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문제 정의
- 이를 보완하기 위해 2000년 중반 이후에 Sun 등[9]은 제1원리 및 밀도 함수 방법 (ab initio and density functional method)을 사용하여 모노메틸하이드라진 열분해 반응에 대한 열화학적물성치와 결합 에너지를 정확하게 결정하고자 하였다. 또한 모노메틸하이드라진 열분해 반응에 대해 주요 해리 및 추출반응(dissociation and abstraction reaction)과 관련된 반응속도 파라미터(rate parameter)를 결정함으로써 차후에 추진제 연소 시스템의 이론적 모델링에 적용할 수 있도록 모노메틸하이드라진 열분해에 대한 기본 화학반응 메커니즘을 개발하고자 하였다. 결과적으로 총 160개의 화학반응과 43가지 화학종으로 구성된 완전 반응모델을 구성한 후 실험 측정 값들과 비교한 결과 일부 조건에 대해 일치하는 것을 확인하였다.
- 후속연구로서 Sun 등[10]은 2000년 후반 경에 다양한 온도 및 압력 조건에서 크게 희석된 모노메틸하이드라진 기체 혼합물의 열분해 반응을 충격파관을 이용해 실험적으로 관찰을 시도하였다. 또한 연소시스템에서는 단분자 반응이 온도와 압력에 복잡하게 의존하므로 확장된 온도와 압력 범위에 대해 단분자 반응속도 상수의 결정 및 보정을 수행함으로써 실질적인 반응현상을 고려하고자 하였다. 이를 통해 최종적으로 다양한 실험조건에 대해 기체상태 모노메틸하이드라진의 열분해 반응을 모델링하기 위해 총 204개의 화학반응과 52가지 화학종으로 구성된 상세반응 메커니즘을 제안하였다[10].
- 이러한 추세에 맞춰 본 논문에서는 사전연구로서 모노메틸하이드라진의 기본적인 화학반응을 이해하고 그로인한 추진제의 성능특성을 파악하기 위해 모노메틸하이드라진의 열분해 반응에 초점을 맞추어 주요 해외 연구동향을 조사하였다. 본 논문에선 기존 발표문헌[5]의 내용을 추가 및 보완하였으며, 이를 토대로 향후에 국내 기술로 모노메틸하이드라진을 사용하는 우주추진 시스템의 개발을 대비해 밑바탕이 되는 기초자료로 활용되는데 의의를 두고자 한다.
- 3으로부터 열분해 반응으로 인해 시간에 따른 모노메틸하이드라진의 몰분율이 감소되는 측정 결과와 반응모델을 통한 예측한 결과가 서로 유사한 경향성을 나타내고 있는 것을 확인할 수 있었다[8]. 본 연구를 토대로 모노메틸하이드라진의 열분해 반응을 이론적으로 고찰할 수 있는 기반이 수립되었다고 사료된다.
- 하지만, 근래에 국내에서도 현재 정지궤도 복합위성, 달탐사선 및 달착륙선 개발이 진행됨에 따라 모노메틸하이드라진-사산화이질소를 사용하는 추진시스템의 필요성이 점차 확산되고 있다[4]. 이러한 추세에 맞춰 본 논문에서는 사전연구로서 모노메틸하이드라진의 기본적인 화학반응을 이해하고 그로인한 추진제의 성능특성을 파악하기 위해 모노메틸하이드라진의 열분해 반응에 초점을 맞추어 주요 해외 연구동향을 조사하였다. 본 논문에선 기존 발표문헌[5]의 내용을 추가 및 보완하였으며, 이를 토대로 향후에 국내 기술로 모노메틸하이드라진을 사용하는 우주추진 시스템의 개발을 대비해 밑바탕이 되는 기초자료로 활용되는데 의의를 두고자 한다.
- 최근에는 국내에서도 정지궤도 복합위성, 달탐사선과 같이 원거리 위성체의 개발이 진행됨에 따라 모노메틸하이드라진-사산화이질소에 기반한 우주추진 시스템의 필요성이 점차 인식되어가고 있다. 이러한 추세에 맞춰 본 논문에서는 사전연구로서 모노메틸하이드라진의 열분해 반응에 초점을 맞추어 기존에 수행된 해외 연구의 주요 동향을 조사하여 정리하였다. 조사 결과, 해외 우주선진국에서는 1960년대부터 시작을 하였으며, 다양한 온도 및 압력 조건에서의 실험을 통해 모노메틸하이드라진의 열분해 반응의 주요 반응 메커니즘을 파악한 것으로 확인되었다.
- 이렇게 모노메틸하이드라진 연료와 사산화이질소 산화제 간의 화학반응에서 모노메틸하이드라진의 열분해 반응이 초기 고온을 발생하는데 중요한 역할을 수행하므로 접촉점화 특성을 갖는 모노메틸하이드라진 연료의 추진제 특성과 화학반응을 이해하고, 이를 토대로 모노메틸하이드라진 로켓 엔진의 설계와 내부 열유동 현상 해석을 포함한 다양한 연구를 진행하기 위해서는 기본적으로 모노메틸하이드라진 열분해 반응에 대한 연구가 반드시 선행되어야 한다. 이를 위해 본 절에서는 모노메틸하이드라진의 열분해 반응에 관하여 기존에 수행된 해외 연구 중에서 주요한 동향을 조사하여 정리하였다.
가설 설정
- 1990년 대 중반에 Catoire 등[8]은 기존에 수행된 선행 연구결과들을 검토한 결과 고온 조건에서 모노메틸하이드라진의 열분해 특성에 대한 연구가 충분하지 않는다는 점을 깨달았으며, 이를 보완하기 위해 직접 모노메틸하이드라진 연소실험을 통해 고온에서의 해리 과정과 폭발성 분해에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 충격파 (shock tube)에서 크게 희석된 모노메틸하이드라진 혼합물의 분해에 대한 실험적 연구를 수행함으로써 모노메틸하이드라진은 폭발 형태로 분해될 수 있다는 가정을 실험적으로 보여주었다. 이를 토대로 기체 상태의 모노메틸하이드라진에 대한 폭굉 감도(detonation sensitivity)의 분석을 위해 99개의 화학 반응과 39가지 화학종으로 구성된 전체 연소반응 모델을 구성한 후 민감도 분석을 수행하여 최종 14개의 반응식과 15가지 화학종으로 구성된 모노메틸하이드라진 열분해 축소 반응모델을 제안하였다.
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