It is imperative that we build and develop a safer, more convenient and cost effective environment for exploring new frontiers in space research. Also, because of the high toxicity of conventional propellant, interest to low toxic and eco-friendly propellant is getting higher than before. Gelled propellant is the most promising solution at the time which has high energy density and high specific impulse.
Gelled propellants are the conventional liquid bipropellant systems with complex thixotropic nature whose chemical properties had been altered by addition of suitable gelling agent. Gel propulsion systems offer a lot of the advantages of both liquid and solid propulsion. They offer the high performance and energy management of liquid propulsion along with the storability and density impulse of solid propulsion. A gelled bipropellant propulsion system resembles a liquid propulsion system with the exception that the separately stored fuel and oxidizer are in gelled state. If we choose non-toxic fuel with suitable gellant, the low toxic eco-friendly gel propellant can be made.
In present study, effort has been made to formulate eco-friendly gel propellant. Fuel has been chosen as an ethanol, which is liquid propellant of low toxic. The gelling agent used for gelation process was methylcellulose for three different wt% of 9, 10 and 11. Rheological properties including shear thinning property, linear visco-elastic range, storage and loss modulus, and thixotropy were characterized with rotational rheometer. Flow curve test has been conducted, and it was fitted with power-law model. This hydrocarbon based green fuels were characterized as a gel which is shear thinning fluid with no yield stress at shear rate range 1 to 1000 1/s. The results lead to synthesized gel is viscoelastic fluid, and elasticity is dominant. There were different viscosity recovery behavior of synthesized ethanol gel on thixotropy test which would be advantage possibly for re-ignition process.
Also a study for heat of combustion of ethanol gel propellants has been done. All ethanol gel propellants show heat of combustion at least 92% of original ethanol. There were no residues after combustion.
For the future work, observation of ignition delay, flame characteristics with atomization will be good next steps. To make much higher value of heat of combustion, metal nanoparticle can be used. Also combustion characteristics depending on temperature and pressure and heat of vaporization of gel propellant should be studied to design a real gel propellant system.
새로운 우주 연구를 해 나가려면 더 안전하고 편리하며 비용 효율적인 여건의 구축 및 개발이 필요하다. 또한 기존 추진제의 높은 독성으로 인해 친환경적이면서도 낮은 독성을 가지는 추진제에 대한 관심이 높아지고 있다. 높은 에너지 밀도를 가지는 젤 추진제는 현재 가장 유력한 해결책으로 떠오르고 있다.
젤 추진제는 기존의 액체추진제에 적절한 젤화제를 첨가해 화학적 특성을 변화시켜 복잡한 칙소성을 갖게 한 것이다. 젤 추진제를 사용하는 시스템은 액체 추진 시스템과 고체 추진 시스템 모두의 장점을 가진다. 액체 추진제의 높은 성능과 추력제어, 고체 추진제의 높은 저장성과 에너지 밀도가 그것이다. 이원 젤 추진 시스템은 연료와 산화제를 젤화한 상태에서 따로 저장한다는 것만 제외하면 액체 추진 시스템과 유사하다. 독성이 없는 연료와 적절한 젤화제를 선택한다면 독성이 낮은 친환경 젤 추진제를 합성할 수 있다.
이번 연구에서는 친환경 젤 추진제를 합성하였다. 연료는 독성이 낮은 액체 추진제 중의 하나인 에탄올로 선정하였다. 젤화제는 메틸셀룰로오스이며 9, 10, 11 wt%를 사용했다. 전단 박화 현상을 포함한 선형 점탄성 영역, 저장 및 손실 탄성계수, 칙소성 등의 유변학적 성질들을 회전식 유동계로 측정했다. 유동곡선을 확인하고 멱급수 모델과 비교해보았다. 그 결과 1-1000 1/s의 전단속도 범위에서 항복점을 보이지 않았으며 전단 박화 현상을 확인하였다. 또한 합성한 젤 추진제는 탄성이 우세한 점탄성 유체였다. 칙소성 시험 결과 젤화제의 농도에 따라 재연소 과정에 이점을 가질 수 있는 거동을 보였다.
에탄올 젤 추진제의 연소열에 대한 연구도 수행되었다. 세 에탄올 젤 모두 액체 에탄올 연소열의 92% 이상의 연소열을 보였으며, 연소 후 잔여물은 관찰되지 않았다.
추후 수행되어야 할 연구로는 점화 지연의 관찰, 연소 및 분무 특성 확인 등이 있다. 더 높은 연소열을 확보하기 위해서는 금속 나노입자를 사용할 수 있을 것이다. 또한 실제 젤 추진 시스템으로 사용하기 위해서 온도와 압력에 따른 연소 특성과 젤 추진제의 증발열에 관한 연구도 수행되어야 할 것이다.
