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단일추진제 추력기 시스템의 촉매반응 연구 = Investigation of the catalytic reaction in a monopropellant thruster
서명 / 저자 단일추진제 추력기 시스템의 촉매반응 연구 = Investigation of the catalytic reaction in a monopropellant thruster / 황창환.
저자명 황창환 ; Hwang, Chang-Hwan
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

A thruster system can be utilized when a flight vehicle does not have control surface and is operated in a vacuum environment like space. During last several decades, hydrazine monopropellant has been used in thrusters for maneuvering satellites, space launch vehicles and spacecrafts. Testing and handling procedures for hydrazine monopropellant thrusters are complicated because of the toxicity of the hydrazine and its de-composition product gases. Therefore, simulated numerical analysis can help elucidate the effects of various thruster design parameters and can reduce both development time and expenses. In this study, a simulated numerical analysis was performed in which the catalyst bed was modeled as a one-dimensional porous me-dium. The resulting physical phenomena were examined by considering variations in catalyst bed characteris-tics incurred by catalyst pellet failure. From observations of various hot-firing experiments, it was determined that the upper region of the decomposition chamber was preferentially damaged in failure situations, which led to the conclusion that catalyst failure occurs in the upper region only. We simulated various cases based on crushing and mass loss of catalyst pellets. The distributions of temperature, species mass fraction, hetero-geneous reaction rate, and pressure were calculated after catalyst bed failure. The pressures at the decomposi-tion chamber exit and the thrust at the nozzle exit were monitored with time. Through these analyses, the thermochemical phenomena inside a hydrazine monopropellant thruster system were interpreted in detail. A kinetic parameter study about a new green propellant, i.e. HAN (Hydroxyl Ammonium Nitrate) and methanol blended HAN, will be done in this study. HAN is considered as a non-toxic safe propellant. HAN has been used gun propellant and some research group studied about thermal and catalytic decomposition of HAN. However, a catalytic kinetic study in the monopropellant thruster has not been done until now. There-fore the kinetic parameter study relating Arrhenius type reaction constant will be done numerically in this study. An experimental analysis was performed to investigate the characteristics of HAN-based mixtures for monopropellant applications. Three kinds of propellants were prepared for this study: a HAN-water solution, a HAN-water solution with methanol added at a stoichiometric ratio, and a third solution where water was added to further dilute the solution. Two different experimental techniques were used under atmospheric pres-sure of nitrogen gas environment: thermal analysis and droplet evaporation analysis. Thermal and catalytic decomposition were analyzed using thermo gravimetric analysis. Droplet evaporation was analyzed using a cylindrical vessel equipped with a heating system and a droplet feed, and a high-speed charge-coupled device (CCD) camera. These data were post-processed to calculate the temporal variation of the droplet diameters.

추력기 시스템은 우주와 같은 진공에서 조종면이 없는 경우 비행체의 자세제어에 이용할 수 있다. 지난 수십년동안 하이드라진 단일추진제가 인공위성, 발사체, 우주비행체의 기동을 위해 이용되었다. 하지만 하이드라진과 그 분해물질들의 독성때문에 시험과 취급에 있어서 주의를 요하기 때문에 어려움이 있었다. 따라서 시뮬레이션을 통한 디자인 변수의 시험은 개발 비용과 시간을 줄일 수 있는 장점이 있다. 이 연구에서는 촉매대를 1차원 다공질성 매질로 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 촉매알갱이의 파손에 의한 촉매대 특성변화를 고려한 물리적 현상을 고려하였다. 여러차례의 연소실험에서 촉매대의 상류지역이 주로 파손지역임이 나타났고 이는 촉매알갱이가 상류지역에서 손상되었음을 의미한다. 이 연구에서는 촉매 알갱이 파손에 의한 질량손실을 고려하였다. 촉매대 손상 이후에 온도, 화학종의 질량분율, 반응률 그리고 압력분포에 대한 계산을 수행하였다. 촉매대 출구에서의 압력과 노즐 출구에서의 추력은 시간에 따른 변화를 살펴보았다. 이러한 해석들을 통해서 하이드라진 단일추진제 추력기 시스템 내부에서 일어나는 열화학적 현상에 대한 자세한 분석이 가능하였다. 새로운 친환경추진제인 HAN 과 메탄올과 혼합된 HAN 에 대한 화학반응 변수에 대한 연구가 이루어 졌다. HAN 은 독성이 없는 안전한 추진제로 알려져 있다. HAN 은 탄두추진제와 몇몇 연구그룹에 의한 열, 촉매분해에 대한 연구가 수행되었다. 하지만 촉매반응에 대한 반응변수연구는 현재까지 이루어진 바가 없다. 따라서 Arrhenius 형식의 화학반응 상수에 대한 수치해석 연구가 이 연구를 통해 수행되었다. HAN 을 기반으로 한 추진제 혼합물에 대한 실험연구가 수행되었다. 실험은 HAN 수용액 한 종류, 메탄올이 혼합된 HAN 수용액 두 종류로 총 세 가지의 추진제에 대하여 수행되었다. 메탄올과 HAN 의 당량비는 1로 조절이 되었다. 대기압조건과 질소환경에서 열분석과 액적분석의 두 가지 실험방법이 이용되었다. 열, 촉매분해반응은 열 중량분석기기를 이용하여 분석되었다. 액적의 증발실험은 전기가열시스템과 액적 생성기를 포함한 실린더형태의 압력용기 내부에서 수행되었으며, 액적의 거동은 초고속 CCD 카메라를 이용하여 관찰하였다. 이 데이터를 후처리하여 액적 직경의 시간에 따른 변화를 연구하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DAE 14018
형태사항 ix, 77 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Chang-Hwan Hwang
지도교수의 한글표기 : 백승욱
지도교수의 영문표기 : Seung-Wook Baek
수록잡지명 : "Effects of Catalyst Bed Failure on Thermochemical Phenomena for Hydrazine Monopropellant Thruster Using Ir/Al2O3 Catalysts". Industrial & Engineering Chemistry Research, Vol.51, Issue 15, pp. 5382~5393(2012)
수록잡지명 : "Experimental Investigation of Decomposition and Evaporation Characteristics of HAN-Based Monopropellants". Combustion and Flame, 161, pp. 1109-1116(2014)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 74-77
주제 단일추진제
추력기
촉매반응
촉매
친환경 추진제
monopropellant
thruster
catalytic reaction
catalyst
green propellant
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