[논문]우주추진용 모노메틸하이드라진 반응에 대한 주요 해외연구 동향 조사 Part II : 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 화학반응

장요한; 이균호

doi:10.20910/jase.2016.10.1.74

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Space propulsion system produces required thrust for satellites and space launch vehicles by using chemical reactions of a liquid fuel and a liquid oxidizer typically. Among several liquid propellants, the monomethylhydrazine-dinitrogen tetroxide is expecially preferred for a GEO satellite propellan...

Space propulsion system produces required thrust for satellites and space launch vehicles by using chemical reactions of a liquid fuel and a liquid oxidizer typically. Among several liquid propellants, the monomethylhydrazine-dinitrogen tetroxide is expecially preferred for a GEO satellite propellants due to their better storability in liquid phase during a long mission life under a freezing space environment. Recently, a development of the monomethylhydrazine-dinitrogen tetroxide bipropellant system becomes important as the national space program requires the heavier and the more efficient space system. Thus, the objective of the present study is to review a foreign research trend of a chemical reaction between the monomethyhydrazine fuel and the dinitrogen tetroxide oxidizer to understand a fundamental basis of their characteristics to prepare for domestic development in future.

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문제 정의

하지만, 근래에 국내에서도 정지궤도 복합위성, 달탐사선 및 달착륙선과 같이 추진제 소모량이 큰 우주시스템의 개발이 진행됨에 따라 무게절감 효과가 큰 모노메틸하이드라진-사산화이질소를 사용하는 추진시스템의 필요성이 점차 확산되고 있다[4]. 이러한 추세에 맞춰 본 논문에서는 사전연구로서 Part I에서 소개한 모노메틸하이드라진의 열분해 반응 조사에 이어서 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 간의 기본적인 화학반응을 이해하고 그로인한 추진제의 성능특성을 파악하기 위해 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 화학반응에 초점을 맞추어 주요 해외 연구동향을 조사하였다. 이를 토대로 향후에 국내 기술로 모노메틸하이드라진을 사용하는 우주추진 시스템의 개발을 대비해 밑바탕이 되는 기초자료로 활용되는데 의의를 두고자 한다.
최근에는 국내에서도 정지궤도 복합위성, 달 탐사선과 같이 원거리 위성체의 개발이 진행됨에 따라 모노메틸하이드라진-사산화이질소에 기반한 우주추진 시스템의 필요성이 점차 인식되어가고 있다. 이러한 추세에 맞춰 본 논문에서는 사전연구로서 Part I의 모노메틸하이드라진의 열분해 반응 연구동향 조사에 이어서 모노메틸하이드라진-사산화이질소 간의 화학반응에 초점을 맞추어 기존에 수행된 해외 연구의 주요 동향을 조사하여 정리하였다.
이러한 추세에 맞춰 본 논문에서는 사전연구로서 Part I에서 소개한 모노메틸하이드라진의 열분해 반응 조사에 이어서 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 간의 기본적인 화학반응을 이해하고 그로인한 추진제의 성능특성을 파악하기 위해 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 화학반응에 초점을 맞추어 주요 해외 연구동향을 조사하였다. 이를 토대로 향후에 국내 기술로 모노메틸하이드라진을 사용하는 우주추진 시스템의 개발을 대비해 밑바탕이 되는 기초자료로 활용되는데 의의를 두고자 한다.
조사 결과, 해외 우주선진국에서는 2000년대에 들어서부터 모노메틸하이드라진-사산화이질소 접촉점화에 관해 상세연구를 활발하게 수행하였으며, 이론적 모델의 정립을 통해 다양한 온도 및 압력 조건에서의 화학반응 결과를 예측하고자 하였다. 이를 통해 핵심이 되는 축소반응모델을 도출하였을 뿐만 아니라 반응속도 상수와 Arrhenius 경험식을 이론적으로 모델링하였다.

제안 방법

8과 같이 Arrhenius 경험식으로 모델링하였다. 또한, 초기온도 2,000 K 조건에서 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 핵심반응 메커니즘은 사산화이질소의 열분해 반응으로 시작하며, 이때 발생하는 모노메틸하이드라진의 수소추출 및 N-N 결합분리 반응들을 Table 3과 같은 화학반응식으로 모델링하였다.
이와 같은 두 추진제의 특성을 이해하고, 이를 토대로 모노메틸하이드라진-사산화이질소 로켓엔진의 설계와 열유동 현상 등 다양한 연구를 진행하기 위해서는 기본적으로 두 추진제 간의 화학반응에 대한 연구가 반드시 선행되어야 한다. 이를 위해 본 절에서는 Part I의 모노메틸하이드라진의 열분해 반응 동향 조사에 이어서 모노메틸하이드라진과 사산화이질소간의 화학반응의 해외 연구 동향을 다음과 같이 조사하였다.
한편, Liu 등[8]은 모노메틸하이드라진 연료의 분해율을 온도의 역수를 매개변수로 하는 특성시간(characteristic time) τ의 함수로서 정량화하였다. 이를 토대로 온도 2,000 K ~ 3,000 K 조건에서 온도의 역수 및 특성시간의 로그 스케일 간의 관계를 Fig. 8과 같이 Arrhenius 경험식으로 모델링하였다. 또한, 초기온도 2,000 K 조건에서 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 핵심반응 메커니즘은 사산화이질소의 열분해 반응으로 시작하며, 이때 발생하는 모노메틸하이드라진의 수소추출 및 N-N 결합분리 반응들을 Table 3과 같은 화학반응식으로 모델링하였다.
조사 결과, 해외 우주선진국에서는 2000년대에 들어서부터 모노메틸하이드라진-사산화이질소 접촉점화에 관해 상세연구를 활발하게 수행하였으며, 이론적 모델의 정립을 통해 다양한 온도 및 압력 조건에서의 화학반응 결과를 예측하고자 하였다. 이를 통해 핵심이 되는 축소반응모델을 도출하였을 뿐만 아니라 반응속도 상수와 Arrhenius 경험식을 이론적으로 모델링하였다. 또한, 다양한 분자동역학 방법들을 도입하여 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 혼합물에서 주요한 초기 화학반응은 수소원자의 추출과 N-N 결합의 분리인 것을 파악하였다.

데이터처리

10)[9]. 이러한 생성물들이 발생하게 되는 메커니즘을 파악하기 위해 다양한 경로에 대하여 양자역학(quantum mechanics) 연산을 수행하였으며, 실험 결과와 비교연구를 진행하였다.

성능/효과

모노메틸하이드라진과 사산화이질소의 접촉점화 반응에 관한 또 다른 연구로서 Liu 등[8]은 이원추진제의 접촉점화 과정에서 발생하는 물리적, 화학적 반응에 대한 원자 수준의 이해를 얻기 위해 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 혼합물과 에탄올-사산화이질소 혼합물에 대해 원자들 간의 화학반응을 예측할 수 있는 분자동역학 방법인 Reactive force field(ReaxFF)를 이용해 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 혼합물이 혼합 과정에서 에너지를 더욱 빠르게 방출함을 확인하였다. 또한, 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 혼합물에서 주요한 초기 화학반응은 Fig.
5처럼 부산물로 생성되는 것으로도 확인되었다[7]. 그 결과 저온에서 과도한 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 접촉점화로 인해 모노메틸하이드라진의 격렬한 열분해가 발생하여 이 두 물질이 생성될 경우, 이원추진제 로켓엔진에 불안정 거동을 일으킬 수 있다는 현상을 규명한 점이 본 연구의 의의라고 할 수 있다.
또한, 다양한 분자동역학 방법들을 도입하여 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 혼합물에서 주요한 초기 화학반응은 수소원자의 추출과 N-N 결합의 분리인 것을 파악하였다. 그 밖에 아리안 5 발사체의 상단 Aestus 엔진 오작동 원인을 연구하였으며, 그 결과 저온에서 과도한 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 접촉점화로 인해 모노메틸하이드라진의 격렬한 열분해가 발생할 경우, 예기치 못한 불안정 거동에 의해 이원추진제 로켓엔진이 오작동을 일으킬 수 있다는 것을 규명한 것으로 조사되었다.
이를 통해 핵심이 되는 축소반응모델을 도출하였을 뿐만 아니라 반응속도 상수와 Arrhenius 경험식을 이론적으로 모델링하였다. 또한, 다양한 분자동역학 방법들을 도입하여 모노메틸하이드라진과 사산화이질소 혼합물에서 주요한 초기 화학반응은 수소원자의 추출과 N-N 결합의 분리인 것을 파악하였다. 그 밖에 아리안 5 발사체의 상단 Aestus 엔진 오작동 원인을 연구하였으며, 그 결과 저온에서 과도한 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 접촉점화로 인해 모노메틸하이드라진의 격렬한 열분해가 발생할 경우, 예기치 못한 불안정 거동에 의해 이원추진제 로켓엔진이 오작동을 일으킬 수 있다는 것을 규명한 것으로 조사되었다.
반응 초기에 적외선에 반응하는 화학종을 확인한 결과 아질산(HONO), 모노메틸하이드라지니움 질산염(MMH·HONO), 메틸다이아젠(CH4N2), 메틸질산염(CH3ON O2), 메틸아질산염(CH3ONO), 니트로메탄(CH3NO2), 메틸아지드(CH3N3), H2O, N2O 및 NO가 발견되었다(Fig. 10)[9].
이를 통해 점화지연(ignition delay) 시간은 약 3 μsec 정도로 두 추진제가 접촉점화를 통해 반응하는데 매우 짧은 시간이 소요되며, 또한 연소온도는 약 3,500 K까지 상승하는 것으로 예측되었다.

후속연구

향후 국내 기술로 모노메틸하이드라진을 사용하는 우주추진 시스템 개발시 기본적으로 모노메틸하이드라진과 사산화이질소간의 접촉점화를 동반한 화학반응에 대한 연구가 반드시 선행되어야 한다. 따라서, 본 연구의 결과가 이전의 모노메틸하이드라진 열분해 반응 조사연구와 더불어 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 화학반응을 이해하는데 밑바탕이 되는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
최종적으로 본 연구에서는 모노메틸하이드라진과 사산화이질소의 예점화(pre-ignition) 과정에서 기체상태 화학반응뿐만 아니라 에어로졸(aerosol) 상태의 반응도 고려할 필요가 있음을 제안하였다[9].
향후 국내 기술로 모노메틸하이드라진을 사용하는 우주추진 시스템 개발시 기본적으로 모노메틸하이드라진과 사산화이질소간의 접촉점화를 동반한 화학반응에 대한 연구가 반드시 선행되어야 한다. 따라서, 본 연구의 결과가 이전의 모노메틸하이드라진 열분해 반응 조사연구와 더불어 모노메틸하이드라진-사산화이질소의 화학반응을 이해하는데 밑바탕이 되는 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주추진 시스템의 목적은?	우주추진 시스템은 우주발사체와 인공위성이 임무궤도에 도달할 수 있도록 궤도전이에 필요한 추력을 제공하기 위해 사용된다. 이때, 연료와 산화제의 화학반응을 이용해 추력을 발생시키는 화학식 추진시스템은 화학반응에 따라 냉가스 시스템(cold gas system), 단일추진시스템(monopropellant system), 이원추진시스템(bipropellant system), 이중모드 추진시스템(dual mode system), 고체로켓모터 시스템(solid rocket motor system) 등으로 분류될 수 있다[1,2].
	이원추진제 시스템은 어떻게 추력을 얻는가?	이때, 연료와 산화제의 화학반응을 이용해 추력을 발생시키는 화학식 추진시스템은 화학반응에 따라 냉가스 시스템(cold gas system), 단일추진시스템(monopropellant system), 이원추진시스템(bipropellant system), 이중모드 추진시스템(dual mode system), 고체로켓모터 시스템(solid rocket motor system) 등으로 분류될 수 있다[1,2]. 이중에서 이원추진제 시스템은 액체 연료와 액체 산화제의 접촉을 통해 화학반응을 일으킴으로써 추력을 얻는 방식으로 액체 연료와 액체 산화제 간의 화학반응을 통해 고온고압의 연소가스를 발생시킨 후, 이를 노즐을 통해 초음속으로 외부공간으로 배출시킴으로써 추력을 얻는다. 일반적으로 모노메틸하이드라진(monomethylhydrazine, MMH, CH3N2H3)-사산화이질소(dinitrogen tetroxide, NTO, N2O4), 액체수소(LH2)-액체산소 (LOX) 및 RP-1(Rocket Propellant-1)-산소와 같은 추진제들의 조합이 다양한 우주추진 시스템에 사용되고 있다[2,4].
	모노메틸하이드라진-사산화이질소 추진제는 어디에 사용되는가?	특히 모노메틸하이드라진-사산화이질소 추진제의 경우 비추력은 최대 330초 정도로 비추력이 약 220초인 단일추진제에 비해 높기 때문에 추진제 무게 절감 효과가 크며 우주와 같이 극저온 환경에서도 액체 상태로 유지된다. 따라서, 발사체 상단 엔진, 인공위성용 궤도 진입 및 자세제어 추력기, 전략무기용 자세제어 추진시스템 등의 주 추진제로 광범위하게 사용되고 있다[3,4]. 그러나 해외 우주선진국으로부터 기술이전이 극도로 제한되는 분야이기 때문에 아직까지 국내에서는 모노메틸하이드라진-사산화이질소 추진제를 사용한 추진시스템의 개발이 요원한 실정이다[3,4].

참고문헌 (9)

장요한, 이균호, "인공위성 궤도전이 및 자세제어용 이원추진제 로켓엔진의 개발현황," 한국추진공학회지, 19권 1호, pp.50-60, 2015.

원문보기 상세보기
Sutton, G. P., Rocket Propulsion Elements, 8th ed., John Wiley & Sons Inc., 2010.
한조영, "영국산 화학추진시스템의 기술이력과 통신해양기상위성 이원추진제 추진시스템", 항공우주시스템공학회지, 2권 1호, pp.28-36, 2008.

원문보기 상세보기
장요한, 이균호, "우주추진용 모노메틸하이드라진 반응에 대한 주요 해외연구 동향 조사 Part I : 모노메틸하이드라진의 열분해 반응", 항공우주시스템공학회지, 10권 1호, 2016.

원문보기 상세보기
Catoire, L., Chaumeix, N., Paillard, C., "Chemical Kinetic Model for Monomethylhydrazine/Nitrogen Tetroxide Gas Phase Combustion and Hypergolic Ignition," Journal of Propulsion and Power, vol. 20, no. 1, pp.87-92, 2004.

상세보기
Ray J., Ariane 5 Failure Investigation Focuses on Upper Stage, https://spaceflightnow.com/ariane/v142/010713followup.html, Spaceflight Now Inc., 2001.
Frank, I., Hammerl, A., Klapotke, T. M., Nonnenberg, C., Zewen, H., "Processes during the Hypergolic Ignition between Monomethylhydrazine (MMH) and Dinitrogen Tetroxide ( $N_2O_4$ ) in Rocket Engines," Propellants, Explosives, Pyrotechnics, vol. 30, no. 1, pp.44-52, 2005.

상세보기
Liu, Y., Zybin, S. V., Guo, J., van Duin, A. C. T., Goddard III, W. A., "Reactive Dynamics Study of Hypergolic Bipropellants: Monomethylhydrazine and Dinitrogen Tetroxide," The Journal of Physical Chemistry B, vol. 116, pp.14136-14145, 2012.

상세보기
Liu, W. G., Wang, S., Dasgupta, S., Thynell, S. T., Goddard III, W. A., Zybin, S., Yetter, R. A., "Experimental and Quantum Mechanics Investigations of Early Reactions of Monomethylhydrazine with Mixtures of $NO_2$ and $N_2O_4$ ," Combustion and Flame, vol. 160, pp.970-981, 2013.

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