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특성길이 변화에 따른 $H_2O_2$/Kerosene 이원추진제 로켓 엔진의 성능평가
Performance Evaluation on Characteristic Length Variation of $H_2O_2$/Kerosene Bipropellant Rocket Engine 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.3 = no.64, 2011년, pp.1 - 8  

조성권 (한국과학기술원 항공우주공학과) ,  장동욱 (한국과학기술원 항공우주공학과) ,  김종학 ((주)스페이스솔루션 개발팀) ,  윤호성 ((주)스페이스솔루션 개발팀) ,  권세진 (한국과학기술원 항공우주공학과)

초록
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고농도 과산화수소를 이용하는 1,200 N 급 이원추진제 로켓 엔진 개발을 위한 기존 연구와 더불어, 특성길이의 영향 및 추력 측정을 통한 실질적인 성능을 평가하였다. 특성길이는 0.95, 1.07과 1.20 m, 총 3가지 경우에 대하여 실험을 수행하였으며, 특성길이의 증가에 따라 $C^*$ 효율 및 Isp 효율 모두 증가함을 확인하였다. 설계 당량비에서의 최대 $C^*$ 및 Isp 효율은 각각 98.4%와 93.1%로 측정되었다. 엔진성능 평가 결과를 바탕으로 분해된 과산화수소를 이용한 엔진에서의 최적 특성길이를 제안하고, 설계 당량비에서의 추력 및 비추력 효율을 이용하여 진공에서의 엔진성능을 예측하여 보았다. 그 결과, 지상 218.4 s, 진공 253.3 s의 비추력과, 진공 추력 1035.3 N의 성능을 예상할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In addition to the previous study for development of a 1,200 N-class bipropellant rocket engine with concentrated hydrogen peroxide, the effect of characteristic length and thrust measurement were experimentally evaluated. Tests with characteristic lengths of 0.95, 1.07, and 1.20 m were performed an...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 기존의 연구를 더욱 확장하고 엔진의 성능을 향상시키고자, 연소실의 특성길이 (characteristic length, L*) 변화에 따른 특성속도 (characteristic velocity, C*)를 측정하고 이를 분석하였다. 또한 측정된 결과를 바탕으로 분해된 과산화수소를 이용하는 이원추진제 로켓 엔진의 최적 특성길이를 제안하였다.
  • Table 2에 제시된 H2O2/RP-1의 경우, 촉매베드를 포함한 특성길이를 제안하고 있다. 이는 촉매 성능에 따라 달라질 수 있으며, 사용된 촉매의 종류 및 촉매지지체의 성능을 배제하고 분해된 과산화수소와 케로신에 대한 특성길이를 최적화하기 위해서, 본 연구에서는 촉매베드의 부피를 제외하여 특성길이를 평가하였다.
  • 이원추진제 엔진에서 연소기의 특성길이, L*는 인젝터를 통해 공급된 연료와 산화제가 충분히 연소할 수 있는 공간을 제공함으로써 추진제들의 체류시간 (residence time)을 증가시키는데 그 목적이 있다. 따라서 특성길이의 증가는 곧 연소효율의 증가를 보인다.
  • 특성길이는 촉매베드의 부피를 제외한, 인젝터 면에서 노즐의 단면적까지의 부피를 노즐 목 면적으로 나눈 값으로 정의하였다. 촉매베드 사이징은 사용된 촉매 및 촉매지지체에 의해 영향을 받기 때문에, 촉매베드 부피를 제외하여 문헌들과의 비교를 용이하게 하고 최적 특성길이를 제안하기 위함이다.
  • 특성길이 변화에 따른 엔진의 성능평가 결과, 특성길이 1.07 m에서 충분히 높은 결과를 보이고 있으며, 이를 바탕으로 진공에서의 성능을 예측하고자 한다. 본 연구에서 적용한 설계 O/F (Oxidizer/Fuel)비는 7.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
과산화수소를 추진제로 사용하려면 어떤 농도를 가져야하는가? 추진제로서의 과산화수소는 보통 85 wt%이상의 농도를 사용하며, 단일추진제 뿐만 아니라 촉매 분해 후 생성물이 산소와 수증기이기 때문에 이원추진제의 산화제로도 이용이 가능하다. 많은 연구 그룹에서 과산화수소를 산화제로 이용하기 위한 다양한 연구를 수행하였다[3-11].
과산화수소의 추진제로 연구가 더뎠던 이유는 무엇인가? 과산화수소는 현대 로켓 역사에 있어서 가장 먼저 사용되었던 추진제 중 하나이지만, 하이드라진(N2H4)과 사산화질소(N2O4) 등 보다 높은 성능을 보이는 추진제의 등장으로 추진제로서의 연구는 더 이상 이루어지지 않았다. 90년대 초부터, 환경과 연구자들의 보호 및 위험물질에 따른 처리비용의 증가로 친환경 추진제에 대한 관심이 증가하였고, 그 중 하나인 과산화수소에 대한 연구가 다시금 활발해졌다[1].
로켓의 추진제로 사용되는 과산화수소에 대한 관심이 증가한 까닭은 무엇인가? 과산화수소는 현대 로켓 역사에 있어서 가장 먼저 사용되었던 추진제 중 하나이지만, 하이드라진(N2H4)과 사산화질소(N2O4) 등 보다 높은 성능을 보이는 추진제의 등장으로 추진제로서의 연구는 더 이상 이루어지지 않았다. 90년대 초부터, 환경과 연구자들의 보호 및 위험물질에 따른 처리비용의 증가로 친환경 추진제에 대한 관심이 증가하였고, 그 중 하나인 과산화수소에 대한 연구가 다시금 활발해졌다[1]. 또한 시간이 지남에 따라 고농도 과산화수소에 대한 생산성이 높아지고 저장성이 우수해지면서, 추진제로서의 성능과 가치가 매우 높아지고 있다[2].
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참고문헌 (14)

  1. M. Ventura, G. Garboden, "A Brief History of Concentrated Hydrogen Peroxide Uses," 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, AIAA 1999-2739, 1999 

  2. Ventura, M., Wernimont, E., Heister, S., and Yuan S., "Rocket Grade Hydrogen Peroxide (RGHP) for use in Propulsion and Power Devices - Historical Discussion of Hazards," 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, AIAA 2007-5468, 2007 

  3. Coxhill, I., Richardson, G., and Sweeting, M., "An Investigation of a Low Cost HTP/Kerosene 40N Thruster for Small Satellites," AIAA Paper 2002-4155, July 2002 

  4. Cong, Y., Zhang, T., Li, T., Sun, J., Wang, X., Ma, L., Liang, D., Lin, L., "Propulsive Performance of a Hypergolic H2O2/ Kerosene Bipropellant," Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 1, 2004, pp.83-86 

  5. Sisco, J. C., Austin, B. L., Mok, J. S., and Anderson, W. E., "Autoignition of Kerosene by Decomposed Hydrogen Peroxide in a Dump-Combustor Configuration," Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 3, 2005, pp.450-459 

  6. Austin, B. L., Heister, S. D., and Anderson, W. E., "Characterization of Pintle Engine Performance for Nontoxic Hypergolic Bipropellant," Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 4, 2005, pp.627-635 

  7. 박근홍, 임하영, 권세진, "촉매 분해된 과산화 수소 제트에 분사된 케로신의 자연발화 특성," 제14차 유도무기학술대회, 2007, pp.677-681 

  8. Jo, S., Kwon, S., "An investigation for autoignition by spray jet injection of fuel in the H2O2/Kerosene bipropellant thruster," 9th Asia-Pacific Conference on Combustion, 2009 

  9. 조성권, 권세진, "케로신/과산화수소 이원추진제 추력기에서 산화제의 재순환을 이용한 연료희박 조건에서의 자연점화," 한국연소학회 추계학술대회, 2009, pp.129-132 

  10. 김보연, 이양석, 김근철, 고영성, 김유, 김선진, "과산화수소/케로신 단일 인젝터 설계 및 혼합비에 따른 연소특성," 한국추진공학회 춘계학술대회, 2010, pp.81-84 

  11. 김기우, 전준수, 박진호, 고영성, 김유, 김선진, "과산화수소 케로신을 추진제로하는 다중 인젝터 설계 및 수류시험," 한국추진공학회 춘계학술대회, 2010, pp.95-98 

  12. 조성권, 안성용, 김종학, 윤호성, 권세진, "분해된 과산화수소와 케로신을 이용한 1,200 N급 이원추진제 로켓 엔진의 연구," 한국추진공학회 춘계학술대회, 2010, pp.156-164 

  13. Huzel, D. K., and Huang, D. H., "Modern Engineering for Design of Liquid-Propellant Rocket Engines," Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 147, AIAA 

  14. Gordon, S., and McBride, B. J., "Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications," NASA Reference Publication 1311, 1994 

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