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초소형 과산화수소 추력기용 촉매의 성능 평가 = Performance evaluation of catalyst bed of hydrogen peroxide micro thruster
서명 / 저자 초소형 과산화수소 추력기용 촉매의 성능 평가 = Performance evaluation of catalyst bed of hydrogen peroxide micro thruster / 이정섭.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2009].
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An investigation of the performance evaluation of a hydrogen peroxide monopropellant micro thruster. Thrusters have been used for attitude control and orbital correction of satellite. The monopropellant has been used for thruster for the simplicity of the system. In the present study, hydrogen peroxide was selected as the propellant. Although hydrogen peroxide has lower propulsion performance than hydrazine, it has a low toxicity and worldwide interest in hydrogen peroxide has steadily increased due to its lower development cost, when hydrogen peroxide is brought into contact with catalyst, it decomposes into water vapor and gaseous oxygen. The reactivity depends on how the catalyst led in prepared. In the present study, Pt loaded on alumina pellets was used as the catalyst reactor bed. A thruster capable of delivering 100 mN of force was designed and built. The thrust performance of this device was measured with catalyst bed that was prepared by different procedures. The first is mass fraction of catalyst loaded on support. From this experiment, an appropriate mass fraction of catalyst can be obtained. Second is pH value of precursor solution. This is related to the zeta potential of support surface that affects adhesion between catalyst and support. Third is a heating temperature of precursor solution. The time of evaporation influences loading pattern. The time is indirectly controlled by varying heating temperature in convection oven. The last is the size of support. There is a maximum support size that channeling effect does not exist. The exposed surface area will increased with the size of support. Characteristic exhaust velocity was evaluated for each condition and compared to each other. From experiment results, the optimum pH value was obtained when there was no addition of any acid or base. Highly acid solution destroyed the structure of alumina pellet, and some impurities loaded on the pellet in highly base solution. Acetone solution was expected to be a highly acid solution without destroying a catalyst support structure. However, catalyst didn’t spread into the pore of pellet properly since the evaluation rate of acetone was very fast. The optimum dry temperature was 90 ℃ when the solution was DI water, and the optimum catalyst support size was 30-40 mesh. Catalyst support whose size is smaller than 30-40 mesh showed worse performance since the pressure drop was pretty large. For the case of lager size pellet, the propellant was not decomposed enough. The optimum weight percent of catalyst was 3 wt% when the mass of catalyst was 0.05 g. If the weight percent was increased, performance was decreased since the surplus catalyst decrease the chamber pressure. When the catalyst mass was decreased less than 0.05 g, the performance was increased, but there was much empty space in chamber pressure, thereby performance was decreased.

과산화수소 분해 반응을 이용한 초소형 추력기의 개발을 위하여 촉매 베드 제작 과정 중 담지 과정에 대한 실험 계획을 세우고 실험 장치 및 초소형 추력기를 설계, 가공한 뒤 실험을 실시하여 성능 평가를 실시하였다. 초소형 추력기는 일원 추진제 시스템으로서, 인체에 무해하고 친환경적이면서 추진제로서 우수한 장점을 지니는 과산화수소를 사용한다. 추진제용으로 사용하기 위해서 90 wt% 과산화수소를 이용하였고 성분분석 결과 MIL-16005F에 준하는 것으로 나타났다. 과산화수소를 분해시키기 위한 촉매로 백금을 선택하였다. 백금은 녹는점이 높아 반응열을 견딜 수 있고 높은 성능을 보인다. 촉매 지지체로는 세공이 조밀하고 표면적이 넓은 알루미나 펠렛을 사용하였다. 알루미나 펠렛의 상태는 γ-알루미나로서 표면적이 $255 m^2 /g$ 으로 상당히 넓다. 알루미나 펠렛은 다른 공정에서도 촉매 지지체로 널리 사용되고 있다. 촉매 지지체에 백금을 담지하기 위해서 증발 건조법을 사용하였다. 백금이 포함된 염화백금산을 전구체로 하여 물에 용해 시킨 뒤 촉매 지지체를 활성 물질 용액에 담가 놓아 증발시키면서 담지를 진행한다. 담지가 끝난 뒤 소성 및 환원 과정을 거쳐 불필요한 물질을 제거하고 촉매의 활성도를 높여준다. 초소형 추력기의 설계를 위해서 목표 추력을 선정하였다. 목표 추력은 100 mN 이고, 이때의 필요한 과산화수소 유량은 0.078 g/s 이다. 필요한 유량을 얻기 위해서 인젝터 오리피스의 면적에 대한 개략적인 계산을 수행하였고, MEMS 공정을 통해서 지름 50 μm 의 오리피스를 갖는 인젝터를 가공하였다. 초소형 추력기의 반응기는 촉매양에 따른 성능 변화에 대한 실험을 수행하기 위해서 길이 20 mm 에 지름이 3.2 mm 인 원통형을 갖는 플랜지 타입으로 제작되었다. 반응기에서 생성된 고온, 고압의 가스를 가속시키기 위해서 면적비가 1.235인 수축-확장 노즐을 설계하였다. 초소형 추력기의 실험을 위해서 추력 스탠드를 구축하였다. 건조한 질소 가스를 통해서 과산화수소를 직접 가압하는 방식을 사용하였으며, 작동 중 가압 압력의 변동을 최소화하기 위해서 빈 탱크를 설치하였다. 촉매의 제작 과정 중 활성물질의 담지 과정의 조건변화가 초소형 추력기 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 담지 조건을 변수로 설정하여 실험을 수행하였다. 담지되는 활성물질의 양, 활성물질 용액의 pH 변화, 활성물질 용액의 가열 온도 변화, 촉매 지지체의 크기 변화를 변수로 설정하였고, 각각의 실험 중 나머지 조건은 일정하게 유지하며 하나의 실험군 촉매는 동시에 제작하여 환경에 따른 영향을 최소화하였다. 소성과 환원 과정은 일정하게 고정하여 이에 따른 성능 변화를 방지하였다. 성능 평가 방법으로는 추력기뿐만 아니라 다양한 로켓의 성능 비교에 널리 사용되는 특성속도를 선정하였다. 실험 결과 활성 물질 용액의 pH를 변화시킨 경우 pH 값이 높을수록 첨가물의 증착으로 인해 성능이 저하되거나 불필요한 질량증가가 나타났으며, 강산을 통해 pH 값을 낮출 경우 산에 의해 촉매 지지체의 구조적 변형 및 파괴가 나타났다. 이를 해결하기 위해 아세톤을 사용할 경우 pH 값을 낮출 수 있으나 빠른 증발로 인해 알루미나 펠렛 내부까지 담지가 되지 못하였다. 따라서 다른 첨가물 없이 염화백금산으로 인해 낮아진 pH 상태에서 담지한 경우가 가장 적합하였다. 활성 물질 용액의 건조 온도를 바꾼 실험 결과 DI water를 용매로 선택하여 90 ℃ 에서 건조한 경우 가장 높은 성능을 보였으며, 촉매 지지체의 크기를 변화시키면서 실험한 결과 30-40 mesh ( 425 μm ~ 600 μm )의 크기를 갖는 경우 가장 높은 성능을 보였다. 촉매 담지량의 변화 실험에서는 3 wt% 촉매를 사용한 경우 가장 높은 성능을 보였으며 더 많은 촉매를 사용할 경우 촉매 전반부에서 반응이 완료되어 후단의 압력강하가 커 성능이 저하되었다. 5 wt% 이상의 촉매에 대해서 촉매 양을 조절한 경우 성능이 증가되었으나 반응기의 빈 공간이 커서 반응기 압력이 제대로 형성되지 않아 전반적으로 성능이 떨어졌다. 촉매 담지 조건에 대한 연구를 통해서 초소형 추력기용 촉매의 담지 과정을 확립하였다. 촉매 담지 과정은 DI water 용매에 염화백금산을 용해시킨 뒤 30-40 mesh 알루미나 펠렛을 담가 90 ℃ 에서 건조를 통해 완료된다. 이 경우 가장 뛰어난 성능을 갖는 촉매를 제작할 수 있다. 촉매 담지량과 촉매의 양은 추력기의 요구조건에 따라 달라지기 때문에 이에 대한 최적화는 추력기에 따라 달라지므로 이 연구를 통해 얻어진 결과를 기초 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 촉매 담지량이 변하더라도 기 확립된 과정을 사용하여 제작 경우 가장 성능이 우수한 촉매를 제작할 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MAE 09007
형태사항 x, 76 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Jeong-Sub Lee
지도교수의 한글표기 : 권세진
지도교수의 영문표기 : Se-Jin Kwon
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 75-76
주제 Micro thruster;Monopropellant;Hydrogen peroxide;Platinum;Loading condition
초소형추력기;단일추진제;과산화수소;백금;담지 조건
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