Hydrogen peroxide has been widely used as green propellant for various types of thruster combined with catalytic decomposition. In this study, catalyst bed design optimization is considered through modeling. Simulation of the catalytic decomposition of hydrogen peroxide in the catalyst bed was performed using an existing model. 1-D variations of temperature, pressure, species concentration and other properties were estimated using the model. Static firing tests were conducted under various conditions using a 100 N scale $H_2O_2$ monopropellant thruster with $MnO_2+PbO/Al_2O_3$ catalyst pellets. The model was verified heuristically. While temperature estimations from the model were well correlated to the experimental data, pressure estimations deviated slightly. The model could still be used to obtain optimal design parameters by analyzing the catalyst capacity and pressure drop data for various simulated conditions. This research shows that the catalyst bed can be optimized from the analysis of the catalyst capacity and pressure drop estimation constant through catalyst bed modeling.
현재 친환경 추진제로 연구가 활발히 진행되고 있는 과산화수소는 촉매분해를 통해 다양한 종류의 추력기에 활용될 수 있다. 촉매대의 최적화 된 설계를 위하여 본 연구에서는 모델링을 활용하였다. 기존에 연구된 모델을 사용하여 촉매대 내부의 과산화수소 촉매분해반응을 모델링 하였으며, 이를 이용하여 온도 및 압력, 화학종 농도 등의 물성치와 파라미터 등을 1차원 분포로 예측할 수 있었다. 모델을 검증하기 위해 $MnO_2+PbO/Al_2O_3$ 촉매를 사용한 100 N 급 과산화수소 단일추진제 추력기를 사용하였으며 다양한 설계조건에 대해 실험을 진행하였다. 실험결과를 모델의 예측결과와 비교하였으며 모델이 온도 분포는 잘 예측하였지만 압력강하량 예측은 오차가 다소 발생함을 확인하였다. 이후 검증된 조건 내에서 모델을 계산하여 촉매대의 최적화를 진행하였다. 다양한 조건에서의 Catalyst Capacity와 압력강하량을 예측하였으며, 이를 분석하여 최적화된 설계 제원을 제시할 수 있었다. 제시된 Catalyst Capacity 값과 압력강하량 예측 상수를 사용하여 간편하게 최적화된 촉매대를 설계할 수 있을 것이다.
