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논문 상세정보

과산화수소/케로신을 사용하는 액체로켓엔진의 촉매 점화기 설계에 관한 연구

A Study on Design of a Catalytic Ignitor for Liquid Rocket Engine using Hydrogen Peroxide and Kerosene

초록

본 연구에서는 과산화수소와 케로신을 사용하는 소형 이원추진제 액체로켓엔진의 점화원으로서, 과산화수소의 촉매 반응에 의한 고온의 분해 가스와 케로신의 자연 발화를 이용하는 촉매형 점화기에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 점화기를 설계하기 위해 열역학적 상용코드프로그램인 CEA를 사용하여 점화기 유량 및 혼합비를 선정하고 촉매형 점화기를 설계/제작하였으며, 점화 성공 및 지연 등을 판단하기 위한 가시화창과 분해 가스의 온도 분포를 파악하기 위한 열전대 장착이 가능한 연소실을 설계제작하였다. 분해 가스 유속을 결정하는 고정링(fixed ring)의 출구 면적 변화와 혼합비 변화에 따른 점화 성능 시험을 수행하였다. 결과적으로 쵸킹 면적보다 큰 출구 면적에서와 혼합비 6~8 사이에서 안정적인 점화 성능을 보임을 확인하였다.

Abstract

An experimental study on design of a catalytic ignitor was performed to use an ignition source for a small bi-propellant liquid rocket engine which use hydrogen peroxide and kerosene as propellants. In the catalytic ignitor, hot gas of hydrogen peroxide which was decomposed by a catalyst induced autoignition of kerosene. Mass flow rate and O/F ratio for the ignitor were calculated by CEA code. A combustion chamber which had a quartz window and thermocouples was manufactured to determine whether the ignition is successful. Ignition performance was investigated according to exit area of fixed rings and mixture ratio. Results showed that reliable ignition performance was achieved at non-choking exit area of fixed ring and O/F ratio of 6~8.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자세제어나 RCS 용으로 사용하기 위한 엔진
자세제어나 RCS 용으로 사용하기 위한 엔진은 무엇이 중요한가?
재점화 성능이 우수해야 하며, 점화기의 무게 등을 최소화하는 것이 매우 중요

자세제어나 RCS 용으로 사용하기 위한 엔진들은 재점화 성능이 우수해야 하며, 점화기의 무게 등을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 과산화수소와 케로신을 추진제로 사용하는 이원추진제 로켓 엔진의 점화방법으로는 electro spark, glow plug, catalyst 등 다양한 방법으로 연구가 수행되고 있다[3].

친환경 차세대 추진제로서 관심을 받고 있는 추진제
친환경 차세대 추진제로서 관심을 받고 있는 추진제는 무엇이 있는가?
과산화수소(H2O2, Hydrogen Peroxide)와 메탄

현재 친환경 차세대 추진제로서 관심을 받고 있는 추진제는 크게 과산화수소(H2O2, Hydrogen Peroxide)와 메탄이 있으며, 이 중 과산화수소는 고밀도, mono-propellant 특성, non-cryogenic, 저독성 및 취급의 용이성 등으로 인하여 항공우주 추진기관이나 동력 시스템에 널리 적용된 오랜 역사를 가지고 있다[1-3]. 그러나 2차 세계대전 이후 Shell 405라는 하이드라진 촉매가 개발 되면서 상대적으로 고성능이며 장기간 저장성이 우수한 하이드라진으로 대체되면서 과산화수소의 사용이 현격히 감소되었으며, 이원추진제로서도 보다 고성능인 액체산소 및 사산화질소로 대체되었다.

과산화수소 분사기
과산화수소 분사기의 부품중 ignitor cap은 어떤 역할을 수행하는가?
점화기 내부로 유입되는 과산화수소가 외부로 새지 않도록 기밀 역할을 수행하기 위한 것

3에서 보는바와 같이 크게 ignitor cap, ignitor body, fixed ring으로 총 3개의 부품으로 구성되어 있다. Ignitor cap은 점화기 내부로 유입되는 과산화수소가 외부로 새지 않도록 기밀 역할을 수행하기 위한 것으로서, cap 안쪽 부분에는 copper seal이 들어가도록 하였다. 또한 cap 중앙 부분에 케로신 분사기를 고정할 수 있도록 하였다.

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참고문헌 (7)

  1. M. Ventura, and P. Mullens, (General Kinetics, LLC) "The Use of Hydrogen Peroxide for Propulsion and Power, 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1999, AIAA-1999-2880 
  2. 하성업, 권민찬, 서견수, 한상엽, "발사체 추진제로서 과산화수소의 과거와 미래전망," 한국항공우주학회지, 제37권, 제7호, 2009, pp.717-728 
  3. 김선진, 이양석, 고영성, "친환경 추진제인 과산화수소와 액체메탄의 활용역사와 연구 동향," 한국추진공학회지, 제14권, 제3호, 2010, pp.46-58 
  4. NASA Lewis research center, "CEA(chemical equilibrium with applications" 
  5. 김보연, 이양석, 김근철, 고영성, 김유, 김선진, "과산화수소/케로신 단일 인젝터 설계 및 혼합비에 따른 연소특성," 한국추진공학회 춘계학술대회, 2010, pp.81-84 
  6. 이양석, 전준수, 황오식, 고영성, 김유, 김선진, "친환경 추진제를 이용한 200N급 엔진의 설계 및 성능에 관한 연구," 군사과학기술학회지, 제13권, 제6호, 2010, pp.1180-1187 
  7. L. Bayvel and Z. Orzechowski, Liquid atomization, Taylor & Francis, 1993 

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