과산화수소와 에탄올을 활용한 고성능 친환경 단일추진제 개발 및 성능 평가 = Development and performance evaluation of high performance green monopropellant with hydrogen peroxide and ethanol

본 연구에서는 독성의 하이드라진 추진제의 대체를 위한 친환경 추진제인 기존의 HAN, ADN 기반의 단일추진제의 조성과 유사한 70 wt. % 과산화수소에 에탄올을 블렌딩하는 방식의 고성능 친환경 단일추진제를 제안했고, 연소 시험을 통한 성능 평가 및 검증을 진행했다. 70 wt. % 과산화수소의 경우 상용 등급으로 생산 및 취급이 자유로워 본 연구를 통해 고성능 단일추진제 생산 및 취급의 자립성을 확보할 수 있으며, 단가 절감 측면을 기대할 수 있다. 나아가 위성 자세제어 시스템에 적용되는 고성능 단일추진제 추력기 시스템의 국산화를 기대할 수 있다. 에탄올 블렌딩 과산화수소의 이론 성능 평가를 통해 기존의 단일추진제를 성능 면에서 대체할 수 있음을 확인했다. 우선 엔탈피 측면에서 과산화수소에 에탄올을 혼합했을 때 성능 향상을 꾀할 수 있음을 파악했다. 이론 성능 평가를 위해 NASA CEA Code 를 활용했으며, 그 결과 혼합비에 따라 기존의 고성능 단일추진제보다 우수한 성능을 보일 수 있음을 검증했다. 문헌 조사를 통해 과산화수소와 에탄올, 물의 혼합비에 따른 데토네이션 현상 발생 가능성을 파악했고, 이를 참고하여 연소 시험을 통한 성능 평가를 위해 사용할 추진제로 70 wt. % 과산화수소에 30:1, 15:1 의 비율로 에탄올을 블렌딩한 추진제를 제작했다. 70 wt. % 과산화수소에 30:1의 비율로 에탄올을 블렌딩한 추진제의 경우 90 wt. % 과산화수소 추진제와 유사한 비추력 성능을 보인다. 또한 70 wt. % 과산화수소에 15:1 의 비율로 에탄올을 블렌딩한 추진제의 경우 비추력은 하이드라진보다 소폭 낮으며, 밀도 비추력은 하이드라진 및 고농도 과산화수소보다 높은 성능을 보인다. 위의 두 종류의 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 저장성 평가를 진행하여 기존의 고농도 과산화수소와 저장성 측면에서 유사한 성능을 보이는 것을 확인했다. 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 성능 검증을 위한 연소 시험을 위해 10 N 급 액체 단일추진제 추력기 및 추진제 공급 시스템을 설계 및 제작했고, 촉매 활성 물질에 따른 성능 평가를 위해 백금 및 팔라듐 촉매를 증발 건조법을 통해 제작했다. 이후 별도의 점화 설비 없이 연소 여부 파악 및 단일추진제 추력기 내 촉매 반응기에서 발생하는 압력 강하를 파악하기 위해 예비 연소 시험, 최적 촉매 활성 물질 도출을 위한 연소 시험, 추진제 성능 향상 연소 시험을 진행했다. 특성 속도 효율, 온도 효율 및 응답 특성 파악을 위한 응답 시간을 정의, 도출하여 연소 성능 평가를 진행했다. 예비 연소 시험에는 70 wt. % 과산화수소에 30:1 의 비율로 에탄올을 블렌딩한 Propellant 1 추진제 및 백금을 $\gamma -Al_2O_3$ 지지체에 담지한 촉매를 사용했으며, 별도의 점화 설비 없이 연소 시험을 진행하여 에탄올 블렌딩 과산화수소가 기존의 고성능 친환경 단일추진제의 대안이 될 수 있음을 확인했다. 예비 연소 시험에서 특성 속도 효율은 87.7 %, 온도 효율은 84 %, 응답 시간은 0.332 초 이다. 추진제 탱크의 가압 압력을 조정하여 백금 및 팔라듐을 $\gamma -Al_2O_3$ 지지체에 담지하여 촉매에 따른 추진제의 연소 성능 평가를 진행했다. 백금 촉매 사용 시 특성 속도 효율은 95.1 %, 온도 효율은 94.4 % 이며, 응답 시간은 0.201 초 이다. 팔라듐 촉매 사용 시 특성 속도 효율은 63.6 %, 온도 효율은 81.0 %, 응답 시간은 0.253 초 이다. 따라서 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 촉매 활성 물질로 백금이 적합함을 보였다. 블렌딩하는 에탄올의 양을 늘려 성능이 향상된 추진제의 연소 시험을 통해 성능 측면에서 기존의 하이드라진 및 고농도 과산화수소 대체 가능성을 확보하고자 했다. 이를 위해 70 wt. % 과산화수소에 15:1의 비율로 에탄올을 블렌딩한 Propellant 2 추진제의 연소 시험을 진행했다. Propellant 2 추진제의 경우 밀도 비추력 측면에서 하이드라진 및 고농도 과산화수소보다 높은 성능을 보인다. 위의 연소 시험을 통해 추진제의 연소 시험을 통한 성능 측면에서 대체 가능성 검증 및 고성능 친환경 단일추진제 연소 시험 시 고내열성 촉매 지지체 적용의 필요성 검증을 진행했다. 본 연구에서는 고내열성 촉매 지지체로 Lanthanum Hexa-aluminate(LHA) 촉매 지지체를 사용했으며, 성능 검증을 위해 $\gamma -Al_2O_3$ 촉매 지지체를 활용한 연소 시험을 비교군으로 선정하여 진행했다. 추진제의 연소 성능 검증 기준으로 특성 속도 효율이 90 % 이상으로 하는 것으로 선정하여 연소 시험을 진행했다. 고내열성 촉매 지지체 적용의 필요성을 검증하기 위해 압력 불안정성 측면을 고려했으며, 촉매 반응기, 연소실 압력의 평균 제곱근 오차, 표준편차, 압력 섭동을 도출하여 비교했다. 연소 시험 결과 LHA 촉매 지지체를 활용한 연소 시험의 경우 특성 속도 효율은 92.8 % 이며, $\gamma -Al_2O_3$ 촉매 지지체를 활용한 연소 시험의 경우 특성 속도 효율은 95.3 % 으로 나타났다. 이로써 연소 시험을 통해 밀도 비추력 측면에서 기존의 하이드라진 및 고농도 과산화수소를 대체할 수 있음을 확인했으며, 혼합비에 따라 추진제의 성능을 향상시킬 수 있는 가능성을 확인했다. 연소 시험에서 사용된 두 종류의 촉매 지지체 모두 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 촉매 지지체로 적합함을 알 수 있다. 또한 LHA 촉매 지지체 사용 시 연소실 압력 불안정성 측면에서 높은 성능을 보임을 확인했고, 높은 성능을 보이는 추진제의 연소 시험 시 고내열성 촉매 지지체 도입 및 적용의 필요성을 검증했다. 본 연구를 통해 에탄올 블렌딩 과산화수소의 고성능 친환경 단일추진제의 적용 가능성을 검증했다. 산화제로 사용되는 과산화수소의 농도를 낮추어 블렌딩하는 에탄올의 양을 늘리게 되면 추진제의 성능이 향상되어 기존 단일추진제인 하이드라진 이상의 비추력을 보여 고성능 친환경 단일추진제 생산 및 취급의 자립성을 확보할 수 있다. 또한, 기존의 고성능 친환경 단일추진제인 HAN, ADN 기반 추진제의 연구를 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 나아가 위성 자세제어 시스템에 적용되는 고성능 친환경 단일추진제 추력기 시스템의 국산화를 기대할 수 있다.
Advisors
권세진researcherKwon, Sejinresearcher
Publisher
한국과학기술원
Issue Date
2016
Identifier
325007
Language
kor
Description

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 우주탐사공학학제전공, 2016.8 ,[ix, 60, iii p. :]

Keywords

친환경 액체 단일추진제; 과산화수소; 에탄올; 촉매; 연소 시험 분석; Green Liquid Propellant; Hydrogen Peroxide; Ethanol; Catalyst; Firing Test Analysis

URI
http://hdl.handle.net/10203/221614
Link
http://library.kaist.ac.kr/search/detail/view.do?bibCtrlNo=663407&flag=t
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SPE-Theses_Master(석사논문)
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