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항공우주산업기술동향 15권 1호 (2017) pp. 142~150

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기술동향

마이크로중력  환경  활용  연소분야  우주실험  동향

이종원*

1 )

, 이주희*, 김연규*

Trend  on  combustion  experiment  for  utilizing

microgravity  environment

Lee, Jong-Won*, Lee, Joo-Hee*, Kim, Youn-Kyu*

ABSTRACT

For over past 10 years, scientists have been studying on combustion phenomenon to understand

complex interaction of fuel vapor & oxidizer transport, fuel vaporization, conductive/convective/
radiative heat loss and chemical kinetics on the International Space Station(ISS). In this paper, the
overview and research trend of the combustion experiments which was conducted and is ongoing
now on ISS is introduced and reviewed. Through this survey for combustion experiment in
microgravity condition, it will be helpful to understand scientifically combustion phenomenon and
to find considerable industrial importance.

초  록

연소과학 분야에서 국제우주정거장

(ISS)을 활용한 우주실험은 2008년부터 시작되어 현재에 이

르기까지 약 

10여년의 기간동안 연구가 진행되고 있으며, 이러한 연구를 통해서 ISS에서는 복잡

한 연소 현상을 이해하고 다양한 사실들

(연료의 기화와 산화제 수송, 연료 증발, 전도/대류/복사 

열 손실

, 화학 반응속도 등)을 입증하기 위한 노력을 기울여왔다. 본 논문은 이러한 실험들에 대

한  간략한  소개로써

, ISS에서 진행되었거나  진행  중인 우주  연소실험  분야의 연구동향에  대해 

이야기하고자 한다

. 이를 통해 국내의 연구자들이 마이크로중력 환경에서의 연소과학 분야에 대

한 연구 필요성을 인지하는 계기가 되기를 기대한다

.

Key Words : Microgravity Environment(마이크로중력 환경), Combustion Experiment(연소 실험),

International Space Station(ISS, 국제우주정거장)

* 이종원, 이주희, 김연규, 한국항공우주연구원, 융합기술연구센터 항공우주응용재료팀

ljw21c@kari.re.kr, jhl@kari.re.kr, ykkim@kari.re.kr


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이종원 외 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 142~150

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그림 1. 중력의 변화에 따른 양초에서의 화염형상의 

변환(왼쪽: 지구 중력, 오른쪽: 마이크로중력) [11]

1. 서 론

인류  역사상 가장  획기적인  사건 중  하나는 

불의  발견이다

. 자연에  존재하던  불을  인류가 

다루기 시작하면서 다양한 산업적 발전을 이루

게  되었다

. 그러나 인류가  오랜  시간  동안  불

을  다루고  사용해  왔음에도  불구하고  아직도 

, 또는 연소 현상에 대해 명확하게 규명되지 

않은 사실들이 매우 많다

. 이렇게 연소에 대한 

이해가 어려운 이유는 현상 자체가 

3차원 공간

상의 문제로써 다양한 열전달 현상이 결합되어 

있어  운동량

, 에너지, 화학종  방정식을  동시해 

고려해야만 하는 비정상 상태의 현상이기 때문

이다 

[1]. 또한, 지상의 중력 환경(1g)에서는 화

염  주위에  발생하는  부력으로  인해  강한  유동

이  발생하여  연소의  물리적  현상을  정확히  규

명하기가 어렵다 

[2].

따라서 다양한 연소현상에 대한 이해를 위해 

마이크로중력

(microgravity) 환경을  활용한  연

구가  수행되어지고  있다

. 마이크로중력 환경에

서는 화염 발생 시 중력으로 인한 부력이 발생

하지  않아  구형의  대칭  화염을  생성시키므로 

물질

(화학종) 및 열전달 현상이 모두 반경방향

으로만 발생하게 되어 

1차원의 문제로 단순 해

석함으로써 연소 현상에 대한 이해가 가능하게 

된다

.

현재 이러한 마이크로중력 환경을 모사할 수 

있는  시설로는  자유낙하탑

(drop- tower), 무중

력  비행기

(parabolic flight), 국제우주정거장

(International Space Station, ISS) 등이 있으며,
특히 

ISS에서는 세계 각국과의 협력을 통한 다

양한 연소실험 연구를 수행하고 있다

.

2008년부터 진행되어 온 ISS에서의 연소실험

은 미국항공우주국 글렌연구센터

(NASA Glenn

Research

Center,

GRC)에서 

개발한 

MDCA(Multi-user

Droplet

Combustion

Apparatus)와 함께 약 10여년의 기간 동안 연
소  실험이  진행되어  왔으며  이러한  연구를  통

해  연소  현상을  이해하고  다양한  사실들

(연료

의 기화와 산화제 수송

, 연료 증발, 전도/대류

/복사 열 손실, 화학 반응속도 등)을 입증하기 
위한 노력을 기울이고 있다

.

본  논문에서는  이 실험들에  대해  간략히 소

개하고 

ISS에서의  연소분야  우주실험  연구  동

향에 대해 이야기하고자 한다

.

2.  마이크로중력  환경에서의  연소

마이크로중력  환경에서는  앞서  설명한  바와 

같이  중력의  크기와  밀접한  관련이  있는  부력

이  거의  사라지게  된다

. 따라서  화염  주위의 

밀도  차로  발생하는  부력의  영향으로  인한  유

속이 거의 존재하지 않는다

. 화염의 형상은 이

러한  유속  차에  의해  변화하게  되는데  일반적

으로 

화염영역 

두께를 

 (flame

zone

thickness)라고  하였을  때  식  (1)과  같이  화염 
주위의  유속

( )과  가스의  열  확산율()과의 

관계로 나타낼 수 있다 

[3].

  



              (1)

식 

(1)에서 유추할 수 있는 것처럼, 마이크로

중력  환경에서  화염의  두께는  아주  작은  유속

조건에 의해 크게 증가하게 된다

. <그림 1>은 


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이종원 외 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 142~150

연소실험

수행기간

실험모듈

국가

ACME

2016.09~

2017.09

2017.09~

2018.02

Destiny 

모듈

미국

SAME

2007.04~

2007.10

2010.03~

2010.09

FLEX

2008.10~

2009.10

2010.03~

2011.09

2011.09~

2012.05

Destiny 

모듈

MDCA/CIR

FLEX-2

2009.10~

2016.03

2016.03~

2017.09

FLEX-2J

2015.03~

2016.03

미국/

일본

FLEX-ICE-

GA

2013.03~

2014.03

미국/

이탈
리아

BASS

2011.09~

2013.09

Destiny 

모듈

Microgravity 

Science 

Glove  box 

(MSG) 

미국

BASS-II

2013.09~

2014.09

2015.03~

2015.09

2016.03~

2017.09

BASS-M

2015.09~

2016.03

SPICE

2008.10~

2009.10

2017.04~

2017.09

SLICE

2011.03~

2012.05

Atomization

2014.03~

2014.09

2015.03~

2016.03

2016.03~

2016.09

2017.04~

2017.09

2017.09~

2017.02

Japanese 

Experiment 

Module 

(JEM),

Kibo

일본

Group 

Combustion

2015.03~

2016.03

2016.03~

2017.09

CFI

예정

Destiny 

모듈  예정

미국

표 1. 국제우주정거장에서의 연소실험 [11]

중력의  변화에 따른  화염의  형상을  나타낸  것

으로써  일반적으로  마이크로중력  환경에서  정

상  상태에  이른  화염은  청염의  반구형상이  형

성되며  끝부분만  약간의  오렌지색을  띠게  된

. 이로 인해 연료와 산화제가 분자확산에 의

존하여 연소 반응 영역에 전달되고 식 

(1)로부

터 확장된 화염영역으로 인해 복사열전달을 통

한 열손실이 커지고 화염온도가 낮아져 그을음

(soot)의  발생이  현저히  줄어드는  현상이  나타
나게 된다 

[4-6].

이렇듯  마이크로중력  환경에서의  연소특성 

연구는 

1차원적  해석을  통한  모드별(diffusive

vs. radiative) 화염소멸 현상, 점화현상, 화염전
파  현상

, 그을음(soot) 생성메커니즘, 냉염(cool

flame) 등의 심화연구가 용이하고, 이러한 해석
을  적용하여  연소기의  효율  향상  및  공해물질 

저감을 위한 기초 연구가 가능하다 

[7,8].

3.  국제우주정거장  활용  연소실험

ISS에서는 <표 1>과 같은 마이크로중력 환경

을  활용한  다양한  연소실험을  수행하고  있다

.

각각의  실험들에  대한  연구  내용을  다음과  같

이 소개하고자 한다

.

3.1  ACME(Advanced  Combustion 

Microgravity  Experiment)

ACME(Advanced Combustion Microgravity

Experiment) 프로젝트는 ISS의 미국 모듈에 있
는 

CIR(Combustion Integrated Rack)에서 수행

되는  기체  화염에  대한  연구이다

. 이  연구의 

목적은  기체  화염에  대한  연소  수치해석모델 

개선을 통해 지상에서 사용되는 연소장치의 연

료 효율성을 향상시키고 그을음과 같은 오염물

질  생성을  감소시키는  데  그  목적을  두고  있

. 이뿐만  아니라  우주선  제작에서  사용되는 

재료의  인화성  연구를  통해  유

/무인 우주선의 

화재 방지에 관한 연구도 수행 중이다

.


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3.2  ATOMIZATION

Atomization 실험은  ISS의  일본실험모듈인 

JEM(Japanese Experiment Module, Kibo)에서 
수행되는  연구로써

, 무화(atomization) 연소 메

커니즘을  분석하기  위한  연구이다

. 무화  연소

, 액체연료를 미립자화하여 연료의 표면적을 

넓게  함으로써  연료와  공기가  혼합이  잘  이루

어져  연소효율을  향상시키는  연소방식이다

. 이

러한  연소방식은  로켓이나  제트  엔진  내부의  

분무연소

(spray combustion)에서  발생하게  된

. 마이크로중력  환경에서의  무화에  관한  연

구는 분무 과정에서의 발생되는 액적연료의 미

립자화와  연소과정을  하나의  연속된  흐름

(liquid stream)으로  획득하여  로켓이나  제트 
엔진뿐만 아니라

, 자동차 엔진 등의 성능 개선

에 활용하기 위한 연구이다

.

3.3  BASS(Burning  and  Suppression  of 

Solids)

BASS 실험은 마이크로중력 환경에서 다양한 

연료 샘플에 대한 고체의 연소 및 소화 특성을 

연구한다

. 이는 마이크로중력 환경에서 발생하

는  갑작스런  화재를  예방하기  위한  연구로써 

우주뿐만  아니라  지상에서의  화재  탐지  및  화

재  진압  시스템  설계에  사용되는  연소계산  모

델의  정확도  향상에  기여하기  위한  연구이다

.

이를  위해  평평한  재료

, 구체, 관내의  양초

(candles within tubes) 등  크게  3가지의  연료 
샘플  모델로  나누어  실험을  진행하였다

. 실험

에 사용된 고체 재료는 목화

-유리섬유 천 혼합

(cotton-fiberglass fabric blend)과 폴리메타크

릴산 메틸

(poly-methyl methacrylate, PMMA) 등

을 이용하였다

. 이 재료들을 다양한 공기의 유

동  조건에  따라  화염의  형상

, 화염  전파율과 

화염  동역학  등을  관찰하였을  뿐만  아니라  질

소를 이용한 화염의 소화

, 노즐의 거리, 질소배

출 속도 등에 대한 연구를 수행하였다

.

그림 2. 시간에 따른 연료의 기화현상(BASS) [11]

3.4  BASS-II  (Burning  and  Suppression 

of  Solids-II)

BASS-II는  BASS  실험의  연장선에  있는  연구

로써  기존의  BASS실험이  유/무인  우주선에  사

용하기 위한 재료의 소화특성에 관한 연구였다

면 BASS-II는 고체 재료의 가연성에 관한 연구

이다. 마이크로중력  환경에서 고체에서의  연소 

거동을 관찰하여 우주선에서 사용되는 재료 중 

가연성에 대한 최악의 사례가 무엇이며 안전하

게 사용하기 위한 재료가 무엇인지를 구분하는 

것이 BASS-II의 연구 목표이다.

그림 3. BASS-I  실험에서 얻은 이미지 [11]

3.5  BASS-M(Burning  and  Suppression 

of  Solids-Milliken)

BASS의  마지막  시리즈인  BASS-M 연구는 

마이크로중력  환경에서  미국의  카페트  제조업


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이종원 외 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 142~150

체인 

Milliken사의 난연성 면직물이 연소 반응

에  얼마나  잘  견디는지에  대한  자기소화능력

(즉, 내연성)을 평가하기 위한 실험이다.

이를 위해 

BASS-M에서는 각기 다르게 난연

처리된 

10가지의 직물에 대해 다양한 공기유동 

조건

(강제대류)을 적용하여 직물에서의 화염 전

파  실험을  진행하였다

. <그림 4>는 실제 실험

에  사용된  섬유를  나타내며  총  실험에  사용된 

섬유의 개수는 

44개이다.

그림 4. BASS-M 실험에서 사용된 섬유 [11]

3.6  CFI(Cool  Flames  Investigation)

대부분의  연료는 초기에  매우  강한 열로  연

소되다가 시간이 경과됨에 따라 사라지게 되는 

것이  일반적  연소과정이다

. 그러나 최근 ISS의 

FLEX-2 실험을 통해 눈에는 보이지 않지만 액
적  연소의  복사열이  소멸된  이후에도  매우  낮

은 온도에서 연소가 지속적으로 이루어지고 있

다는 사실을 확인하였다 

[4]. 이러한 연소의 특

징을 지니는 있는 것을 냉염이라고 한다

. 이러

한  새로운  개념의  냉염을  이해하기  위한  연구

가 바로 

CFI다. 새로운 개념의 냉염에 대한 이

해를 통해 새로운 엔진 개발과 좀 더 효율적이

며 환경에도 무해한 연료개발에 기여하고자 노

력하고 있다

.

3.7  FLEX(Flame  Extinguishment 

Experiment)

FLEX 시리즈는 ISS에서 가장 오래된 연소실

험 중 하나로 액적

(droplet) 연료의 연소 및 소

화  특성에  관한  연구를  수행한다

. 이  실험은 

오랜  시간동안  인류가  사용해온  불

, 즉  연소 

현상에 대한 근본적인 이해를 위해 시작되었으

며  최근에도  이  시리즈의  연구를  통해  새로운 

개념의 냉염 현상이 발견되었다

.

FLEX 실험에서는  액체  연료를  구형으로  단

순화하여  연소현상에  대한  보다  상세한  이론 

및 수치적인 연구를 수행하고 있다

. 이를 통해 

액체  연료에  대한  열  및  물질  전달

(heat and

mass transport) 메커니즘 등을 개발해가고 있

. 이 연구는 지상에서의 대규모 화재 진압이

나  차세대  유인탐사선 

(Crew Exploration

Vehicles, CEV)의 화재 진압제(fires suppressant)
선정을 위한 방향성을 제공할 것이다

.

그림 5. FLEX-2 실험에서 관측된 새로운 냉염(cool 

flame) 현상 [9]


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그림 6. FLEX 장비의 점화 영상 (2009) [11]

3.8  FLEX-2(Flame  Extinguishment 

Experiment-2)

FLEX-2 연구의  기본적인  목적은  앞서  설명

한  바와  같이  복잡한  연소  현상에  대한  보다 

나은  이해를  위해 

ISS의  마이크로중력  환경을 

활용한  연소  실험이다

. FLEX-2 실험에서는  지

구상에서의  연소조건을  모방하여  이원연료

(bi-

fuel)에 대한 연구와 대체연료 개발에 관한 연
구를  수행하고  있다

. 최근에는  FLEX-2 실험과

정에서 

<그림  5>와  같은  새로운  현상이  발견

되어  이를  조사하기  위한 

CFI(Cool Flames

Investigation)

연구가  파생되기도  하였다

.

FLEX-2의  연구  목표는  우주에서의  화재  감지 
연구를  통해  유인우주선의  안전성을  개선하고 

액체연료에  대한  대체  연료  개발  연구에  초점

을 두고 있다

.

그림 7. FLEX-2J 실험과정에서 광섬유 교체 작업 중 

촬영한 연소실험장비 [11]

3.9  FLEX-2J(Flame  Extinguishment 

Experiment-2  JAXA)

FLEX-2J는  일본의  JAXA와  대학교, 미국 

NASA 간의 공동  연구로 진행되고  있는 프로
젝트로써 일본 

JAXA GCE(Group Combustion

Experiment)의 과학적 목표로부터 파생된 연구
이다

. 주로 일본에서는 액체연료의 분무과정에

서  발생하는  액적과  액적간의  그룹  연소에  관

한  연구를  수행하는데 

FLEX-2J 실험  또한  그 

일환  중  하나이다

. 이  실험이  FLEX-2J라고  붙

여진 이유는 

NASA의 FLEX-2 장비를 활용하여 

진행되었기  때문이며  이  실험은 

1차원적으로 

액적을 배열하고 전파되는 화염의 움직임을 관

찰하고  측정한다

. 이는  실제  엔진에서의  연료 

분사과정을  모사한  것으로  액적연료가  점화된 

이후에 발생하는 액적과 액적 간의 상호작용에 

관하여  연구함으로써  엔진의  효율성을  높이는 

방법을 찾고자 한다.

3.10  Group  Combustion

액체연료의  분무연소  메커니즘에  대한  이해

는  연소과학에서  가장  중요한  문제  중  하나이

. 분무연소(spray combustion)는 경질유나 중

유  등을  연소시킬  때  사용하는  일반적  연소방

법으로 연료를 분무해서 미세한 물방울로 만들

어 연소시키는  것을 말한다

. 이 때, 액적은 이

미  연소하고  있는  화염  등으로  예열되어  가스

화되고

, 공기와  혼합하여  그  혼합기에서  착화 

연소된다

. 이러한  분무  연소의  메커니즘을  마

이크로중력 환경을 활용하여 이해하기 위한 연

구이다

.

3.11  ICE-GA(Italian  Combustion 

Experiment  for  Green  Air)

현재 석유 자원의 고갈문제로 인해 재사용이 

가능한 연료에 대한 많은 연구가 진행되어지고 


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이종원 외 / 항공우주산업기술동향 15/1 (2017) pp. 142~150

있지만

, 미래의  대체  연료가  무엇인지에  대해

서는 아직 명확하지 않다

.

FLEX-ICE-GA는 이러한 점에 착안하여 친환

경적 대체 연료개발을 위해 이탈리아와 미국이 

공동으로  진행하는  연구이다

. 이  프로젝트는 

새로운  친환경적  연료의  연소과정에서의  거동

을 설명할 수 있는 수치 계산 모델 개발과 기

본적인  연소데이터를  생성함으로써  대체  연료

에 대한 수치해석 연구를 수행하고자 한다

. 이

를  위해 

ICE-GA 연구에서는  n-heptane/

ethanol을  50대  50으로  혼합한  연료와 
n-hexanol/n-decane을  50대  50으로  혼합한  연
료에 대한 수치해석 모델을 개발하고 있다

.

3.12  SAME(Smoke  and  Aerosol 

Measurement  Experiment)

SAME는 우주선이나 ISS에서의 화재 감지를 

위한  연구이다

. 일반적으로  화재의  감지는  공

기  중의  연기성분  중  하나를  선택하여  미세입

자의  변화를  측정함으로써  감지한다

. 그러나 

우주공간에서는  부력현상이  나타나지  않기  때

문에  연기의  이동  메커니즘이나  연기  분포가 

다르게 나타난다

. 따라서 SAME는 우주선에 사

용되는 다양한 재료를 연소시켜 연기의 분포를 

측정하고  샘플  재료에  따른  온도  및  유동

, 체

류시간 등에 대한 연구를 진행하였다

. 이 실험

의 정보는 우주선이나 

ISS 내부의 연기 감지기

의 설계와 신뢰성을 향상에 기여하였다

.

3.13  SLICE(Structure  and  Liftoff  In 

Combustion  Experiment)

SLICE 연구는  고전적인  연구  중  하나로써 

부력의  영향으로  인해  고차원화된  연소현상을 

마이크로중력  환경에서  단순화하여  화염의  구

조  및  형상

, 온도  등을  관찰하기  위한  연구이

. 이러한  연구를 통해서  이미  잘  알려진  바

와 같이 중력의 차이에 따른 화염의 형상을 관

그림 8. SPICE 실험에서 예측되는 화염의 형상 [11]

찰하였다

. 이  실험을  통해  마이크로중력  환경

에서  얻은  고유한  데이터를  활용하여  연소와 

관련된 시뮬레이션 모델을 향상시켜왔다

.

3.14  SPICE(Smoke  Point  In  Co-flow 

Experiment)

SPICE는 ISS에서 최초로 수행된 연소실험이

며서 최근에 다시 진행되고 연구이다

. SPICE의 

최근  연구에서는  이전의  다른  연소실험들에서 

그을음이  일반  중력

(1g)환경이나  마이크로중력

(~10-6g) 환경에서  화염  불꽃으로부터  방출된 
열에  영향을  준다는  것을  확인하고  이러한  열 

방출

(heat emission)을 제어하기 위한 그을음의 

생성  및  제어에  관한  연구를  수행하고  있다

.

열  방출은  효율적인  연소  시스템의  설계를  위

해  매우  중요한  요소이기  때문에  지상과  우주

선  내에서의  화염  확산을  예방하고  제트  엔진

(jet engines)이나  전기  발전  보일러(power
generation boilers)에  적용이  가능하다. 또한,
그을음  연구를  통해  연소기의  성능  개선과  우

주공간에서의  화재에서  그을음  및  열  방출을 

예측할 수 있다

.


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그림 9. 항우연에서 개발 중인 연소실험용 챔버 [10]

4. 국내의 연소실험 연구동향

현재 국내의 마이크로중력 환경에서의 연소실

험 연구는 시작 단계이며 

2016년 한국항공우주연

구원

(이하  항우연)에서는  마이크로  중력  환경을 

활용한 

연소실험을 

목표로 

무중력비행기

(Parabolic Fligt)에 탑재하기 위한 연소실험 장비
를 개발하고 있으며 또한 

NASA의 연소과학 분

야  온라인 

Working Groups 활동을 통해 ISS에

서 수행되는 연소실험 데이터를 공유하고 있다

.

<그림 9>는 2016년에 항우연에서 개발한 연

소실험용 챔버의 구성을 나타낸 것이며 

2017년

도에는 챔버 내부의 연소실험용 모듈을 개발하

고 

2018년에는  무중력  비행기를  활용한  냉염 

연구 수행을 목표로 하고 있다

.

5. 결 론

ISS에서는 인류의 유인 화성탐사 준비 및 우

주공간 상에서의 인간의 활동영역 확대 연구에 

큰 기여를 하고 있다

. 생명과학, 재료, 연소, 기

초  물리  등  다양한  분야에  대한  연구를  통해 

인류의 우주생활 적응과 지상에서의 산업적 활

용에 기여하고 있다

.

본  논문에서는

, 그  중에서도  ISS를  활용한 

연소과학  분야에  대한  연구들을  소개하였다

.

연소  현상은  그  역사와  활용성에  비해서  아직

도 밝혀지지 않은 것이 많은 미지의 영역이다

.

이러한  사실들을  규명하기  위해서  마이크로중

력  환경을  활용한  실험이  수반되어야  하나  국

내에서는 지상에서 마이크로중력을 생성시키기 

위한  자유  낙하탑

(Free fall drop tower)이나 

무중력  비행기

(Parabolic

flight),

과학로켓

(Sounding rocket)과 같은 특수한 설비가 부족
하기  때문에  마이크중력  환경에서의  연소분야

에 대한 연구필요성이 낮게 인식되고 있다

.

그러나  한국형  발사체 개발  및  우주인 배출

을 시작으로 달 탐사에 나서는 한국 또한 향후 

우주비행기

, 유인탐사선 개발뿐만 아니라 석유,

천연가스 등의 연료 고갈에 따른 대체 연료 개

발을 위해서는 마이크로중력 환경을 활용한 연

소과학  분야의  기초  연구를  수행해야만  한다

.

이를 통해 우주에서의 연소현상에 대한 지식의 

향상과  해외  연구자들과의  지식  교류  및  확장

에  기여하고  미래  유인  우주탐사  시대를  대비

해야 할 것이다

.

본 논문을 통해서 국내의 연구자들이 마이크

로중력 환경에서의 연소과학 분야에 대한 연구 

필요성을 인지하는 계기가 되었기를 기대한다

.

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