This research focuses on the development of catalysts with superior thermal resistance for the catalytic ignition of green monopropellant thrusters to replace current hydrazine monopropellant systems. Silicon doped alumina supports are prepared via sol-gel, pelletized using an oil-drop method, and dried as xerogels and aerogels. The spherical supports are then impregnated with platinum, calcinated and reduced. Following activation, the catalysts are fully characterized in terms of crystallite size, specific surface area and pore diameter as well as crush strength and crystal phase. Thruster tests are conducted using high concentration hydrogen peroxide in a 5N-class monopropellant thruster. The performance of the catalysts are then compared with standard commercial alumina, and another doped catalyst support, LHA, in terms $C \ast$ efficiency, pressure stability and in maintaining catalyst properties. The goal of the study is to provide a thorough analysis of sol-gel supports and examine their practicality and performance in actual rocket thrusters. Results show stable thruster operation using aerogel supports calcinated at $1400 ^\circ C$, which relies on the superior thermal stability of the aerogel alumina and good mechanical strength despite a lower crush strength than xerogels or commercial alumina. Characterization of post-firing xerogel catalysts show a decrease in the content of active material and a small fraction of catalyst pellets are fractured, explaining the unstable thruster operation. The practicality of sol-gel pellets for catalytic ignition in green monopropellant thrusters with high decomposition temperature was demonstrated and this research paves the way for a new line of research in improving the thermal stability of the catalysts by testing different doping agents with higher pre-firing calcination temperatures and the catalytic reactivity by enhancing active material dispersion.
단일추진제 추력기에서 기존에 사용되어 온 하이드라진 계열 맹독성 추진제를 대체하여, 최근 친환경 단일추진제를 적용하기 위한 연구들이 다수 수행되고 있다. 본 연구에서는 친환경 단일추진제 중 하나인 고농도 과산화수소의 촉매 분해를 위해 솔젤 방식을 활용한 고내열성 촉매를 개발하고 다각도에서 솔젤 지지체의 분석을 수행하였으며, 최종적으로 추력시스템에 대한 촉매의 적용 가능성을 검증하였다. 솔젤 방식을 통해 실리콘으로 도핑된 알루미나 지지체를 제작하였고, 오일 드랍 방식을 통해 구형 펠렛의 형태로 분할한 지지체를 건조시켜 크세로젤과 에어로젤을 제작하였다. 구형의 지지체에 백금 활성물질을 담지하기 위해 함침법을 적용하였고, 하소 및 환원 과정을 수행하였다. 촉매의 엑티베이션 과정을 거친 후, 결정 크기 및 결정상, 표면적, 기공의 직경, 분쇄 강도 측정을 통해 촉매 특성을 분석하였다. 솔젤 발식으로 제작된 촉매의 추력시스템 적용가능성을 검증하기 위해, 고농도 과산화수소를 사용하여 5 N급 단일추진제 추력기 시험을 수행하였다. 성능 인자로 $C \ast$ 효율, 압력 안정성 및 촉매 내구성을 정의하여 측정하였으며, 이를 표준 상용 알루미나 지지체, 다른 원소가 도핑된 알루미나 지지체, LHA 지지체를 백금 촉매에 사용한 경우의 추력 시험 결과와 비교하였다. 그 결과, $1400 ^\circ C$에서 하소 과정을 거친 에어로젤 지지체를 촉매에 사용한 경우 크세로젤 지지체나 표준 상용 알루미나 지지체의 경우보다 낮은 분쇄 강도를 지님에도 불구하고, 높은 내열성으로 인해 추력 시험에서 안정적인 성능을 나타내었다. 추력기 시험 후 크세로젤 지지체를 사용한 촉매에서는 활성 물질 함량의 감소 및 일부 펠릿의 균열 현상이 발생하였고, 이는 추력기의 불안정한 작동을 야기한 것으로 추정된다. 결과적으로 솔젤 방식을 통해 제작한 에어로젤 촉매가 고농도 과산화수소를 사용하는 친환경 단일추진제 추력기에 적용이 가능함을 확인하였다. 추가적으로 촉매 지지체에 활성물질을 보다 균일하게 담지하고, 다른 도핑 물질을 지지체에 적용하여 촉매 반응성을 향상시키기 위한 연구가 필요하다.
