[논문]과산화수소 촉매 분해를 이용한 하이브리드 로켓 자연 점화

안성용; 진정근; 정은상; 권세진

과산화수소 촉매 분해를 이용한 하이브리드 로켓 자연 점화
Auto-ignition Characteristics of Paraffin and PE Hybrid Rocket with $H_2O_2$ Catalytic Decomposition 원문보기

안성용 (KAIST 항공우주공학과) , 진정근 (KAIST 기계기술연구소) , 정은상 (KAIST 항공우주공학과) , 권세진 (KAIST 항공우주공학과)

고농도 과산화수소를 산화제로 이용하는 하이브리드 로켓의 자연 점화 연구를 수행하였다. 별도의 점화기 없이 촉매 반응을 통한 과산화수소 분해가스를 파라핀 및 폴리에틸렌에 분사함으로서 점화를 하였고 연속적인 재점화 및 즉각적인 점화 특성을 확인하였다. 안정적인 연소를 위해 파라핀은 PE에 비해 높은 연소실 특성길이가 요구된 반면, 펄스 응답특성은 점화지연 13 ms, 상승시간 30 ms 로서 폴리에틸렌의 응답성에 비해 두 배 가량 빠른 특성을 보였다.

The auto-ignition tests of hybrid rockets with the concentrated hydrogen peroxide as an oxidizer were presented. Auto-ignition, restartability, and instant ignition were successfully demonstrated by injecting decomposed gases from $H_2O_2$ into paraffin or polyethylene fuels. In addition, much faster response time was demonstrated in case of a paraffin, which was 13 and 30 ms at ignition delay and rise time respectively.

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문제 정의

본 연구에서는 과산화수소를 산화제로 이용하는 하이브리드 로켓의 기초 연구로서 점화 가능성을 살펴보고자 한다. 산화제로 90 wt% 과산화수소를 사용하였고 후퇴율(regression rate)을 제외한 항목에서 유사한 추진 특성을 나타내는 파라핀과 폴리에틸렌(PE)을 연료로 사용하였다.
이러한 점화방식은 안정적으로 사용되고 있으나 방식에 따라 재점화가 용이하지 않거나, 일정한 점화 절차가 요구되어 즉각적인 점화가 쉽지 않다는 단점이 있다. 이를 개선하기 위한 방법으로 본 연구에서는 촉매 점화방식을 구현하였다. 이는 산화제가 촉매대를 거쳐 공급되며 이 과정에서 분해되어 생성된 고온의 산소 혼합 가스를 고체 연료에 분사하는 방식이다.

제안 방법

과산화수소를 산화제로 사용하여 파라핀 및 PE의 자연 점화 및 즉각적인 재점화 실험을 수행하였다. 또한, 연소특성을 볼 때 파라핀은 PE 보다 높은 연소기 특성길이가 필요하므로 전체 로켓의 크기가 커지게 되는 문제점이 있었으나 빠른 응답특성으로 자세제어 시스템에서는 우수한 특성을 나타낼 것으로 기대되었다.
1)를 장착할 수 있도록 설계하였고 노즐은 연소챔버 압력이 약 15 bar 인 경우 최적 팽창이 되도록 면적비(A_e/A_t) 를 결정하였다. 안정적인 연소에 필요한 특성길이(L*)를 정성적으로 살펴보기 위해 Case 1의 설계를 기본으로 하고 기본 형상에 길이 10 cm를 가지는 혼합 챔버를 연소기에 추가하여(Case 2) 두 조건에서 점화 특성을 살펴보고자 하였다. 혼합 챔버에 따른 두 가지 연소기의 단면 형상과각 연소기에서 측정한 압력 및 온도 센서의 위치를 Fig.
단일추진제 추력기 모드로 작동될 때 50 N을 발생시키는 크기로 사이징 하였다. 연소기는 외경 33 mm, 길이 50 mm, 내경 10 mm 단일 포트를 가지는 연료(Fig. 1)를 장착할 수 있도록 설계하였고 노즐은 연소챔버 압력이 약 15 bar 인 경우 최적 팽창이 되도록 면적비(A_e/A_t) 를 결정하였다. 안정적인 연소에 필요한 특성길이(L*)를 정성적으로 살펴보기 위해 Case 1의 설계를 기본으로 하고 기본 형상에 길이 10 cm를 가지는 혼합 챔버를 연소기에 추가하여(Case 2) 두 조건에서 점화 특성을 살펴보고자 하였다.
촉매 반응기를 포함한 하이브리드 로켓을 설계하여 자연 점화 특성을 고찰 하였다. 이후, 연소 및 재점화 특성을 고찰하였고 하이브리드 작동 모드(combustion mode)와 단일추진제 작동모드(reaction mode)에서의 펄스 응답속도와 비교함으로써 과산화수소를 활용한 하이브리드 로켓의 기본적인 특성을 연구하였다.
산화제로 90 wt% 과산화수소를 사용하였고 후퇴율(regression rate)을 제외한 항목에서 유사한 추진 특성을 나타내는 파라핀과 폴리에틸렌(PE)을 연료로 사용하였다. 촉매 반응기를 포함한 하이브리드 로켓을 설계하여 자연 점화 특성을 고찰 하였다. 이후, 연소 및 재점화 특성을 고찰하였고 하이브리드 작동 모드(combustion mode)와 단일추진제 작동모드(reaction mode)에서의 펄스 응답속도와 비교함으로써 과산화수소를 활용한 하이브리드 로켓의 기본적인 특성을 연구하였다.
혼합 챔버를 장착한 후 동일한 실험을 수행하였다. 낮은 특성 길이로 즉각적인 점화 및 안정적인 연소가 이루어지지 않았던 파라핀은 case 1 결과와는 다르게 첫 번째 펄스부터 T3 및 T4가 모두 연료 상류온도 보다 높게 나타나 즉각적인 점화가 일어났다.

대상 데이터

본 연구에서는 과산화수소를 산화제로 이용하는 하이브리드 로켓의 기초 연구로서 점화 가능성을 살펴보고자 한다. 산화제로 90 wt% 과산화수소를 사용하였고 후퇴율(regression rate)을 제외한 항목에서 유사한 추진 특성을 나타내는 파라핀과 폴리에틸렌(PE)을 연료로 사용하였다. 촉매 반응기를 포함한 하이브리드 로켓을 설계하여 자연 점화 특성을 고찰 하였다.

성능/효과

첫 펄스에서 점화가 다소 지연되는 현상이 나타났으나 두 번째 펄스부터는 첫 번째 펄스와는 달리 밸브 개방과 동시에 빠르게 점화가 일어났으며 재점화가 이루어졌다. PE 또한 연료가 모두 소진될 때까지 성공적인 펄스 점화가 일어났는데 이를 통해 하이브리드 로켓에서 과산화수소 촉매 분해 반응을 이용한 산화제 공급할 경우 자발점화(hypergolic ignition)에 가까운 자연점화(auto-ignition)가 연속적으로 가능함을 확인하였다. 혼합 챔버를 장착한 후 동일한 실험을 수행하였다.
혼합 챔버를 장착한 후 동일한 실험을 수행하였다. 낮은 특성 길이로 즉각적인 점화 및 안정적인 연소가 이루어지지 않았던 파라핀은 case 1 결과와는 다르게 첫 번째 펄스부터 T3 및 T4가 모두 연료 상류온도 보다 높게 나타나 즉각적인 점화가 일어났다. PE를 이용한 점화 실험에서는 두 번째 펄스부터 점화가 일어나기 시작했는데 T3는 k-type 온도센서의 측정 한계를 초과하여 실제적인 온도 측정이 불가능한 구간이 나타났다.
과산화수소를 산화제로 사용하여 파라핀 및 PE의 자연 점화 및 즉각적인 재점화 실험을 수행하였다. 또한, 연소특성을 볼 때 파라핀은 PE 보다 높은 연소기 특성길이가 필요하므로 전체 로켓의 크기가 커지게 되는 문제점이 있었으나 빠른 응답특성으로 자세제어 시스템에서는 우수한 특성을 나타낼 것으로 기대되었다.
8은 파라핀 경우 압력 측정 결과를 나타낸다. 밸브가 열림과 동시에 단일추진제 추력기 모드가 시작되고 연소실 압력(P3)이 상승하여 정상상태를 보이다가 점화가 일어나면서 P3가 다시 상승한 후 다소 높은 압력에서 유지되며 연소가 지속됨을 확인할 수 있다. 첫 펄스에서 점화가 다소 지연되는 현상이 나타났으나 두 번째 펄스부터는 첫 번째 펄스와는 달리 밸브 개방과 동시에 빠르게 점화가 일어났으며 재점화가 이루어졌다.
펄스 응답 속도를 측정결과(Table 3) 점화지연은 10 ~ 13 ms로 세 가지 모드에서 유사한 특성을 나타내었으나 상승 시간은 단일추진제 모드에서 64 ms, 파라핀 연소에서 30 ms, PE 연소 시 70 ms로 나타났다. 즉, 파라핀은 타 모드에서 보다 두 배 정도 빠른 기울기를 보이면서 빠른 압력 상승을 보였다.

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