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가설 설정
- 10N급 추력을 갖는 소형 모델 로켓을 제작하기 위해서 인젝터와 노즐을 일차원 등엔트로피 흐름을 통해 추진력을 얻는다고 가정하여 설계를 하였다.
제안 방법
- 완성된 로켓으로 공터에서 발사 시험을 행하였다. 3층 높이의 건물에 철로 된 지지대를 설치하고, 거기에 낚시 줄을 이용하여 로켓의 방향을 잡아주는 가이드라인으로 사용하였다. 로켓의 인젝터의 유량을 조절하는데 솔레노이드 벨브를 사용하여 전력을 일정 높이 이상에서도 공급하기 위하여 낚시대에 전선을 연결하여 비행중인 로켓에 전력을 공급하였다.
- 하지만 별도의 산화제를 필요로 하지 않는 단일 추진 시스템을 사용할 경우, 촉매 반응을 통한 반응 생성물 가스를 통해 추력을 얻기 때문에 액체 추진 시스템을 간단하고 반응이 단순하며 작동 응답성이 높게 만들 수 있다.[1] 이러한 점은 대중화의 어려움이라는 액체 추진 로켓의 한계를 극복할 수 있다고 판단하여 모델 로켓에 단일 추진 시스템을 사용하기로 하였다.
- 이에 맞는 로켓의 몸체와 인젝터, 그리고 노즐을 설계하고, 촉매 베드의 길이와 백금 촉매의 농도에 따라 추진체의 추력 및 안정성을 실험을 통해 알아보았다. 그리고 이를 통해 촉매 베드 크기와 최적 백금 담지량을 찾아 설계에 따라 알루미늄으로 모형 로켓을 만들어 발사 시험을 시행하였다.
- 따라서 인젝터에 지름 200μm의 Orifice를 만들어서 촉매 반응의 추력 평가실험을 행하였다.
- 3층 높이의 건물에 철로 된 지지대를 설치하고, 거기에 낚시 줄을 이용하여 로켓의 방향을 잡아주는 가이드라인으로 사용하였다. 로켓의 인젝터의 유량을 조절하는데 솔레노이드 벨브를 사용하여 전력을 일정 높이 이상에서도 공급하기 위하여 낚시대에 전선을 연결하여 비행중인 로켓에 전력을 공급하였다. 로켓 발사 시험 결과 10m 가량의 높이를 비교적 일정한 속도로 상승하는 것을 볼 수 있었다.
- Figure 4를 보면 4cm의 베드에 담지 된 백금 5wt%는 500ms 안에 안정적인 추력을 보여 주었고, 그 이후에도 매우 10N 가량의 추력이 큰 변화의 폭이 없이 유지 된 것을 볼 수 있다. 본 연구에서 제작할 로켓이 소형화된 로켓이어서 에너지 밀도가 낮고, 진공인 우주와는 달리 외부 압이 존재한다는 점을 고려하면 500ms 안에 안정 추력을 확보한 것은 로켓에 사용하기에 충분하다고 생각되며, 반응하는 동안 추력을 매우 안정하게 유지할 수 있었기에 최종적으로 5wt%의 백금을 올린 4cm의 베드를 로켓에 사용하기로 결정하였다.
- 안전사고의 위험을 막기 위해 목표 추력을 10N으로 설정하였다. 이에 맞는 로켓의 몸체와 인젝터, 그리고 노즐을 설계하고, 촉매 베드의 길이와 백금 촉매의 농도에 따라 추진체의 추력 및 안정성을 실험을 통해 알아보았다.
- 안전사고의 위험을 막기 위해 목표 추력을 10N으로 설정하였다. 이에 맞는 로켓의 몸체와 인젝터, 그리고 노즐을 설계하고, 촉매 베드의 길이와 백금 촉매의 농도에 따라 추진체의 추력 및 안정성을 실험을 통해 알아보았다. 그리고 이를 통해 촉매 베드 크기와 최적 백금 담지량을 찾아 설계에 따라 알루미늄으로 모형 로켓을 만들어 발사 시험을 시행하였다.
- 과산화수소의 분해 반응을 촉진하기 위한 촉매로는 백금을 사용하였으며, 다공성의 아이솔라이트를 베드로 사용하여 질량 대 면적 비를 최대화하였다. 촉매 적재량과 베드의 길이를 결정하기 위해 각 조합에 따른 추력 기관의 추력 능력 실험을 이행하였고, 그 결과 가장 높은 c* 효율을 보여준 5wt% 백금을 4cm의 베드에 올려 사용하기로 결정했다. 이러한 촉매 적재량-베드 길이 조합은 콜드 스타트 이후 500ms 만에 매우 안정적인 추력을 보여주었을 뿐만 아니라 반응이 완결되기까지 매우 균일한 추력을 보여 주어 로켓의 촉매로 적합함을 확인했다.
- 촉매의 실질적인 분해 능력을 알아보기 위하여 백금의 농도와 촉매 베드의 길이에 따른 추진제의 c*효율을 알아보았다.
- 최종적으로 일련의 설계 작업과 추력능력 평가실험을 바탕으로 소형 로켓을 제작하였고 발사 시험을 통해서 그 성능을 확인하였다.
- 추력 실험 중에는 질량 유량을 센서를 통해 직접적으로 측정할 수 없으므로, 인젝터 뒤의 압력과 추력기에 걸린 압력으로부터 질량 유량을 간접적으로 측정하였다. Eq.
- 추력기의 추력은 과산화수소 촉매 반응물의 질량유량과 상관관계를 가지므로, 최대의 효율로 10N 추력을 얻기 위해 촉매 반응의 추력능력 평가실험을 통하여 촉매베드의 길이와 과산화수소의 농도를 결정하였다.
대상 데이터
- 추진제로 90wt%의 과산화수소를 사용하였고 백금을 촉매로 사용하였다. 3wt%, 4wt%, 5wt%, 6wt%의 백금 촉매와 3cm, 4cm, 5cm의 길이를 갖는 촉매 베드를 대상으로 실험 하였다. 모든 추력능력 평가 실험은 Cold Start 조건에서 500ms간 수행되었고, 추력능력 평가 실험의 척도로는 c*효율을 사용하였다.
- 4개의 조합 모두 촉매로써의 역할에 충실하다고 생각할 수 있지만, 그 중에서 가장 효율이 좋은 것을 선택하기 위해 5wt%의 백금을 4cm의 베드에 올려 로켓에 사용하기로 하였다. 또한 나머지 3개의 경우 길이가 더 길거나 백금의 농도가 더 높아 비슷한 효율을 내기 위해 더 많은 양의 백금이 요구되므로, 경제적인 관점에서 5wt% - 4cm의 조합이 바람직하다고 판단하였다.
- 56인 노즐을 제작하였다. 과산화수소의 분해 반응을 촉진하기 위한 촉매로는 백금을 사용하였으며, 다공성의 아이솔라이트를 베드로 사용하여 질량 대 면적 비를 최대화하였다. 촉매 적재량과 베드의 길이를 결정하기 위해 각 조합에 따른 추력 기관의 추력 능력 실험을 이행하였고, 그 결과 가장 높은 c* 효율을 보여준 5wt% 백금을 4cm의 베드에 올려 사용하기로 결정했다.
- 로켓을 제작하기 위해 일련의 과정에 따라 인젝터에 지름 200μm의 오리피스를 7개 만들었고, 반응 생성물 가스의 가속을 위하여 목의 지름이 2.5mm 이고 면적비가 2.56인 노즐을 제작하였다.
- 추진제로는 무독성이고 안전하며 저장이 손쉬운 과산화수소를 선택하였고, 고정이 잘되고 예열이 되지 않은 콜드 스타트 상태에서도 좋은 과산화 수소 분해 능력을 지닌 백금을 촉매로 사용하였다. 베드로는 단위 부피 대 면적비가 가장 크고 고온에서도 변형이 되지 않는 다공성 세라믹 물질인 아이솔라이트(Isolite)를 사용하였다.[5]
- 따라서 인젝터에 지름 200μm의 Orifice를 만들어서 촉매 반응의 추력 평가실험을 행하였다. 실제 로켓에는 설계된 인젝터와 동등한 성능을 지닌 솔레노이드 밸브를 사용하였다.
- 추진제로 90wt%의 과산화수소를 사용하였고 백금을 촉매로 사용하였다. 3wt%, 4wt%, 5wt%, 6wt%의 백금 촉매와 3cm, 4cm, 5cm의 길이를 갖는 촉매 베드를 대상으로 실험 하였다.
- 단일추진제 추력기는 추진제가 촉매 베드에 분사되면서 열분해 되어 발생한 고온의 기체를 노즐로 가속하여 배출함을 통해 추력을 얻는다. 추진제로는 무독성이고 안전하며 저장이 손쉬운 과산화수소를 선택하였고, 고정이 잘되고 예열이 되지 않은 콜드 스타트 상태에서도 좋은 과산화 수소 분해 능력을 지닌 백금을 촉매로 사용하였다. 베드로는 단위 부피 대 면적비가 가장 크고 고온에서도 변형이 되지 않는 다공성 세라믹 물질인 아이솔라이트(Isolite)를 사용하였다.
데이터처리
- 3wt%, 4wt%, 5wt%, 6wt%의 백금 촉매와 3cm, 4cm, 5cm의 길이를 갖는 촉매 베드를 대상으로 실험 하였다. 모든 추력능력 평가 실험은 Cold Start 조건에서 500ms간 수행되었고, 추력능력 평가 실험의 척도로는 c*효율을 사용하였다. c*는 특성 속도(Characteristic Velocity)로써 실험적으로 정의된 값이며 디자인이나 추진제가 다른 화학 로켓의 상대적인 성능비교를 위해 사용되는 값으로 다음과 같이 정의된다.
성능/효과
- 이러한 촉매 적재량-베드 길이 조합은 콜드 스타트 이후 500ms 만에 매우 안정적인 추력을 보여주었을 뿐만 아니라 반응이 완결되기까지 매우 균일한 추력을 보여 주어 로켓의 촉매로 적합함을 확인했다. 경량화를 위해 알루미늄을 이용하여 몸체를 만들었고, 발사 시험을 이행한 결과 10m 가량의 높이를 비교적 일정한 속도로 상승하는 것을 관찰할 수 있었다.
- 사이의 비율이다. 계산의 편의를 위해서 일차원 등 엔트로피 흐름이라 가정하고 노즐 목과 출구에서 마하수가 1과 3이 나오게끔 각각의 At와 Ae의 값을 계산한 결과 At의 지름은 2mm, Ae의 지름은 3.5mm가 모형 로켓에 적합하다고 판단되었다.
- 로켓의 인젝터의 유량을 조절하는데 솔레노이드 벨브를 사용하여 전력을 일정 높이 이상에서도 공급하기 위하여 낚시대에 전선을 연결하여 비행중인 로켓에 전력을 공급하였다. 로켓 발사 시험 결과 10m 가량의 높이를 비교적 일정한 속도로 상승하는 것을 볼 수 있었다.
- 촉매 적재량과 베드의 길이를 결정하기 위해 각 조합에 따른 추력 기관의 추력 능력 실험을 이행하였고, 그 결과 가장 높은 c* 효율을 보여준 5wt% 백금을 4cm의 베드에 올려 사용하기로 결정했다. 이러한 촉매 적재량-베드 길이 조합은 콜드 스타트 이후 500ms 만에 매우 안정적인 추력을 보여주었을 뿐만 아니라 반응이 완결되기까지 매우 균일한 추력을 보여 주어 로켓의 촉매로 적합함을 확인했다. 경량화를 위해 알루미늄을 이용하여 몸체를 만들었고, 발사 시험을 이행한 결과 10m 가량의 높이를 비교적 일정한 속도로 상승하는 것을 관찰할 수 있었다.
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