Low-toxicity hypergolic bi-propellants have been a demanding research area in recent years for space propulsion, aiming to replace conventional toxic propellants. Therefore, the current research was focused on the development of low-toxicity hypergolic propellant combinations for safe, cost-effective, and sustainable space exploration. In this study, triglyme was selected as a low-toxicity hypergolic fuel component. Hypergolic performance of various concentrations (3 to 13 wt%) of monocyanotrihydroborate tetrakis(imidazole) copper(II) cyanotrihydroborate additive (Cu-P1) in triglyme was experimentally investigated with 70, 90 and 95 wt% hydrogen peroxide (H2O2). The new fuels, 13Cu-TriG and 13Cu-TriGIL, containing 13 wt% of Cu-P1 in triglyme and triglyme:1-ethyl-3-methyl imidazolium cyanoborohydride ([EMIM][BH3CN]) blend, respectively, were investigated. The hypergolic performance and properties of triglyme were improved by using [EMIM][BH3CN]. For example, 13Cu-TriG was not ignited with 70 wt% H2O2; however, a 13Cu-TriGIL exhibited an IDT of 16.5 ms. Furthermore, 13Cu-TriG and 13Cu-TriGIL revealed an IDT of 18.7 and 8.0 ms, respectively, with 95 wt% H2O2. The physicochemical properties, such as density, viscosity, decomposition temperature, and freezing/melting temperature, of 13Cu-TriG and 13Cu-TriGIL, were also measured. 13Cu-TriGIL showed a density of 1.017 g/cm3 and a viscosity of 26.42 mPa·s. Additionally, 13Cu-TriG exhibited a freezing point of -45 ºC. However, with the addition of [EMIM][BH3CN] in the fuel, the temperature drops below -80 ºC (13Cu-TriGIL). Furthermore, 13Cu-TriGIL with 95 wt% H2O2 demonstrated theoretical specific impulse and density specific impulse of 2.1 % lower and 9.7 % higher than the MMH/NTO, respectively. Overall, the use of ionic liquid to improve the hypergolic performance and physicochemical properties of triglyme-based fuels was the advantage of our research.
저독성 접촉점화 추진제 개발은 최근 우주추진 분야에서 많은 주목을 받고 있으며, 이는 기존의 독성 추진제를 대체하는 것을 목표로 한다. 본 연구에서는 안전하고 경제적이며 지속가능성을 고려한 우주추진용 저독성 접촉점화 연료에 대해 조사하였다. 우선, 트라이글라임(triglyme)을 저독성 접촉점화 추진제의 기본 연료로 선정하고, 구리 기반의 첨가제 Cu-P1을 다양한 비율(3~13 wt%)로 기본 연료에 용해하였다. 이후, 산화제로 70, 90, 95 wt% 농도의 과산화수소를 선정하여 해당 추진제 조합의 접촉점화 성능을 액적낙하 실험을 통해 평가하였다. 새로운 연료인 13Cu-TriG와 13Cu-TriGIL은 각각 트라이글라임, 그리고 트라이글라임에 이온성 액체인 1-ethyl-3-methyl imidazolium cyanoborohydride ([EMIM][BH3CN])를 50:50 비율로 혼합한 용매에 13 wt%의 Cu-P1을 용해한 연료를 의미한다. 트라이글라임의 접촉점화 성능은 이온성 액체 [EMIM][BH3CN]를 사용함으로써 개선되었다. 산화제로 70 wt%의 과산화수소를 사용한 경우, 13Cu-TriG는 접촉점화가 관찰되지 않은 반면, 이온성 액체를 사용한 13Cu-TriGIL은 접촉점화하여 점화지연시간 16.5 ms이 측정되었다. 또한, 13Cu-TriG와 13Cu-TriGIL은 95 wt%의 과산화수소를 산화제로 사용한 경우, 점화지연시간은 각각 18.7 ms, 8.0 ms로 측정되었다. 나아가 13Cu-TriG와 13Cu-TriGIL의 밀도, 점도, 분해 온도 및 동결/융해 온도와 같은 물리화학적 특성도 측정하였다. 13Cu-TriGIL은 1.017 g/cm³의 밀도와 26.42 mPa·s의 점도를 보였다. 또한, 13Cu-TriG는 -45 ºC의 동결온도를 나타냈으나, 이온성 액체를 혼합한 13Cu-TriGIL의 경우, 동결온도가 -80 ºC 이하로 낮아졌다. 이론 성능 계산 결과, 13Cu-TriGIL과 95 wt% 과산화수소 조합은 대표적인 독성 접촉점화 추진제 조합인 MMH/NTO와 비교했을 때, 비추력은 2.1% 낮았지만 밀도 비추력은 9.7% 높게 나타났다. 트라이글라임 기반의 저독성 접촉점화 연료에 이온성 액체를 혼합하여 접촉점화 성능과 물리화학적 특성을 개선하여, 기존 독성 접촉점화 추진제의 대안으로 제시한 것이 본 연구의 주된 시사점이다.
