추진력을 높일 수밖에 없었던 이유.
[5]
물론 미국과 사이가 나쁘면 우주 개발이고 뭐고 그냥 처맞는다. 유명한
스커드 미사일도 액체연료이기도 하다.
[6]
한미 미사일 사거리 지침은 미국과 공식적으로 협의한 것이 아니라 한국 측에서 문서 형식으로 통보한 사안이다. 알아서 중국이나 소련과의 핵경쟁에 변수가 되지 않고 오직 북한만 견제하겠다고 확언한 것. 이랬기에 백곰사업을 미국과 마찰 없이 진행하는 한편 미국으로부터 기술 및 부품 등의 지원을 추가로 받을 수 있게 되었다. 상술한 고체추친체 생산장비 획득사를 다시 보자.