[논문]과산화수소 촉매 분해를 이용한 파라핀 및 PE 하이브리드 로켓의 자연 점화 특성

안성용; 진정근; 정은상; 권세진

과산화수소 촉매 분해를 이용한 파라핀 및 PE 하이브리드 로켓의 자연 점화 특성
Auto-ignition Characteristics of Paraffin and PE Hybrid Rocket with $H_2O_2$ Catalytic Decomposition 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.13 no.5 = no.54, 2009년, pp.48 - 56

안성용 (한국과학기술원 항공우주공학과) , 진정근 (한국과학기술원 기계기술연구소) , 정은상 (한국과학기술원 항공우주공학과) , 권세진 (한국과학기술원 항공우주공학과)

초록
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고농도 과산화수소를 산화제로 이용하는 하이브리드 로켓의 자연 점화 연구를 수행하였다. 별도의 점화기 없이 촉매 반응을 통한 과산화수소 분해가스를 파라핀 및 폴리에틸렌에 분사함으로서 점화를 하였고 연속적인 재점화 및 즉각적인 점화 특성을 확인하였다. 안정적인 연소를 위해 파라핀은 PE에 비해 높은 연소실 특성길이가 요구된 반면, 펄스 응답특성은 점화지연 13 ms, 상승시간 30 ms 로서 폴리에틸렌의 응답성에 비해 두 배 가량 빠른 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The auto-ignition tests of hybrid rockets with the concentrated hydrogen peroxide as an oxidizer were presented. Auto-ignition was successfully demonstrated by injecting decomposed gases from $H_2O_2$ into paraffin or polyethylene fuels. In addition, restart and instant ignition were realized with this rocket. For stable combustion, a higher $L^*$ value was required for the paraffin combustion compared with PE. On the other hand, much faster response time was demonstrated in case of a paraffin, which was 13 and 30 ms at ignition delay and rise time respectively.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 Fig. 3의 설계를 기본으로 하고 (Case 1) 기본 형상에 길이 10 cm를 가지는 혼합 챔버를 연소기에 추가하여(Case 2) 두 조건에서 점화 특성을 살펴보고자 하였다. 혼합 챔버를 추가함에 따라 특성길이는 0.
본 연구에서는 과산화수소를 산화제로 이용하는 하이브리드 로켓의 기초 연구로서 점화 가능성을 살펴보았다. 산화제로 90 wt% 과산화수소를 사용하였고 후퇴율(regression rate)을 제외한 항목에서 유사한 추진 특성(비추력, 특성속도, 단열화염온도)을 나타내는 파라핀과 폴리에틸렌 (PE)을 연료로 사용하였다(Table 1 및 Fig.
이를 위해 촉매 반응기를 포함한 하이브리드 로켓을 설계하여 우선적으로 자연 점화 특성을 살펴보았다. 점화에 성공한 후, 연소 및 재점화 특성을 고찰하였고 마지막으로 하이브리드 작동모드(combustion mode)와 단일추진제 작동모드 (reaction mode)에서의 펄스 응답속도와 비교함으로써 과산화수소를 활용한 하이브리드 로켓의 기본적인 특성을 연구하고자 하였다.

제안 방법

과산화수소를 산화제로 사용하는 하이브리드 로켓의 자연 점화 특성을 고찰하였다. 산화제 분해를 위한 반응기를 설계하였으며 이를 연소기 및 혼합기와 결합된 하이브리드 로켓을 제시하였다.
4)를 장착할 수 있도록 연소기를 설계하였고, 반복 실험의 편리성을 위해 연료 케이싱을 연소기에 삽입할 수 있도록 하였다. 노즐은 연소챔버 압력이 약 15 bar 인 경우 최적 팽창이 되도록 면적비(A_e/A_t)를 결정하였고 단일추진제 모드에서 설계 압력이 되도록 노즐 목 직경을 5.1 mm로 결정하였다. Fig.
를 선정하였다. 반응물의 확산저항(diffusion resistance)을 최소화하고 촉매대의 effectiveness factor를 증가시켜 촉매대를 효율적으로 사용하기 위해[7] 촉매 그레인 직경을 1 mm 내외로 결정하였다. 촉매 담지는 활성물질을 포함하고 있는 전구체를 이용하는 단순 침적법을 이용하였다.
단일추진제 추력기 모드로 작동될 때 50 N을 발생시키는 반응기를 고려하였다. 산화제 공급압력 20 bar일 때, 35 g/s의 유량을 공급하도록 shower head 형태 인젝터를 설계하였다. 선정한 촉매의 반응성을 고려하여 촉매 반응기 설계 절차에 따라[9] 설계점에서 촉매 단위 부피당 산화제 허용 유량을 고려하여 반응기 부피를 14.
과산화수소를 산화제로 사용하는 하이브리드 로켓의 자연 점화 특성을 고찰하였다. 산화제 분해를 위한 반응기를 설계하였으며 이를 연소기 및 혼합기와 결합된 하이브리드 로켓을 제시하였다.
산화제 공급압력 20 bar일 때, 35 g/s의 유량을 공급하도록 shower head 형태 인젝터를 설계하였다. 선정한 촉매의 반응성을 고려하여 촉매 반응기 설계 절차에 따라[9] 설계점에서 촉매 단위 부피당 산화제 허용 유량을 고려하여 반응기 부피를 14.1 cm³로 하였고 촉매대 압력강하를 고려하여 반응기 내부 L/D를 선정하였다. 설계한 반응기의 space time 및 L* 값은 0.
제작한 하이브리드 로켓 점화 시험조건은 다음과 같다. 시험은 냉시동(cold start) 환경에서 시작하였고 추진제를 20 bar로 가압하였다. 점화 여부 및 연속 점화를 확인하는데 유리한 펄스 모드로 산화제를 공급하였으며 각 펄스 당 추진제 공급 시간은 1.
안정적인 점화가 일어나는 펄스에서 응답 속도를 측정하였다. 응답속도 항목은 일반적인 추력기의 정의에 따라[10] 점화지연(ignition delay, valve on sig.
0 s 이다. 연료가 모두 소진될 때까지 펄스 시험을 수행하면서 압력과 온도 데이터를 수신하였다. 데이터 측정 및 신호 컨디셔닝은 NI 사의 DAQ 카드 및 SCXI 모듈(10-kHz filter)을 사용하였으며, Labview 8.
연소기의 내경은 연료를 삽입하지 않았을 경우 촉매 반응기 내경과 동일하다. 외경 33 mm, 길이 50 mm, 내경 10 mm 단일 포트를 가지는 연료(Fig. 4)를 장착할 수 있도록 연소기를 설계하였고, 반복 실험의 편리성을 위해 연료 케이싱을 연소기에 삽입할 수 있도록 하였다. 노즐은 연소챔버 압력이 약 15 bar 인 경우 최적 팽창이 되도록 면적비(A_e/A_t)를 결정하였고 단일추진제 모드에서 설계 압력이 되도록 노즐 목 직경을 5.
안정적인 점화가 일어나는 펄스에서 응답 속도를 측정하였다. 응답속도 항목은 일반적인 추력기의 정의에 따라[10] 점화지연(ignition delay, valve on sig. ~ 1 % of Pc)과 압력 상승시간 (rising time, 1 % ~ 90 % of Pc)을 고려하였고 각 연료의 연소 반응을 동반한 하이브리드 모드와 산화제의 촉매 반응만으로 이루어지는 단일 추진제 모드를 비교하였다. 단일추진제 모드는 하이브리드 로켓에서 고체 연료 제거하여 시험하였다.
이를 위해 촉매 반응기를 포함한 하이브리드 로켓을 설계하여 우선적으로 자연 점화 특성을 살펴보았다. 점화에 성공한 후, 연소 및 재점화 특성을 고찰하였고 마지막으로 하이브리드 작동모드(combustion mode)와 단일추진제 작동모드 (reaction mode)에서의 펄스 응답속도와 비교함으로써 과산화수소를 활용한 하이브리드 로켓의 기본적인 특성을 연구하고자 하였다.

대상 데이터

과산화수소 분해용 촉매로 비용과 반응성 두 가지 면에서 우수한 MnO2/Al2O3를 선정하였다.
연료가 모두 소진될 때까지 펄스 시험을 수행하면서 압력과 온도 데이터를 수신하였다. 데이터 측정 및 신호 컨디셔닝은 NI 사의 DAQ 카드 및 SCXI 모듈(10-kHz filter)을 사용하였으며, Labview 8.0을 이용하여 500 samples/s 속도로 데이터를 획득하였다. 추력 스탠드에 장착된 로켓 형상은 Fig.
본 연구에서는 과산화수소를 산화제로 이용하는 하이브리드 로켓의 기초 연구로서 점화 가능성을 살펴보았다. 산화제로 90 wt% 과산화수소를 사용하였고 후퇴율(regression rate)을 제외한 항목에서 유사한 추진 특성(비추력, 특성속도, 단열화염온도)을 나타내는 파라핀과 폴리에틸렌 (PE)을 연료로 사용하였다(Table 1 및 Fig. 1).

이론/모형

반응물의 확산저항(diffusion resistance)을 최소화하고 촉매대의 effectiveness factor를 증가시켜 촉매대를 효율적으로 사용하기 위해[7] 촉매 그레인 직경을 1 mm 내외로 결정하였다. 촉매 담지는 활성물질을 포함하고 있는 전구체를 이용하는 단순 침적법을 이용하였다. 지지체 전처리, 전구체 흡수, 건조 및 하소 후 과산화수소의 분해 반응에 불필요한 전구체의 양(+)이온을 제거하였다[8].

성능/효과

낮은 특성 길이로 즉각적인 점화 및 안정적인 연소가 이루어지지 않았던 파라핀은 case 1 결과와는 다르게 첫 번째 펄스부터 T3 및 T4가 모두 연료 상류온도 보다 높게 나타나 즉각적인 점화가 일어났다. PE를 이용한 점화 실험에서는 두 번째 펄스부터 점화가 일어나기 시작했는데 T3는 k-type 온도센서의 측정 한계를 초과하여 실제적인 온도 측정이 불가능한 구간이 나타났다.
대표적인 하이브리드 로켓의 연료인 파라핀 및 PE를 이용한 실험에서 점화 실패가 없는 자연 점화, 재점화 및 즉각적인 점화 특성을 가지는 등 과산화수소를 이용한 하이브리드 로켓의 가능성을 일차적으로 확인하였다.
이는 PE의 경우 연소과정이 연료 하류 및 혼합챔버 상류지점에서 대부분 일어났음을 의미하는데 이런 현상은 case 1 실험에서 요구되는 연소실 특성길이가 파라핀에 비해 짧은 것과 같은 맥락으로 설명할 수 있다. 또한, 노즐에서 형성되는 배기 플룸의 관찰 결과 파라핀을 이용한 연소시험에서는 화염이 확연하게 관찰되었으나 (Fig. 11), PE에서는 혼합 챔버 내에서 연소가 거의 종료되어 노즐 출구에서는 화염을 볼 수 없어 내부에서 연소가 종료되었음을 간접적으로 뒷받침 하였다.
Figure 12, 13 및 14는 압력 측정 결과를 나타낸다. 밸브가 열림과 동시에 단일추진제 추력기 모드가 시작되고 연소실 압력(P3)이 상승하여 정상상태를 보이다가 점화가 일어나면서 P3가 다시 상승한 후 다소 높은 압력에서 유지되며 연소가 지속됨을 확인할 수 있다(Fig. 12). 파라핀을 연료로 사용한 경우에는 첫 펄스에서 점화가 다소 지연되는 현상이 나타났으며 두 번째 펄스부터는 첫 번째 펄스와는 달리 밸브 개방과 동시에 빠르게 점화가 일어났다(Fig.
파라핀과 PE의 연소특성을 볼 때, 파라핀은 PE 보다 높은 연소기 특성길이가 필요하므로 전체 로켓의 크기가 커지게 되는 문제점이 있었으나 PE 연소 및 단일추진제 작동 모드 보다 현저히 빠른 응답속도를 나타내 펄스 응답성이 우수하였다.

후속연구

본 연구는 점화성능에 초점을 맞춘 연구로서 동일한 산화제 유입조건에서 시험을 하여 동일한 후퇴율 조건은 살펴보지 못하였다. 보다 구체적인 연구로써 연료의 후퇴율을 측정하고 O/F 비율을 고려한 연료의 연소 특성 실험을 추가적으로 수행될 필요가 있다.
본 연구는 점화성능에 초점을 맞춘 연구로서 동일한 산화제 유입조건에서 시험을 하여 동일한 후퇴율 조건은 살펴보지 못하였다. 보다 구체적인 연구로써 연료의 후퇴율을 측정하고 O/F 비율을 고려한 연료의 연소 특성 실험을 추가적으로 수행될 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	촉매 점화방식의 장점은 무엇인가?	산화제의 단열분해 온도가 연료의 점화온도보다 높으면 별도의 점화장치 없이 산화제 공급만으로 점화/연소가 일어나므로 시스템이 간결해진다. 점화기 없이 연소를 유발하므로 재점화가 가능하며, 산화제 공급과 동시에 점화가 일어나므로 원하는 시점에 빠른 점화를 시킬 수 있다. 또한, 산화제가 고온 상태로 주입되므로 로켓 연소기에서의 연소 불안정성 가능성이 줄어든다는 장점이 있다.
	하이브리드 로켓이란 무엇인가?	고체 연료에 액체 산화제를 분사하여 점화/연소를 시켜 추력을 얻는 원리로 작동되는 하이브리드 로켓은 단일추진제 시스템과 같이 간결한 구조를 이용하면서 이원추진제 시스템과 유사한 높은 비추력(Isp)을 발생시키는 장점으로 국내에서도 많은 연구가 구체적으로 진행되어왔다. 이러한 하이브리드 로켓은 점화를 위한 별도의 점화기를 필요로 하는데 부탄-산소 혼합 가스와 스파크 플러그를 이용하여 점화시키는 이원추진제점화[1], 니크롬선을 이용한 고체추진제 점화[2] 및 토치를 이용하여 점화 방식이 일반적으로 적용되어 왔다.
	기존 하이브리드 로켓에 사용되는 점화기의 단점은 무엇인가?	이러한 하이브리드 로켓은 점화를 위한 별도의 점화기를 필요로 하는데 부탄-산소 혼합 가스와 스파크 플러그를 이용하여 점화시키는 이원추진제점화[1], 니크롬선을 이용한 고체추진제 점화[2] 및 토치를 이용하여 점화 방식이 일반적으로 적용되어 왔다. 이러한 점화방식은 안정적으로 사용되고 있으나 방식에 따라 재점화가 용이하지 않거나, 일정한 점화 절차가 요구되어 즉각적인 점화가 쉽지 않다는 단점이 있다. 따라서 연속작동 모드로는 하이브리드 로켓을 사용할 수 있지만 펄스 작동과 같이 여러 차례 빠른 점화가 요구되는 상황에서는 활용이 어려워 주로 비행체의 자세제어 목적 보다는 sustain 용도로 적합한 것으로 인식되었다.

참고문헌 (10)

유덕근, 김진곤, 길성만, 'Lab-scale 하이브리드 로켓 점화장치 개발,' 한국추진공학회 추계학술대회, 2003, pp.122-125
김권호, 박현춘, 백승욱, '파라핀 연료를 사용하는 소형 하이브리드 로켓의 연소 특성,' 한국추진공학회 추계학술대회, 2005, pp.261-264
안성용, 박대종, 양계병, 권세진, '무독성 추진제 촉매 분해를 이용한 항공기 비상동력장치 구동용 가스 발생기 개발,' 제6회 KAI 항공우주 논문상 수상논문집, 2008, pp.107-146
안성용, 박대종, 정승미, 권세진, '인젝터 방식 및 촉매 알갱이 크기에 따른 과산화수소

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임하영, 안성용, 권세진, '친환경추진제 '과산화수소'의 특성과 응용,' 한국추진공학회
Arif Karabeyoglu et al., 'Scale-Up Tests of High Regression Rate Paraffin-Based

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Massimo Morbidelli et. al., Catalyst Design- Optimal Distribution of Catalyst in
안성용, 권세진, '활성물질에 따른 과산화수소 추력기의 응답 특성,' 한국추진공학회지, 제12권, 제5호, 2008, pp.26-34

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안성용, 권세진, '액체추력기 촉매베드 크기 결정을 위한 실험적 방법,' 한국추진공학회지, 제12권, 제3호, 2008, pp.24-33

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Charles D. Brown, Elements of spacecraft design, 2002, AIAA

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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