An experimental investigation of a reactor for microthruster that uses hydrogen peroxide as a monopropellant is described. The study comprises of preparation method of silver as a catalyst, performance evaluation of catalytic reactor, analysis of reactor model and MEMS fabrication of prototype reactor.
When placed in ambient air, the surface of silver is oxidized and covered with thin layer of silver oxide that inhibits catalytic reaction. In order to recover the catalyst reactivity, silver should be activated by an activation process. Three different ways were tried to activate the silver ; treatments by $HNO_3$, Ag$(NO)_3/Sm(NO_3)_3$ and $H_2$, respectively. To measure the relative effectiveness of the activation process, their catalytic performance in a constant volume reactor was carried out. The steepness of the pressure rise and the level of final pressure depend on the catalyst reactivity. Reduction of silver in $H_2$ at 500℃ resulted in the best reactivity of all methods tested.
A catalytic reactor was built to study about various parameters of reactor. The catalyst bed was made of a glass wafer substrate sputtered with silver and had a length of 20mm. I measured the conversion rate with varying three parameter; space time of propellant, preheating temperature, catalyst coated area. Gaseous $O_2$ production rate was measured and converted into $H_2O_2$ conversion rate. In this test, critical space time was reduced to 63s. After reactor test, reactor modeling and analysis by governing equations was also performed to view decomposition process and bed temperature distribution.
Finally, prototype of microreactor with microbeads as catalyst support was designed, fabricated by MEMS process. Design parameters are based on the test results of previous reactor and the size of reaction chamber is identical with the reactor used at parametric study. The reactor substrate is Foturan glass wafer and has three layers. After fabrication, reaction test was performed to find problems related to fabrication process.
마이크로 단일 추진제 추력기는 일반적으로 주입기, 반응기, 노즐의 세 부분으로 구성된다. 반응기는 추진제를 가스 상태로 분해 시켜 설계 압력을 생성 시켜주는 부분이다. 이는 마이크로 단일 추진제 추력기의 추력 성능을 결정하는 핵심 요소이며 촉매의 종류, 지지체의 세공 발달 정도, 반응 온도 등에 따라 성능에 차이를 보인다. 이에 본 연구는 반응기 성능 평가에 초점을 두었다. 추진제는 취급이 용이하고 독성이 없으며 친 환경적 연료로 관심을 받고 있는 과산화수소를 사용하였다. 시중에서 획득할 수 있는 과산화수소의 농도에 한계가 있는데 과산화수소는 농도가 67wt% 이상 되지 않으면 분해반응에서 나오는 열이 모두 물의 증발열로 사용되어 추진제로서의 가치가 없다. 따라서 단순 증류법을 이용하여 고농도로 제작하여 사용하였다. 특히, 과산화수소는 밀도가 높아 추진제로 사용할 경우 탱크의 부피와 중량을 감소시킬 수 있는데 이는 마이크로 추력기의 기본 취지와도 잘 부합된다. 추진제 분해를 위한 적절한 촉매로 은을 선정하고 촉매에 관한 기초적인 연구를 수행하였다. 메쉬와 웨이퍼 및 비드를 촉매 지지체로 하여 촉매의 코팅 가능 여부를 판단하였다. 같은 촉매임에도 활성 정도에 따라 반응 성능에 큰 차이가 있으므로 최적의 활성 조건을 찾았다. 코팅 방법과 활성 조건이 정립된 후 반응 실험을 위해 촉매 반응기를 제작 하였다. 실험 데이터 측정 및 반응 현상의 관찰이 용이한 스케일로 촉매 반응기를 제작한 후 반응기 파라미터 연구를 하였다. 반응기 실험의 목적은 공급된 추진제의 완전한 분해를 위해 필요한 조건을 결정하는 데 있다. 주입된 추진제가 완전히 분해되지 않고 배출될 경우 설계한 추력을 발생시킬 수 없으므로 실험적 접근방법을 통한 분해 시킬 수 있는 최대 유량 및 작동 조건에 대한 성능 평가를 하였다. 반응기 실험 결과를 바탕으로 반응기 모델을 세워 내부 해석을 하였다. 이를 통해 베드 길이에 따른 추진제의 농도 분포, 온도 분포 결과를 얻었으며 반응기 설계에 영향을 미치는 요소를 확인하고 제작된 반응기의 효율을 파악하였다. 최종적으로 실험 및 해석 결과를 이용하여 프로토 타입 반응기를 설계하고 MEMS 공정을 통해 제작하였으며 반응 시험을 통해 제작 공정상의 문제점을 파악하였다.
