Experimental research about Evaluation of catalytic decomposition performance for 1 N class Ionic liquid monopropellant thruster. For altitude control system of satellite, hydrazine monopropellant thruster is widely. In the trend of preserving the environment, green propellant such as ionic liquids got focused recently. Especially when ionic liquid is blended with hydrocarbon fuel such as methanol, its performance is higher than hydrazine. The paper described synthesis, concentration and blending of ionic liquid propellant, preparation method of catalyst support, construction of thruster and its assembly, and evaluation of thruster with various catalyst supports.
Synthesis and concentration of hydroxylamine nitrate was performed. Hydroxylamine nitrate was synthesized by a controlled reaction between nitric acid, and hydroxylamine which is week base. Therefore appropriate injection rate and cooling method were chosen. At the end of the synthesis, hydroxylamine nitrate aqueous solution was about 60 wt.%. Hydroxylamine nitrate solution was concentrated to 80 wt.% in vacuum condition to acquire accurate composition of HAN aqueous solution. Because hydroxylamine nitrate can be decomposed in high temperature, moderate temperature was selected.
Because of high temperature in combustion chamber of ionic liquid thruster, an appropriate catalyst support should be designated. To find a proper catalyst support, gamma alumina, alpha alumina, and barium hexaaluminate were prepared. Gamma alumina was purchased from Alfa Aesar, and alpha alumina was acquired by heating gamma alumina on 1200 ℃ for 2 hours. Barium hexaaluminate was prepared by wet impregnation method with gamma alumina pellet. These catalyst supports with platinum were tested with XRD, EDS, SEM, and BET method to figure out their characteristic. Catalyst activity test for fabricated catalysts was performed with 1 N class thruster. Thruster test with 300, 400 ℃ preheating temperature was done to survey the preheating temperature for full decomposition of the blended HAN propellant. Characteristic velocity efficiency which is a parameter to catalytic decomposition efficiency is criteria to compare the change of catalytic activity by change of catalyst, and preheating temperature. Thruster test of Pt/Barium hexaaluminate, and 400 ℃ preheating temperature showed the highest catalytic decomposition performance, and stable chamber pressure.
현재 단일추진제로 널리 사용되는 하이드라진은 맹독성 물질로써 그 취급에 막대한 비용과 주의가 필요하다. 따라서 친환경 추진제에 대한 연구가 전세계적으로 진행되고 있으며, 친환경 추진제 중 이온성 액체 추진제인 Hydroxylamine Nitrate(HAN) 추진제는 하이드라진과 동급, 혹은 그 이상의 비추력을 가지고 있다. 하지만 하이드라진과 비슷한 비추력을 가진 HAN 추진제의 단열분해 온도는 1700K 이상의 고온이다. 따라서 HAN 추진제를 분해할 촉매는 강한 내열 특성을 보여야 한다. 그러므로 본 연구는 HAN 추진제 분해를 위한 촉매 제작하고, 추력기에 적용하여 촉매 분해성능을 평가하는 것이 목적이다.
HAN 추진제는 국내에서 판매하지 않고, 유럽 등에서 판매하지만 그 가격이 매우 높다. 따라서 질산과 하이드록실아민을 혼합하여 HAN 추진제를 합성하였는데, 본 반응이 산-염기 중화반응이므로 항온수조와 주사기 펌프를 이용하여 적절한 냉각과 반응속도를 조절하였다. 합성된 HAN을 진공증발법으로 농축한 후, HAN 60 wt.%, 물 30 wt.%, 메탄올 10 wt.%로 블렌딩하여 HAN 추진제를 제작하였다.
촉매 지지체로 널리 사용되는 감마 알루미나는 1300K 이상의 온도에서 상변화를 일으키며 비표면적이 급감한다. 따라서 추력기용 촉매 지지체로 내열 특성이 좋은 촉매 지지체로 Barium Hexaaluminate(BHA)와 알파 알루미나(α-Al2O3)를 선정하였다. BHA는 통상 침전법을 이용하여 가루 상태로 얻어지게 된다. 하지만 제조된 가루 BHA를 펠렛 형태로 가공하는 공정은 핵심기술로써 거의 공개되고 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 가루 상태의 BHA를 제조하는 것이 아닌 감마 알루미나 펠렛에 바륨을 도핑하여 열처리하여 바로 펠렛 상태로 제조함으로써 펠렛 형태로 가공해야 하는 문제를 해결하였다. 알파 알루미나는 강한 기계적 성질을 가져 원하는 크기로 가공하기 어렵다. 따라서 먼저 감마 알루미나를 원하는 형태로 가공한 뒤 고온에 노출되면 알파 알루미나로 상변화를 일으키는 성질을 이용하여 상용 알파 알루미나와 동일한 비표면적을 가지는 알파 알루미나 지지체를 제작하였다. HAN 추력기용 촉매는 통상 이리듐이 활성물질로 사용된다. 하지만 이리듐은 고온 산화환경에서 산화물을 생성하여 활성도가 감소하는 문제를 가지고 있다. 따라서 백금을 활성물질로 채택하여 산화물 생성 현상을 피하였다. 제작된 Pt/BHA, Pt/α-Al2O3촉매를 고온에 노출시켜 내열성 테스트를 진행한 결과, 두 촉매 모두 Pt/γ-Al2O3에 비해 높은 내열특성을 나타내었다. Pt/BHA촉매는 바륨에 의해 알루미나의 상변화가 억제되어 높은 내열성을 나타내었고, Pt/α-Al2O3은 이미 육방정 최밀충진구조로 변화되었으므로 고온에 노출되어도 변화가 가장 적었다.
Pt/BHA와 Pt/α-Al2O3를 추력기에 적용하여 촉매의 활성도를 비교하기 위해 특성속도 효율을 도입하여 화학로켓 시스템의 상대 성능 비교를 수행하였다. 이를 위해 먼저 HAN이 추력기 환경에서 원활하게 분해되는지 확인하기 위해 80 wt.% HAN 수용액을 이용해 발사 시험을 수행해본 결과 대량의 질산이 발생하여 촉매 지지체 내구성을 현저하게 저하시키는 문제가 발생하였다. 또한 고농도 HAN 수용액은 그 점성이 물의 7-8배에 달해 그 자체로 추진제로써 사용하기 어렵다는 사실을 확인하였다. 따라서 메탄올을 블렌딩할 필요가 있는데 메탄올 첨가로 인해 점성이 감소하였고, 메탄올과 질산이 반응하여 사라지며, 메탄올이 HAN 분해 반응에서 생성된 아산화질소 등과 반응하여 비추력을 상승시킨다. HAN 추력기는 촉매를 예열하여 사용하는데, 본 연구에서는 300℃와 400℃로 Pt/BHA, Pt/α-Al2O3 촉매를 예열하였다. 발사 시험 결과 300℃ 예열하였을 경우 Pt/BHA, Pt/α-Al2O3 촉매 모두 추진제를 거의 분해하지 못한 반면, 400℃로 예열하였을 경우 Pt/BHA촉매는 87%, Pt/α-Al2O3는 83%의 특성속도효율을 보였다. 또한 Pt/BHA를 사용하였을 경우 Pt/α-Al2O3를 적용한 경우보다 추력기 내부 압력 섭동이 적은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 Pt/BHA촉매가 1 N급 HAN 추력기에 더 적합하다고 결론내릴 수 있었다.
