이온성 액체 추진제인 HAN은 무독성의 높은 저장성을 갖는 단일 추진제로서 메탄올을 혼합하여 비추력을 향상시켜 하이드라진을 대체할 수 있을 있다. HAN은 하이드록실아민과 질산의 산-염기 반응을 통해 합성하며, 메탄올과 8.2:1의 비율로 혼합한다. HAN의 분해를 위해서 이리듐 촉매를 사용하며, 하나의 오리피스를 갖는 1 N급 추력기를 사용하여 HAN/메탄올 추진제의 성능 평가를 수행하였다. 메탄올 연소로 인해 반응 생성물의 온도가 높기 때문에 디스트리뷰터의 열적 안정성을 향상시키기 위해 세라믹 재료를 적용하였다. 완전한 분해를 위해서는 최소 $400^{\circ}C$의 예열 온도를 필요로 하였다. 높은 $C^*$ 효율을 얻기 위해서는 가압 압력이 높아져야 했으며, 이로 인해 촉매 상단의 분해 성능이 저하되면서 전체 추력기 성능 저하가 유발되었다. 이를 해결하기 위해 미세한 금속 메쉬를 인젝터 후단에 삽입하여 추진제의 분무 특성을 향상시켰으며, 실험 결과 촉매의 성능 저하 현상이 개선되었음을 확인하였다.
이온성 액체 추진제인 HAN은 무독성의 높은 저장성을 갖는 단일 추진제로서 메탄올을 혼합하여 비추력을 향상시켜 하이드라진을 대체할 수 있을 있다. HAN은 하이드록실아민과 질산의 산-염기 반응을 통해 합성하며, 메탄올과 8.2:1의 비율로 혼합한다. HAN의 분해를 위해서 이리듐 촉매를 사용하며, 하나의 오리피스를 갖는 1 N급 추력기를 사용하여 HAN/메탄올 추진제의 성능 평가를 수행하였다. 메탄올 연소로 인해 반응 생성물의 온도가 높기 때문에 디스트리뷰터의 열적 안정성을 향상시키기 위해 세라믹 재료를 적용하였다. 완전한 분해를 위해서는 최소 $400^{\circ}C$의 예열 온도를 필요로 하였다. 높은 $C^*$ 효율을 얻기 위해서는 가압 압력이 높아져야 했으며, 이로 인해 촉매 상단의 분해 성능이 저하되면서 전체 추력기 성능 저하가 유발되었다. 이를 해결하기 위해 미세한 금속 메쉬를 인젝터 후단에 삽입하여 추진제의 분무 특성을 향상시켰으며, 실험 결과 촉매의 성능 저하 현상이 개선되었음을 확인하였다.
The HAN which is an ionic liquid is a non-toxic monopropellant with high storability, and its specific impulse can be increased by blending methanol, thereby it can substitute the hydrazine. The HAN was synthesized by acid-base reaction of hydroxylamine and nitric acid, and the blending ratio of HAN...
The HAN which is an ionic liquid is a non-toxic monopropellant with high storability, and its specific impulse can be increased by blending methanol, thereby it can substitute the hydrazine. The HAN was synthesized by acid-base reaction of hydroxylamine and nitric acid, and the blending ratio of HAN and methanol is 8.2:1. The iridium catalyst was used to decompose the HAN, and 1 N class thruster with shower head type injector having one orifice was used to evaluate the HAN/Methanol propellant. The thermal stability of distributor was increased by using ceramic material to endure the high temperature of product gas. The preheating temperature of catalyst should be $400^{\circ}C$ at least for the complete decomposition. The feeding pressure should be increased to increase the $C^*$ efficiency, thereby the decomposition performance was decreased upstream catalyst, and the performance of thruster was decreased. The fine metal mesh was inserted after the injector to improve the atomization of propellant, thereby it can settle the performance decrease problem. The phenomenon of performance decrease was remarkably improved owing to the insertion of fine metal mesh.
The HAN which is an ionic liquid is a non-toxic monopropellant with high storability, and its specific impulse can be increased by blending methanol, thereby it can substitute the hydrazine. The HAN was synthesized by acid-base reaction of hydroxylamine and nitric acid, and the blending ratio of HAN and methanol is 8.2:1. The iridium catalyst was used to decompose the HAN, and 1 N class thruster with shower head type injector having one orifice was used to evaluate the HAN/Methanol propellant. The thermal stability of distributor was increased by using ceramic material to endure the high temperature of product gas. The preheating temperature of catalyst should be $400^{\circ}C$ at least for the complete decomposition. The feeding pressure should be increased to increase the $C^*$ efficiency, thereby the decomposition performance was decreased upstream catalyst, and the performance of thruster was decreased. The fine metal mesh was inserted after the injector to improve the atomization of propellant, thereby it can settle the performance decrease problem. The phenomenon of performance decrease was remarkably improved owing to the insertion of fine metal mesh.
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문제 정의
본 연구에서는 1 N급 추력기를 사용하여 하이드라진을 대체할 수 있는 HAN/메탄올 추진제의 성능 평가를 실시하였다. HAN은 무독성의 이온성 액체로서 저장성이 우수하고 밀도가 높으며 메탄올을 혼합하여 비추력을 향상시킬 수 있다.
제안 방법
추진제의 완전 분해를 위해서 필요한 적정 촉매의 부피를 모르는 상황에서 반응기 설계는 기존 추력기 정보들을 바탕으로 이루어졌으며, 직경 9 mm에 길이 18 mm로 설계하였다. HAN 추진제의 분해를 위해서는 촉매의 예열이 필요하기 때문에 반응기 외부에 heater를 삽입하여 예열을 할 수 있도록 하였다. Fig.
HAN/메탄올 추진제의 성능 평가를 위해서 1 N급 추력기를 설계하였다. 추력기의 전체 크기가 작고 추진제의 유량이 적기 때문에 인젝터는 샤워헤드 타입을 사용하였으며 오리피스의 개수는 250 μm 한 개로 정하였다.
HAN은 무독성의 이온성 액체로서 저장성이 우수하고 밀도가 높으며 메탄올을 혼합하여 비추력을 향상시킬 수 있다. HAN은 하이드록실아민과 질산의 산-염기 반응을 통해 합성하였으며, 메탄올과 8.1:1의 비율로 혼합하였다. 혼합비는 EM 추력기의 재료의 열적 특성을 고려하여 선정하였다.
이를 해결하기 위해서 인젝터 후단에 금속 메쉬를 삽입하여 분사되는 추진제의 미립화를 증가시키기로 하였다. 기존 인젝터 후단에는 추진제 미립화를 위해서 50 mesh 크기의 금속 메쉬를 삽입하였으나, 이보다 더욱 미립화를 증가시키기 위해 200 mesh 크기의 금속 메쉬로 교체하였다. 27 bar로 가압하여 펄스 모드로 동일하게 실험한 결과 촉매의 성능 저하 현상이 나타나지 않았다.
HAN은 독성이 낮고 밀도가 높으며 이온성 액체이기 때문에 저장성이 매우 우수하다. 따라서 HAN 추진제를 합성하여 1 N급 추력기에 적용하여 HAN/메탄올l 추진제 추력기에 대한 성능 평가를 실시하였다.
디스트리뷰터만 고내열성 금속을 사용하게 될 경우 열팽창률에 따른 영향을 고려해야하며, 고내열성 금속 재질의 메쉬 수급이 어렵다. 따라서 고내열성 금속을 사용하는 방법보다 경제적이면서 적용이 용이한 방법으로 세라믹 디스트리뷰터를 선택하였다.
혼합비는 EM 추력기의 재료의 열적 특성을 고려하여 선정하였다. 성능 평가용 추력기는 추력 1 N급으로서 추진제의 질량유량이 적기 때문에 한 개의 오리피스를 갖는 샤워헤드 타입 인젝터를 적용하였다. 또한 높은 열적 안정성이 요구되는 디스트리뷰터를 세라믹 재료를 사용해 제작함으로서 고온에서도 안정적으로 디스트리뷰터 역할을 수행할 수 있도록 하였다.
촉매의 예열을 위해서 50 W급 히터 4 개를 사용하였다. 예열 온도에 따른 분해 정도를 파악하기 위해서 반응기에 4 개의 열전대를 삽입하여 온도 변화를 파악하였다. 분해가 일어나지 않을 경우 온도가 상승하지 않아 온도 효율이 낮을 것이며, 일정 예열 온도 이상에서는 모든 추진제가 분해되어 온도 효율이 유사할 것이다.
가압 압력 증가로 C* 효율이 증가하였으나 펄스 모드로 사용하게 될 경우 촉매의 성능 저하가 발생하는 문제가 나타났다. 이를 해결하기 위해서 인젝터 후단에 금속 메쉬를 삽입하여 분사되는 추진제의 미립화를 증가시키기로 하였다. 기존 인젝터 후단에는 추진제 미립화를 위해서 50 mesh 크기의 금속 메쉬를 삽입하였으나, 이보다 더욱 미립화를 증가시키기 위해 200 mesh 크기의 금속 메쉬로 교체하였다.
추력기의 전체 크기가 작고 추진제의 유량이 적기 때문에 인젝터는 샤워헤드 타입을 사용하였으며 오리피스의 개수는 250 μm 한 개로 정하였다.
추력기의 전체 크기가 작고 추진제의 유량이 적기 때문에 인젝터는 샤워헤드 타입을 사용하였으며 오리피스의 개수는 250 μm 한 개로 정하였다. 추진제의 완전 분해를 위해서 필요한 적정 촉매의 부피를 모르는 상황에서 반응기 설계는 기존 추력기 정보들을 바탕으로 이루어졌으며, 직경 9 mm에 길이 18 mm로 설계하였다. HAN 추진제의 분해를 위해서는 촉매의 예열이 필요하기 때문에 반응기 외부에 heater를 삽입하여 예열을 할 수 있도록 하였다.
1:1의 비율로 혼합하였다. 혼합비는 EM 추력기의 재료의 열적 특성을 고려하여 선정하였다. 성능 평가용 추력기는 추력 1 N급으로서 추진제의 질량유량이 적기 때문에 한 개의 오리피스를 갖는 샤워헤드 타입 인젝터를 적용하였다.
대상 데이터
세라믹 재료의 사용가능 온도가 높을수록 세공이 줄어들게 되며, 이는 압력강하 증가로 이어지게 된다. 세라믹 디스트리뷰터 제작에 사용된 세라믹 재료는 Isolite B5로서 KAIST 로켓연구실에서 과산화수소 분해 촉매 지지체로 사용하였던 재료이다(7). Isolite B5는 세공이 커 압력강하가 낮고 사용가능 온도가 1300℃에 달하기 때문에 디스트리뷰터로 사용하기에 적합하다.
성능/효과
기존 인젝터 후단에는 추진제 미립화를 위해서 50 mesh 크기의 금속 메쉬를 삽입하였으나, 이보다 더욱 미립화를 증가시키기 위해 200 mesh 크기의 금속 메쉬로 교체하였다. 27 bar로 가압하여 펄스 모드로 동일하게 실험한 결과 촉매의 성능 저하 현상이 나타나지 않았다. Fig.
가압 압력 증가로 C* 효율이 증가하였으나 펄스 모드로 사용하게 될 경우 촉매의 성능 저하가 발생하는 문제가 나타났다. 이를 해결하기 위해서 인젝터 후단에 금속 메쉬를 삽입하여 분사되는 추진제의 미립화를 증가시키기로 하였다.
50 mesh의 메쉬를 삽입한 실험에서는 5 번째 펄스부터 성능 감소가 나타났지만, 200 mesh의 메쉬를 사용한 경우는 10회 이상의 펄스에서도 성능 저하가 나타나지 않았다. 따라서 미세한 금속 메쉬를 삽입함으로써 추진제의 미립화를 증가시킬 수 있었고, 이로 인해 촉매의 성능 저하를 방지할 수 있다. 이로 인해 높은 가압 압력에서도 안정적인 분해 및 pulse 모드 작동이 가능했으며, 특성속도 효율 역시 최대 90 %로 향상시킬 수 있었다.
성능 평가용 추력기는 추력 1 N급으로서 추진제의 질량유량이 적기 때문에 한 개의 오리피스를 갖는 샤워헤드 타입 인젝터를 적용하였다. 또한 높은 열적 안정성이 요구되는 디스트리뷰터를 세라믹 재료를 사용해 제작함으로서 고온에서도 안정적으로 디스트리뷰터 역할을 수행할 수 있도록 하였다. 실험 시스템은 HAN의 자가 촉매 반응이 유발되지 않도록 페시베이션 및 세척을 충분히 하였다.
가압 압력은 15 bar이며, 인젝터 후단부터 T1, T2, T3, T4로 위치하며 등간격으로 설치되었다. 먼저 예열 온도가 200℃인 경우 추진제가 제대로 분해되지 않아 모든 측정 지점에서 온도 효율이 같게 나타났다. 분해가 되지 않아도 효율이 20%에 달하는 것은 예열 온도 때문이다.
실험 결과 펄스(pulse) 모드로 작동했을 시 촉매의 성능이 점진적으로 떨어져 분해가 제대로 되지 못하는 결과를 초래했다. 이는 추진제가 펄스로 분사되면서 추진제의 큰 모멘텀으로 인해 촉매 상단의 반응성이 떨어지게 되었고, 이로 인해 추진제의 질량유량이 점차 증가하면서 분해성능이 감소하여 효율이 낮아지게 되었다.
따라서 미세한 금속 메쉬를 삽입함으로써 추진제의 미립화를 증가시킬 수 있었고, 이로 인해 촉매의 성능 저하를 방지할 수 있다. 이로 인해 높은 가압 압력에서도 안정적인 분해 및 pulse 모드 작동이 가능했으며, 특성속도 효율 역시 최대 90 %로 향상시킬 수 있었다. 펄스 모드 작동 시 특성속도 효율의 편차가 나타났는데, 이는 인젝터에서의 압력강하가 충분치 않아 이로 인한 불안정성이 매 펄스마다 영향을 끼쳤기 때문이다.
또한 C* 효율을 증가시키기 위해 가압 압력을 증가시킨 경우, 추진제의 모멘텀이 함께 증가하면서 촉매의 성능을 저하시키는 문제가 발생 하였다. 이를 해결하기 위해 인젝터 후단에 미세한 금속 메쉬를 삽입하여 분무 특성을 증가시켜 높은 가압 압력에서도 성능 저하 현상을 방지할수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하이드라진의 단점은 무엇입니까?
하이드라진은 다른 단일 추진제에 비해 비추력이 높고 단열분해온도가 낮기 때문에 단일 추진제 추력기에 적용하기에 매우 적합하다. 하지만 독성이 매우 강하기 때문에 사용자의 안전을 위해 완벽한 보호 장비를 갖추어야 한다는 단점이 있다. 또한 공기 중의 이산화탄소와 반응하기 때문에 보관 및 수송에 있어서도 특수 용기와 각별한 주의가 필요하다(1). 따라서 하이드라진보다 독성이 낮은 무독성 단일 추진제에 대한 연구가 활발히 진행되어 왔다.
HAN은 어떻게 합성할 수 있습니까?
HAN은 하이드록실아민(NH2OH)과 질산의 산-염기 반응을 통해 비교적 손쉽게 합성할 수 있다. 산-염기 반응이기 때문에 합성 과정에서 많은 열이 발생하므로 냉각이 필요하며 중성에서 반응이 완료된다.
인공위성 및 발사체의 자세제어를 위한 방법 중 추력기의 장점은 무엇입니까?
인공위성 및 발사체의 자세 제어를 위한 다양한 방법 중 추력기는 직접적으로 추력을 발생할 수 있으며, 공력이 발생하지 않는 우주에서도 사용할 수 있는 장점이 있다. 현재 상용화 되어 있는 추력기는 대부분 하이드라진(N2H4)을 추진제로 사용하고 있다.
참고문헌 (8)
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Wernimont, J. E., "System Trade Parameter Comparison of Monopropellants: Hydrogen Peroxide vs Hydrazine and Others," 42nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, AIAA-2006-5235, Sacramento, CA, 2006.
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Lee, J., An, S., Kim, M., Moon, K., Song, S., Choi, W., Park, S., Kwon, S., "Design and Performance Evaluation of the 10 N Level Monopropellant Thruster", Proceeding of the 2007 KSAS Fall Conference, pp.1349-1352.
Harlow, D. G., Felt, R. E., Agnew, S., Barney S., McKibben, J. M., Garber, R., and Lewis, M., Technical Report on Hydroxylamine Nitrate, DOE/EH-0555, U. S. Department of Energy, 1998, pp.2-7.
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