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과산화수소와 에탄올을 활용한 고성능 친환경 단일추진제 개발 및 성능 평가 = Development and performance evaluation of high performance green monopropellant with hydrogen peroxide and ethanol
서명 / 저자 과산화수소와 에탄올을 활용한 고성능 친환경 단일추진제 개발 및 성능 평가 = Development and performance evaluation of high performance green monopropellant with hydrogen peroxide and ethanol / 백승관.
저자명 백승관 ; Baek, Seungkwan
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2016].
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Small thruster system is necessary for flying ability and attitude control of small satellite. Liquid monopropel-lant thruster that has longer lifetime and simple structure is suitable for satellite attitude control system. Hy-drazine is representative propellant for monopropellant thruster. However, hydrazine has high toxicity and extra time and money for safety is needed. To replace carcinogenic hydrazine, researches about green mon-opropellants have been progressed. HAN, ADN based ionic liquid propellant and rocket grade hydrogen peroxide is handled as green monopropellants. These propellants are categorized as strategic materials, and there is limitation to manufacture and handle liquid monopropellants. HAN and ADN based ionic propellants has high performance because these propellants are mixtures of alcoholic fuel and aqueous HAN, ADN solution oxidizer. In this research, based on ionic liquid’s compositions, ethanol-blended hydrogen peroxide was investigated as alternatives of high performance green monopropellant, and performance evaluation of this propellant was progressed with firing test. Theoretical performance evaluation was progressed first to verify possibility of replicability of established high performance monopropellants. NASA CEA Code was used for theoretical performance evaluation, and ethanol-blended 70 wt. % hydrogen peroxide has higher theoretical specific impulse due to its mixture ratio. References that identified detonable composition of $H_2O_2/H_2O/Ethanol$ were considered to select propellant composition that is non-detonable. 10 N scale liquid monopropellant thruster and its propellant feeding system was fabricated for firing test to evaluate ethanol-blended hydrogen peroxide’s performance. 70 wt. % hydrogen peroxide was used as oxidizer of ethanol-blended hydrogen peroxide. For performance evaluation, ethanol-blended hydrogen peroxide which O/F ratio is 30 that has lower theoretical performance was used for safe experiments. Manufactured propellant storage test is now progressing with 90 wt. % hydrogen peroxide. Preliminary test was progressed with platinum catalyst, and catalytic combustion without any ignition system was occurred with higher chamber temperature than adiabatic decomposition temperature of 70 wt. % hydrogen peroxide oxidizer. Characteristic velocity efficiency $(C \ast efficiency)$ was 87.7 %, thermal efficiency was 84.6 % for preliminary firing test. Performance evaluation using platinum and palladium catalyst with same propellant was progressed to find optimal catalyst active material. Platinum and palladium with commercial $\gamma -Al_2O_3$ catalyst supports were fabricated for performance evaluation with wet impregnation method, thermal efficiency and 10 % of chamber pressure development time duration was measured for performance evaluation. 3 seconds of firing tests were progressed for 4 times with each catalysts. $C \ast$ efficiency was 95.1 %, thermal efficiency was 94.4 %, and response time was 0.201 seconds using $Pt/Al_2O_3$ catalyst. And, $C \ast$ efficiency was 63.6 %, thermal efficiency was 81.0 %, and response time was 0.253 seconds using $Pt/Al_2O_3$ catalyst. These results shows platinum is suitable catalyst active material for ethanol-blended hydrogen peroxide monopropellant. Additional firing test was conducted to evaluate performance improvement method that means using different mixture ratio to prove replacement of established monopropellant. In this firing test, ethanol-blended hy-drogen peroxide with 70 wt. % hydrogen peroxide which O/F ratio is 15 was use. This propellant has 214 seconds of vacuum specific impulse, and $276.3 g·s/cm^3$ of vacuum density specific impulse, $1116.0 ^\circ C$ of adia-batic decomposition temperature that has higher vacuum density specific impulse than that of hydrazine and 90 wt. % hydrogen peroxide. In addition, evaluation of necessity of high thermo-resistant catalyst support with firing test was progressed because the phase of $\gamma -Al_2O_3$ changes with higher temperature exposure. Lan-thanum Hexa-aluminate (LHA) was used for high thermo-resistant catalyst support and Pt/LHA, $Pt/\gamma -Al_2O_3$ were used for performance evaluation of higher performance ethanol-blended hydrogen peroxide. Propellant was fired for 5 seconds with each catalysts and pressure instability was considered for necessity evaluation of LHA. $C \ast$ efficiency, root mean square error, standard deviation, pressure fluctuation were calculated with chamber pressure. $C \ast$ efficiency was 95.3 % with $Pt/ \gamma -Al_2O_3$ , and 92.8 % with Pt/LHA. Evaluation of meth-ods using different mixture ratio for higher performance of ethanol-blended hydrogen peroxide was proceeded. Both catalysts using different catalyst support has high combustion efficiency with firing test that means suitable with ethanol-blended hydrogen peroxide. Also using high thermo-resistant catalyst support is needed for higher performance ethanol-blended hydrogen peroxide due to pressure instability with results of firing test using LHA. In this research, alternatives of high performance green monopropellant was suggested as ethanol-blended hydrogen peroxide. Theoretical performance evaluation of ethanol-blended hydrogen peroxide using NASA CEA codes. Preliminary firing test was conducted and catalytic combustion of ethanol-blended hydrogen peroxide was occurred without any ignition system. Platinum is optimum catalyst active material for ethanol-blended hydrogen peroxide for combustion efficiency. Performance improvement method of ethanol-blended hydrogen peroxide was evaluated with firing test. High thermo-resistant catalyst support is needed for higher performance of ethanol-blended hydrogen peroxide due to combustion instability. For this research, self-sufficiency of high performance green monopropellant supply can be secured because 70 wt. % hydrogen peroxide and ethanol are both commercially available. In advance, localizationof smal thruster system for attitude control of satellite could be expected. Also, further research with ionic propellants can be progressed with this research because of similar composition. For future research, performance improvement of ethanol-blended hydrogen peroxide with different mixture ratio can be progressed. Develop-ment of high thermo-resistant catalyst support is needed for even higher performance ethanol-blended hydrogen peroxide. Propellant sensitivity test and storage estimation is needed to apply into thruster system for flying ability and attitude control of small satellite.

본 연구에서는 독성의 하이드라진 추진제의 대체를 위한 친환경 추진제인 기존의 HAN, ADN 기반의 단일추진제의 조성과 유사한 70 wt. % 과산화수소에 에탄올을 블렌딩하는 방식의 고성능 친환경 단일추진제를 제안했고, 연소 시험을 통한 성능 평가 및 검증을 진행했다. 70 wt. % 과산화수소의 경우 상용 등급으로 생산 및 취급이 자유로워 본 연구를 통해 고성능 단일추진제 생산 및 취급의 자립성을 확보할 수 있으며, 단가 절감 측면을 기대할 수 있다. 나아가 위성 자세제어 시스템에 적용되는 고성능 단일추진제 추력기 시스템의 국산화를 기대할 수 있다. 에탄올 블렌딩 과산화수소의 이론 성능 평가를 통해 기존의 단일추진제를 성능 면에서 대체할 수 있음을 확인했다. 우선 엔탈피 측면에서 과산화수소에 에탄올을 혼합했을 때 성능 향상을 꾀할 수 있음을 파악했다. 이론 성능 평가를 위해 NASA CEA Code 를 활용했으며, 그 결과 혼합비에 따라 기존의 고성능 단일추진제보다 우수한 성능을 보일 수 있음을 검증했다. 문헌 조사를 통해 과산화수소와 에탄올, 물의 혼합비에 따른 데토네이션 현상 발생 가능성을 파악했고, 이를 참고하여 연소 시험을 통한 성능 평가를 위해 사용할 추진제로 70 wt. % 과산화수소에 30:1, 15:1 의 비율로 에탄올을 블렌딩한 추진제를 제작했다. 70 wt. % 과산화수소에 30:1의 비율로 에탄올을 블렌딩한 추진제의 경우 90 wt. % 과산화수소 추진제와 유사한 비추력 성능을 보인다. 또한 70 wt. % 과산화수소에 15:1 의 비율로 에탄올을 블렌딩한 추진제의 경우 비추력은 하이드라진보다 소폭 낮으며, 밀도 비추력은 하이드라진 및 고농도 과산화수소보다 높은 성능을 보인다. 위의 두 종류의 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 저장성 평가를 진행하여 기존의 고농도 과산화수소와 저장성 측면에서 유사한 성능을 보이는 것을 확인했다. 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 성능 검증을 위한 연소 시험을 위해 10 N 급 액체 단일추진제 추력기 및 추진제 공급 시스템을 설계 및 제작했고, 촉매 활성 물질에 따른 성능 평가를 위해 백금 및 팔라듐 촉매를 증발 건조법을 통해 제작했다. 이후 별도의 점화 설비 없이 연소 여부 파악 및 단일추진제 추력기 내 촉매 반응기에서 발생하는 압력 강하를 파악하기 위해 예비 연소 시험, 최적 촉매 활성 물질 도출을 위한 연소 시험, 추진제 성능 향상 연소 시험을 진행했다. 특성 속도 효율, 온도 효율 및 응답 특성 파악을 위한 응답 시간을 정의, 도출하여 연소 성능 평가를 진행했다. 예비 연소 시험에는 70 wt. % 과산화수소에 30:1 의 비율로 에탄올을 블렌딩한 Propellant 1 추진제 및 백금을 $\gamma -Al_2O_3$ 지지체에 담지한 촉매를 사용했으며, 별도의 점화 설비 없이 연소 시험을 진행하여 에탄올 블렌딩 과산화수소가 기존의 고성능 친환경 단일추진제의 대안이 될 수 있음을 확인했다. 예비 연소 시험에서 특성 속도 효율은 87.7 %, 온도 효율은 84 %, 응답 시간은 0.332 초 이다. 추진제 탱크의 가압 압력을 조정하여 백금 및 팔라듐을 $\gamma -Al_2O_3$ 지지체에 담지하여 촉매에 따른 추진제의 연소 성능 평가를 진행했다. 백금 촉매 사용 시 특성 속도 효율은 95.1 %, 온도 효율은 94.4 % 이며, 응답 시간은 0.201 초 이다. 팔라듐 촉매 사용 시 특성 속도 효율은 63.6 %, 온도 효율은 81.0 %, 응답 시간은 0.253 초 이다. 따라서 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 촉매 활성 물질로 백금이 적합함을 보였다. 블렌딩하는 에탄올의 양을 늘려 성능이 향상된 추진제의 연소 시험을 통해 성능 측면에서 기존의 하이드라진 및 고농도 과산화수소 대체 가능성을 확보하고자 했다. 이를 위해 70 wt. % 과산화수소에 15:1의 비율로 에탄올을 블렌딩한 Propellant 2 추진제의 연소 시험을 진행했다. Propellant 2 추진제의 경우 밀도 비추력 측면에서 하이드라진 및 고농도 과산화수소보다 높은 성능을 보인다. 위의 연소 시험을 통해 추진제의 연소 시험을 통한 성능 측면에서 대체 가능성 검증 및 고성능 친환경 단일추진제 연소 시험 시 고내열성 촉매 지지체 적용의 필요성 검증을 진행했다. 본 연구에서는 고내열성 촉매 지지체로 Lanthanum Hexa-aluminate(LHA) 촉매 지지체를 사용했으며, 성능 검증을 위해 $\gamma -Al_2O_3$ 촉매 지지체를 활용한 연소 시험을 비교군으로 선정하여 진행했다. 추진제의 연소 성능 검증 기준으로 특성 속도 효율이 90 % 이상으로 하는 것으로 선정하여 연소 시험을 진행했다. 고내열성 촉매 지지체 적용의 필요성을 검증하기 위해 압력 불안정성 측면을 고려했으며, 촉매 반응기, 연소실 압력의 평균 제곱근 오차, 표준편차, 압력 섭동을 도출하여 비교했다. 연소 시험 결과 LHA 촉매 지지체를 활용한 연소 시험의 경우 특성 속도 효율은 92.8 % 이며, $\gamma -Al_2O_3$ 촉매 지지체를 활용한 연소 시험의 경우 특성 속도 효율은 95.3 % 으로 나타났다. 이로써 연소 시험을 통해 밀도 비추력 측면에서 기존의 하이드라진 및 고농도 과산화수소를 대체할 수 있음을 확인했으며, 혼합비에 따라 추진제의 성능을 향상시킬 수 있는 가능성을 확인했다. 연소 시험에서 사용된 두 종류의 촉매 지지체 모두 에탄올 블렌딩 과산화수소 추진제의 촉매 지지체로 적합함을 알 수 있다. 또한 LHA 촉매 지지체 사용 시 연소실 압력 불안정성 측면에서 높은 성능을 보임을 확인했고, 높은 성능을 보이는 추진제의 연소 시험 시 고내열성 촉매 지지체 도입 및 적용의 필요성을 검증했다. 본 연구를 통해 에탄올 블렌딩 과산화수소의 고성능 친환경 단일추진제의 적용 가능성을 검증했다. 산화제로 사용되는 과산화수소의 농도를 낮추어 블렌딩하는 에탄올의 양을 늘리게 되면 추진제의 성능이 향상되어 기존 단일추진제인 하이드라진 이상의 비추력을 보여 고성능 친환경 단일추진제 생산 및 취급의 자립성을 확보할 수 있다. 또한, 기존의 고성능 친환경 단일추진제인 HAN, ADN 기반 추진제의 연구를 위한 기초 자료로 활용될 수 있으며, 나아가 위성 자세제어 시스템에 적용되는 고성능 친환경 단일추진제 추력기 시스템의 국산화를 기대할 수 있다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MSPE 16004
형태사항 ix, 60, iii p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Seungkwan Baek
지도교수의 한글표기 : 권세진
지도교수의 영문표기 : Sejin Kwon
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 우주탐사공학학제전공,
서지주기 참고문헌 : p. 58-60
주제 친환경 액체 단일추진제
과산화수소
에탄올
촉매
연소 시험 분석
Green Liquid Propellant
Hydrogen Peroxide
Ethanol
Catalyst
Firing Test Analysis
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