Development of green hypergolic bipropellant thruster

Abstract

한국항공우주연구소에서 제시한 우리나라 우주개발계획에 따르면, 현재 국내에서는 나로호 (한국형 발사체 : KSLV-1) 발사 성공 이후, 달 탐사를 목표로 우주기술 개발에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다. 우주기술은 크게 세 가지 분야 인공위성, 발사체, 그리고 달 착륙선 개발로 나눌 수 있다. 소형 이원추진제 추력기는 우주환경 속 추진기술로써, 위 언급한 모든 우주기술 분야에 적용할 수 있다. 먼저, 발사체 상단의 추력시스템 혹은 자세제어 시스템으로 활용할 수 있으며, 인공위성을 지구 정지궤도로 진입시키기 위한 추력시스템으로도 사용할 수 있다. 또한, 달 착륙선의 주 엔진으로 적용할 수 있으며, 달 탐사 임무 수행 시 지구에서 달로 궤도천이하기 위한 추력장치 역할을 수행할 수 있다. 그러나 로켓기술은 우주개발뿐만 아니라, 군사적인 목적으로 활용될 수 있기 때문에 해외 선진연구 그룹들로부터 기술이전이 불가능하다. 따라서 우주강국으로 나아가기 위해선 국내 자체적인 액체로켓 기술력 확보가 반드시 필요하다. 소형 이원추진제 로켓의 점화방식은 크게 3 가지로 구분할 수 있다. 다른 점화방식에 비해 추진제 접촉점화(Hypergolic Ignition)방식은 추진제의 물리적인 접촉만으로도 점화가 가능하기 때문에, 별도의 점화장치 없이 로켓점화가 가능하다. 즉, 전체 시스템을 간소화할 수 있어 미션에 필요한 유상하중(Payload)을 증가시킬 수 있다. 이와 더불어, 추진제 접촉점화는 점화의 신뢰성이 높고, 로켓 재시동이 가능하다는 장점이 있다. 대표적인 접촉점화성 이원추진제 조합은 하이드리진(Hydrazine) 계열의 물질을 연료로, 사산화질소(Nitrogen Tetroxide) 혹은 질산(Nitric Acid)계열의 물질을 산화제로 사용하고 있다. 이 이원추진제 조합은 높은 성능을 발휘하지만, 물질자체의 강한 독성과 부식성으로 인해 여러 가지 문제를 초래하고 있다. 맹독성 이원추진제는 취급이 어려워 미션 수행 시 사고의 위험성을 높인다. 특히, 하이드라진 연료는 인체 발암물질로 분류되어 있다. 또한, 맹독성 물질 관리로 인하여 로켓 개발 및 발사 단계에서 상당한 양의 추가비용과 시간이 소요된다. 현재까지 국내에선 맹독성 이원추진제를 대체할 친환경 접촉점화성 이원추진제와 관련된 연구가 수행된바 없지만, 해외 우주선진국에서는 연구가 활발히 진행되고 있다. 해외 선진 연구기관도 친환경 접촉점화성 이원추진제 기술에 관한 연구를 비교적 최근에 시작하였으며, 전 세계적으로 친환경 접촉점화성 이원추진제에 관한 기술수준은 새로운 친환경 추진제 개발 및 로켓 적용가능성을 평가하는 단계에 있다. 본 연구에서는 기존 접촉점화성 이원추진제의 독성으로 인해 발생하는 여러 문제점을 해결하기 위하여 독성을 제거한 친환경 접촉점화성 이원추진제를 개발하여 실제 로켓 시스템에 적용해봄으로써, 맹독성 추진제를 대체할 수 있는 대체제로서의 가능성을 평가하였다. 제작된 친환경 접촉점화성 이원추진제는 다음과 같다. 먼저, 산화제는 이미 친환경성으로 널리 알려진 고농도 과산화수소(Rocket Grade Hydrogen Peroxide, H2O2)를 사용하였다. 고농도 과산화수소는 화학에너지 준위가 높기 때문에 추진제로 사용하기에 적합하다. 연료는 과산화수소와 접촉점화를 일으킬 수 있는 저독성 혹은 랩 스케일에서 다루기에 어려움이 없는 물질들로 개발되었다. 총 두 종류의 접촉점화성 연료가 제작되었다. 첫째로, 촉매화된 연료는 항공유(Kerosene)에 과산화수소를 분해할 수 있는 코발트(Cobalt) 계열의 촉매를 혼합하여 제작하였고, Catalyzed kerosene fuel라 하였다. 둘째로, 반응성 연료(Reactive Fuel)는 고에너지 용매에 강한 환원제인 금속수소화물(Metal Hydride : Sodium borohydride NaBH4)를 혼합하여 제작하였고, Stocks (Stock 0,1,2)’라 명명하였다. 여기서 Stock 1과 Stock 2는 Stock 0를 기반으로 성능이 향상된 반응성 연료이다. 친환경 접촉점화성 이원추진제 성능을 평가하기 위한 실험절차를 확립하였다. 산화제 액적 낙하실험으로 접촉점화 현상을 관찰하였으며, 추진제 제트 충돌 실험을 통해 실제 분사기 분무특성을 모사하였다. 그리고 소형 반응기를 통해 제작된 추진제들의 화학적 반응성을 평가하였다...