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[국내논문] 단일추진제 위성추력기에서 촉매 파손에 의한 영향
Effects of Catalyst Granule Failure in Monopropellant Satellite Thruster 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.6 = no.67, 2011년, pp.7 - 14  

황창환 (한국과학기술원 항공우주공학과 대학원) ,  이성남 (한국원자력연구원 수소생산원자로기술개발부) ,  백승욱 (한국과학기술원 항공우주공학과) ,  김수겸 (한국항공우주연구원 위성 열) ,  유명종 (한국항공우주연구원 위성 열)

초록
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하이드라진을 단일추진제로 사용하는 추력기는 인공위성 및 발사체의 자세제어를 위한 용도로 다양한 크기로 제작되어 사용되어왔다. 하이드라진과 분해생성물인 암모니아의 독성으로 인해 취급과 시험이 매우 까다롭기 때문에 여러 설계 변수로 인한 영향을 수치해석을 이용하여 분석 한다면 시간과 비용을 절약할 수 있다. 본 연구에서는 촉매대를 1차원 다공성 매질로 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 이를 통하여 촉매대 파손에 따른 특성변화를 고려하여 발생 가능한 물리현상을 수치해석을 통해 파악하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Various sizes of hydrazine monopropellant thruster have been used on satellite and space launcher vehicle. The test and handling procedure of hydrazine monopropellant thruster are usually difficult because of the toxicity of hydrazine and its decomposition product gases. Therefore, the numerical ana...

주제어

#단일추진제   #추력기   #하이드라진   #촉매연소   #이리듐 촉매  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 이성남 등 [11]은 개발된 추력기 해석 코드를 이용하여 추진제 유량, 추진제 주입압력, 촉매 그래뉼의 직경, 연소실 직경과 길이에 따른 성능변화와 연소실 내부 온도분포를 연구하였다. 본 연구에서는 개발된 코드를 개선, 발전시켜 촉매대 (Catalyst bed)가 다양한 형태로 파손되었을 때를 모델링하여, 이때에 나타나는 현상을 수치적으로 해석하여 실험으로 규명하기 힘든 추력기 연소실 내부에서의 물리현상과 성능변화를 확인하고자 한다.

가설 설정

  • 3절에서 언급한 첫 번째 상황인 촉매대 앞부분의 촉매입자의 크기가 작아지는 상황을 가정하여 해석을 수행하였다. 촉매대의 상류지역부터 촉매대 전체길이의 10, 20, 30%에 해당되는 촉매입자의 지름을 1 mm에서 0.
  • 이때에는 상류지역의 공극률은 증가하고, 하류지역의 공극률은 감소하게 된다. 본 논문의 연구에서는 앞서 언급한 촉매대 앞부분의 촉매입자의 크기가 작아지는 상황과 상류지역의 공극률이 증가하고 하류지역의 공극률이 감소하는 두 개의 상황을 가정하여 모델링 하였다.
  • 6 mm로 감소시켰다. 해석한 추력기의 작동시간은 총 60초로 설정하였고, 작동 중에 30초가 경과한 시점에 촉매가 파손된 것으로 가정하였다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
단일 추진제를 이용하는 추력기는 어떤 용도로 쓰이고 있는가? 단일 추진제를 이용하는 추력기는 인공위성이나 로켓의 자세를 제어하는 용도로 쓰이고 있다. 하이드라진 (N2H4, Hydrazine)을 단일 추진제로 사용하는 추력기는 지난 50여년 동안 여러 인공 위성 시스템에 쓰여 그 신뢰성을 인정받았다 [1, 2].
입구 지역이란? 하이드라진은 액체 상태로 촉매대에 공급되게 되는데 Shankar 등 [7]은 액체 하이드라진이 존재하는 구간을 입구 지역 (Induction region)이라고 정의하였고, 다음의 식을 이용하여 온도와 입구지역 끝부분의 화학종 질량분율을 모델링 하였다.
촉매입자가 파손될 경우 촉매 대의 특성에도 변화가 오게 되는데 어떻게 분류할 수 있는가? ① 촉매대의 공극률 (Porosity) 변화 ② 촉매입자의 크기 (Diameter) 변화
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참고문헌 (15)

  1. 이성택, 이상희, 최영종, 류정호, "단일 하이드라진 추력기 개발에 관한 고찰," 한국추진공학회지, 제3권, 제1호, 1999, pp.72-77 

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  2. 김인태, 이재원, 장기원, 유명종, "우주분야에서의 Hydrazine 적용현황 및 발전방향," 한국추진공학회 2006년도 춘계학술대회 논문집, pp.17-22 

  3. 이균호, 유명종, 김수겸, 장기원, 조성준, "단일추진제용 이리듐촉매의 연소성능 측정 및 국내개발 현황," 한국추진공학회지, 제10권, 제3호, 2006, pp.109-117 

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  4. 김수겸, 유명종, 이균호, 김인태, 이해헌, 이재원, 조성준, "단일추진제 추력기용 하이드라진 분해촉매 성능시험," 한국항공우주학회 2007년도 춘계학술발표회 논문집, 2007, pp.960-963 

  5. 김수겸, 이균호, 유명종, 조성준, 김인태, 이재원, "단일추진제 추력기용 하이드라진 분해촉매 수명검증 및 품질보증 시험," 한국항공우주학회 2009년도 추계학술발표회 논문집, 2009, pp.521-524 

  6. Kesten A. S., "Analytical Study of Catalytic Reactors for Hydrazine Decomposition," Quarterly Progress Report, UARL, 1966 

  7. Shankar V., Ram K. A. and Bhaskaran K. A., "Prediction of the Concentration of Hydrazine Decomposition Products along a Granular Catalytic Bed," Acta Astronautica, Vol. 11, No. 6, 1984, pp.287-299 

    상세보기 crossref

  8. Makled A. E., Belal H., "Modeling of Hydrazine Decomposition for Monopropellant Thrusters," 13th International Conference on AEROSPACE SCIENCES & AVIATION TECHNOLOGY, 2009, ASAT-13-PP-22 

  9. 한조영, 박태선, 이균호, 유명종, "인공위성 단일추진제 하이드라진 추력기 성능 해석," 한국전산유체공학회 2004년도 추계학술대회 논문집, 2004, pp.137-139 

  10. D. I. Han, C. Y. Han and H. D. Shin, "Empirical and Computational Performance Prediction for Monopropellant Hydrazine Thruster Employed for Satellite," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 46, No. 6, November-December 2009 

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  11. 이성남, 백승욱, 김수겸, 유명종, "단일추진제 위성추력기 내 연소기 및 노즐 유동 해석," 한국연소학회지, 제15권, 제2호, 2010, pp.12-18 

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  12. Schmitz B. W. and Smith W. W., "Development of Design and Scaling Criteria for Monopropellant Hydrazine Reactors Employing Shell 405 Spontaneous Catalyst," Final Report NAS 7-372, NASA, 1967 

  13. Zehe M. J., Gordon S. and McBride B. J., "CAP : A Computer Code for Generating Tabular Thermodynamic Functions from NASA Lewis Coefficient", NASA, TP-2001-210959, 2002 

  14. Daubert T. E. and Danner R. P., "Physical and Thermodynamic Properties of Pure Chemicals: Data Compilation," Hemisphere Press, 1989 

  15. Kee R. J., Lewis G. D., Warantz J., Coltrin M. E., Miller J. A. and Moffat H. K., "A Fortran Computer Code Package for the Evaluation of Gas-Phase, Multicomponent Transport Properties," Sandia Report, SAND86-8246B, 1998 

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