고성능 암모늄 디나이트라마이드 단일추진제를 이용한 마이크로 추력기

Abstract

본 연구에서는 고성능 친환경 추진제인 암모늄 디나이트라마이드(ADN, ammonium dinitramide) 기반 단일 액체추진제를 적용하여 기존 과산화수소 추진제를 사용한 마이크로 추력기보다 성능이 향상된 추력기를 개발하였다. 마이크로 추력기는 반응기 표면적 대 부피 비율이 일반 추력기 보다 높아 열 손실이 크므로 추력기의 성능을 향상시키기 위해서는 엔탈피가 높은 추진제를 사용하여 반응기 내의 단열분해온도를 높일 필요가 있다. 또한 높아지는 반응기 온도에 따라 촉매의 내열성을 증가시키는 것이 필요하다. 본 연구에서는 이론 단열분해온도가 1630˚C인 ADN 기반 추진제와 내열 성능을 높이기 위해 란타늄이 담지된 백금/알루미나 촉매를 제작하여 적용하였다. 마이크로 추력기는 MEMS 공정을 이용하여 제작하였다. 습식 식각을 통해 제작된 각각 다른 형상을 가진 5개 층의 감광유리를 쌓아 접합하였으며, 압력과 온도를 측정하기 위해 센서들을 조립하였다. 마이크로 추력기의 제작이 완료된 후 연소 실험을 수행하였으며, 촉매 예열을 위해 90 wt.% 과산화수소를 먼저 주입한 후 ADN 기반 추진제를 주입하였다. 실험 결과 반응기 내에 점화 현상을 관찰할 수 있었으며 연소 온도는 983 ℃로 형성되었다. 측정된 온도와 압력을 이용하여 추력 및 비추력 성능을 도출할 수 있었다. 또한 추력 측정을 위한 연소 실험을 추가로 수행하여 앞서 계산된 추력 및 비추력 성능과 비교하였다. 90 wt.% 과산화수소를 사용한 추력기와 비교하여 ADN 기반 추진제를 추진제로 사용한 경우 비추력이 86 % 향상되었다. ADN 기반 추진제 마이크로 추력기가 최대의 성능을 갖추기 위해서는 반응기 내에서 완전연소가 이루어져 반응기의 온도가 이론적인 단열분해온도에 근접하도록 해야 한다. 이를 위하여 마이크로 추력기의 구조적 보강이 필요하며 추진제의 분해효율을 향상시킬 필요가 있다. 본 연구를 통하여 친환경적이며 단순한 구조의 ADN 기반 단일추진제 마이크로 추력기가 기존에 연구되었던 과산화수소 추진제 마이크로 추력기와 비교하여 보다 뛰어난 성능을 갖출 수 있는 잠재력이 있음을 확인하였다.