제임스 하트 와일드: 스스로를 냉각하는 엔진

1938년 12월 10일, 뉴욕주 뉴로셸에서 소규모 아마추어 그룹이 자체적으로 파괴되지 않는 로켓 모터를 점화했습니다. 90파운드의 추력, 13초의 연소 시간, 그리고 이 실험의 핵심이었던 '번스루(burn-through, 노즐 벽이 녹아 구멍이 나는 현상) 없음'을 달성했습니다. 그때까지 만들어진 모든 액체 연료 로켓 엔진은 연소실을 녹일 만큼 뜨거운 배기 가스와의 싸움을 벌이고 있었습니다. 제임스 하트 와일드(James Hart Wyld)의 모터는 이를 뒤집어 문제를 해결했습니다. 그는 차가운 추진제가 연소되기 전 연소실 주변의 재킷을 통과하게 하여 연료가 엔진을 식히고 엔진은 연료를 예열하게 했습니다. 버려지는 것은 없었습니다. 그 이후에 만들어진 모든 액체 추진제 로켓 모터는 이 원리를 기반으로 작동합니다.

프린스턴, 그리고 한 권의 책

와일드에 대한 전기적 기록은 빈약하고 일관성이 없습니다. 표준적인 기록들은 그가 1912년 뉴욕시에서 태어났는지, 1913년 뉴저지주 폼프턴 레이크스에서 태어났는지에 대해 의견이 갈립니다. 확실한 것은 그가 뉴욕주 호손의 하비 예비학교와 코네티컷주의 솔즈베리에서 교육을 받았으며, 이후 프린스턴 대학에서 1935년 기계공학 학사 학위를 받았다는 점입니다.

기계공학자를 로켓 연구자로 바꾼 것은 데이비드 라서(David Lasser)가 쓴 책 우주 정복(The Conquest of Space)이었습니다. 라서는 당시 미국 행성간 학회(나중에 미국 로켓 학회로 변경)의 창립 멤버였습니다. 라서의 책은 우주 비행이 공상과학이 아닌 공학적 문제라고 주장했고, 와일드는 그 학회에 가입했습니다. 자료에 따라 그의 가입 시기를 이르면 1931년, 늦으면 1935년 3월로 봅니다. ARS는 미국 최초의 민간 로켓 제작 조직으로, 정부 지원 없이 맨땅에서 모터를 시험하던 애호가, 작가, 공학자들의 모임이었습니다.

재생 아이디어

그들 모두가 직면한 장애물은 열이었습니다. 액체 연료 모터는 1930년대에 구할 수 있는 어떤 연소실 재료의 녹는점보다 훨씬 높은 온도를 발생시켰으며, 시험 발사 결과는 몇 초 만에 노즐이 녹아 구멍이 나는 것이었습니다. 벽을 두껍게 하거나, 특수 합금을 사용하거나, 연소 시간을 단축하는 것 같은 명확한 해결책들은 추력, 질량 또는 유용성을 희생시켰습니다.

1936년 와일드는 M-15로 지정한 해결책을 구상했습니다. 이는 연소 전 추진제가 순환하는 이중벽 노즐입니다. 연료가 곧 냉각제가 됩니다. 연료는 그렇지 않았다면 연소실을 파괴했을 열을 흡수하여 연소 과정으로 되돌려 보냅니다. 따라서 엔진은 더 시원하게 작동하면서도 더 강력한 힘을 냅니다. 이는 뒤돌아보면 당연해 보이지만 당시에는 아무도 생각하지 못했던 아이디어 중 하나입니다.

그는 1938년 4월 학술지 애스트로노틱스(Astronautics)에 이 개념을 발표했고, 그해 12월 성공적인 시험이 이어졌습니다. 1941년 7월경 개량된 설계는 125파운드의 평균 추력을 지속적으로 생산했습니다. 1941년 11월, 학회는 미 해군에게 이 모터를 시연했으며, 해군은 짧은 갑판에서 항공기가 이륙할 때 사용하는 로켓 보조 이륙 장치에 관심을 보였습니다.

리액션 모터스

진주만 공습 9일 후인 1941년 12월 16일, 와일드와 4명의 ARS 동료들은 미국 최초의 상업용 로켓 회사인 리액션 모터스(Reaction Motors, Inc.)를 설립했습니다. 와일드는 비서이자 연구 책임자로 일했습니다. 이는 들판에서 90파운드 모터를 쏘던 취미 모임에서 해군이 후원하는 제조업체로 단 몇 주 만에 탈바꿈한 엄청난 변화였습니다.

회사는 빠르게 성장했습니다. 전시에 사용된 JATO(제트 보조 이륙) 부스터는 1943년까지 3,400파운드의 추력을 냈고, 1940년대 중반에는 RMI 엔진이 6,000파운드를 생산했습니다. 1938년의 작은 재생 냉각 장치로부터 직접적인 혈통을 잇는 4실 모터 6000C-4는 벨 X-1에 장착된 엔진이었습니다. 이 항공기는 유인 비행체 최초로 음속을 돌파했습니다.

와일드는 그 이후의 많은 것을 보지 못했습니다. 그는 1953년 41세의 나이에 심장 질환으로 사망했습니다.

제임스가 천재라 불리는 이유

솔직한 평가는 와일드가 광범위하거나 시스템을 구축하는 지성적 의미에서의 천재는 아니었다는 것입니다. 그는 매우 좋은 아이디어 하나를 가지고 그것을 실행에 옮긴 사람이었습니다. 그러나 그의 아이디어는 그 품질이 남다르기 때문에 면밀히 살펴볼 가치가 있습니다. 재생 냉각은 역전입니다. 기계를 파괴하는 것을 가져와 기계를 작동시키는 곳으로 돌려보냅니다. 적이었던 열이 예열된 추진제라는 자산이 됩니다. 손실 요인을 이득 요인으로 바꾸는 이러한 재구성은 공학적 통찰력의 한 종류이며, 점진적인 영리함보다 훨씬 드뭅니다. 또한 이는 시스템을 보호하는 방법이 아니라 에너지의 실제 흐름을 신중하게 고민한 사람에게서만 나올 수 있는 아이디어입니다.

그의 업적에 대한 주장은 그토록 무명의 인물치고는 외부적으로도 이례적으로 잘 입증되어 있습니다. 그의 재생 냉각 설계는 "모든 현대식 액체 추진제 로켓 모터의 기초가 되었다"는 문장이 적용될 수 있는 몇 안 되는 공학적 결정 중 하나입니다. 스미소니언 박물관은 그의 1942년 엔진을 전시하고 있습니다. 미국 항공우주학회(AIAA)는 그의 이름을 딴 추진 상을 제정했습니다. 달에는 와일드(Wyld)라는 이름의 크레이터가 있습니다.

반대되는 주장도 사실입니다. 그는 20대 중반에 한 번의 혁신을 이루었고, 짧은 경력의 나머지는 이를 추가하기보다 상업화하는 연구 책임자로 보냈습니다. 그는 이론가가 아니었으며 추진의 수학이나 물리학에 기여한 바가 없습니다. 같은 시기 유럽의 다른 사람들도 유사한 냉각 체계에 접근하고 있었고, 그의 우선권은 세계적이라기보다 미국적입니다. 그는 폰 브라운(von Braun)이나 고다드(Goddard)를 선호하는 대중적인 우주 비행 역사서에서 보이지 않습니다. 기록이 뒷받침하는 것은 칭송받는 천재성이 아니라, 초기에 도달했고 영세한 환경에서 증명되었으며 오늘날 비행하는 모든 로켓 아래에 여전히 존재하는 단 하나의 결정적인 공학적 통찰력입니다.

유산

1938년 뉴로셸에서 벨 X-1으로 이어지는 경로는 짧고 직접적이며, 거기서 멈추지 않았습니다. 재생 냉각은 머큐리(Mercury)와 아폴로(Apollo)를 발사했던 엔진, 오늘날 비행하는 엔진 등 그 이후에 만들어진 모든 중요한 액체 추진 엔진의 표준입니다. 이제는 너무나 당연하게 여겨져서 이름조차 거의 언급되지 않습니다. 와일드 자신의 삶은 거의 흔적을 남기지 않았습니다. 회고록도 없고, 유명한 사진도 없으며, 논란이 있는 출생 기록, 그리고 뉴저지의 한 마을에서 41세로 생을 마감했습니다. 그의 기념비는 절대 대체할 필요가 없을 정도로 탄탄한 설계 결정, 국립 항공우주 박물관의 유리벽 뒤에 있는 엔진, 그리고 그의 이름을 간직한 달의 크레이터입니다.