Gelled fuel with share thinning viscoelastic nature formulated, further studies were necessary for determining their hypergolic nature and ignition delay for propulsion applications. The experiments conducted for this thesis mainly examines the hypergolicity and ignition delay time of the formulated ethanol, and ethanol base, gelled fuel when comes in contact with, hydrogen peroxide, oxidizer in a bipropellant system. The hypergolicity and ignition delay investigation for bipropellant system are highly essential for propulsion application.
It was observed in the presented research that the ethanol based gelled fuel systems were hypergolic with hydrogen peroxide (90% pure) in a presence of a suitable catalyst defined as copper (II) chloride and Manganese (II) acetylacetonate. The observed ignition delay was within the range of 10~50ms, which was comparable with the existing liquid hypergolic bipropellant systems. Temperature profile also indicated that the formulated gel hypergolic system attained a very high temperature profile range of 1000 to 1400$\circ C$ for a very small weight percent of catalyst. Different samples of ethanol gelled fuel with different weight percent of gelling agent were formulated, and hypergolicity was achieved through addition of catalyst with less than one weight percent, ranging from 0.2 to 0.9wt%. The detailed understanding of hypergolicity and ignition delay of gelled ethanol fuel was mainly focused on gelling agent type and concentration, along with achieved apparent viscosity through gelation. The formulated gel fuel was thixotropic in nature with low apparent viscosity and yield point. Since viscoelastic properties of formulated gel systems plays a vital role to determine its hypergolicity and ignition delay time, which is an important parameter for any propulsion system.
For further understating of hypergolicity and ignition delay dependent parameters, experiments were conducted with two separate volumes of oxidizer (hydrogen peroxide), 0.014 and 0.05ml. In both cases the bipropellant system was fuel rich. During this study, the formation of cage in the gel network was observed, which could encapsulate the higher temperature gases and flame in a network system, might be a plausible reason for recorded higher ignition delay.
Hypergolic and ignition delay studies for energized gelled ethanol with hydrogen peroxide was also carried out. Experimental setup was designed for drop test studies, from which results were obtained using Photron high speed camera imaging. This study represented a sufficient repeatability of ignition delay for hypergolic gel bipropellant development. Gelled ethanol base fuel (pure and energized with nanoparticle of Al/B/C substitution) mixture with metal catalysts were formulated to examine its hypergolicity with ignition delays on the order of 1 to 30 milliseconds in most of cases, which are comparable with the existing liquid hypergolic bipropellant systems. The minimum ignition delay time was recorded for boron case at 1.33ms. Activation energy for the gelled ethanol fuel with pure and energetic particle substitution system was investigated in order to understand the minimum energy required for network breakdown and this resided within the range of 7 to 13 kJ/mole along with shear thinning behavior. Temperature profile also indicated an exothermic nature of the bipropellant system with 1000 to 1600 K recorded. Parameters such as apparent viscosity of the fuel, drop height and drop volume also played an important role for the hypergolicity of the system in a drop experimentation.
For any energetic system, its enthalpy is one of the very essential parameter. Therefore, thermal characterization of such material is very essential and can be conducted through calorific value study. In present research, the gross calorific value (GCV) was investigated to determine the enthalpy of all the formulated gel system, followed by, comparative study of calorific value, hypergolicity and ignition delay of gel bipropellant system of ethanol and hydrogen peroxide. For this, efforts were made to design a shear thinning catalytically promoted fuel rich hypergolic bipropellant system with ethanol gel fuel by introducing two different molecular weight organic gelling agent wt% (6, 8 wt% and 2, 2.5 wt%) and transition metal salt wt% (0.1 to 0.7wt%) in the parent fuel. Doing so further studies regarding the hypergolicity and ignition delay for the formulated gel bipropellant system were studied experimentally using Photron high speed camera imaging technique. It was observed that the hypergolicity was achieved even for a small wt% of two different transition metal catalysts approximately varying from 0.1 to 0.7wt%. The calculated ignition delay for the formulated system was in the order of 1 to 200 milliseconds at a static state with an addition of 30 and 100 $\mu l$ of peroxide. For catalytically promoted fuel with MCAT mostly, shows the delay time comparable with the existing hypergolic liquid propellant system with minimum delay time calculated for pure gel fuel-MCAT case at 2.6ms. Through this study it was noticed that MCAT catalyst seems to be more promising catalyst in comparison to CCAT at static condition. Temperature profile also indicated an exothermic nature of the designed system with maximum temperature recorded was 1360$\circ C$. Calorific value analysis shows that, the organic gelling agent (Sigmacell cellulose, and Hydroxypropylcellulose ($S_1$ and $S_2$)) has calorific value of 4571.67, 4733.66, 3500cal/g, 6468.69cal/g for CCAT and 6401.13 for MCAT. Also, it can be deduced that, gelation with organic gelling agent helps and participate in the combustion process of the formulated gel fuel with respect to gel system with inorganic gelling agent.
전단 감소 특성을 갖는 점탄성 젤 연료를 추진제로 사용하기 위해서 자동점화 특성과 점화 지연에 관한 연구가 수행되었다. 본 연구에서는 이원추진제 시스템에서 에탄올과 에탄올 기반의 젤연료가 산화제인 과산화수소와 접촉할 때의 자동점화성과 점화 지연을 실험적으로 연구하였다. 자동점화성과 점화 지연에 대한 연구는 연료를 이원추진제 시스템에 적용하는 데에 선행되어야 할 중요한 연구이다.
본 연구에서 에탄올 기반의 젤 연료는 copper(II) chloride and Manganese(II) acetylacetonate를 촉매로 할 때 과산화수소(농도 90%)와 반응하여 자동점화 하는 것이 관측되었다. 점화 지연은 10~50 ms였으며, 이는 상용되는 액체 자동점화 이원추진제 시스템에서 쓰는 것과 유사하다. 반응 시 온도 또한 1000~1400$\circ C$의 고온으로서 매우 적은 양의 촉매로도 높은 온도에 도달하는 것이 확인되었다. 젤화제의 농도를 다르게 하여 에탄올 젤 연료의 시료를 제작하였으며, 0.2~0.9 wt% 의 촉매를 첨가하였을 때도 자동점화가 이루어졌다. 젤화제의 종류와 농도, 겉보기 점도를 중심으로 에탄올 젤 연료의 자동점화성과 점화 지연에 대한 추가적인 연구가 수행되었다. 제작된 젤 연료는 겉보기 점도와 항복점이 작은 요변성이었다. 젤 연료의 점탄성 특성은 추진 시스템에서 중요한 변수들인 자동점화성과 점화 지연을 결정하는 중요한 역할을 한다.
자동점화성과 점화 지연과 관련된 요인들을 알아보기 위해 산화제인 과산화수소의 농도를 0.014 ml와 0.05 ml 두 경우에 대해 실험을 수행하였다. 두 경우 모두 이원 추진제 시스템에서 연료 과농이었다. 이 과정에서 젤 구조 안에서 고온의 가스와 화염이 포함된 cage가 형성되는 것이 발견되었으며, 이는 긴 점화 지연 시간에 대한 원인이 된다.
나노 입자가 첨가된 에탄올 젤의 과산화수소와의 자동점화성과 점화 지연에 대한 연구도 수행되었다. 젤의 낙하 실험을 위한 실험 장비를 구축하였으며, Photron 고속카메라를 이용해 실험 과정을 관측하였다. 이 실험에서는 자동점화 젤 이원추진제 개발을 위한 점화 지연의 반복성을 얻기 위해 충분히 수행되었다. 자동점화성을 알아보기 위해 에탄올 기반에 금속 촉매가 첨가된 젤 연료 혼합물(pure, Al/B/C nanoparticle substitution)이 제작되었으며, 점화 지연은 대부분의 경우 1~30 ms로 상용되는 액체 자동점화 이원추진제와 유사하다. 보론이 첨가될 경우 점화 지연이 1.33 ms로 가장 짧았다. 구조 붕괴를 알아보기 위해서 젤 연료 혼합물의 활성화 에너지에 대한 실험을 수행하였으며, 그 값은 7~13 kJ/mole 이었으며 전단 감소 특성이 관측되었다. 온도 또한 1000~1600 K로 이원추진제의 발열성을 나타내었다. 연료의 겉보기 점도, 낙하 높이, 낙하 연료의 부피와 같은 변수들 역시 낙하 실험을 통해 자동점화성에 중요한 역할을 하는 것이 확인되었다.
엔탈피는 에너지의 출입이 있는 계에서 매우 중요한 변수이다. 따라서 물질의 열 특성을 아는 것은 중요하며, 이는 발열량 측정을 통해서 알 수 있다. 본 연구에서는 제작된 젤 연료의 엔탈피를 측정하기 위해 총발열량을 측정했으며, 에탄올 젤 이원 추진제와 과산화수소의 발열량과 자동점화성, 점화 지연을 비교 연구하였다. 이를 위해서 두 가지의 서로 다른 젤화제(6, 8 wt%, 2, 2.5 wt%)와 전이 금속 염(0.1~0.7 wt%)을 본연료에 첨가하여 전단 감소 특성과 자동점화성을 가진 에탄올 젤 이원 추진제를 만들었다. 그 후에 Photron 고속카메라를 이용하여 제작된 젤 이원추진제의 자동점화성과 점화 지연이 실험적으로 수행되었다. 소량의 두 가지 전이 금속 촉매만으로도(0.1~0.7 wt%) 자동점화성을 확인할 수 있었다. 30~100 $\mu l$의 과산화수소가 첨가된 정적 상태에서 점화 지연은 1~200 ms로 측정되었다. 촉매가 첨가된 연료의 점화 지연은 상용되는 자동점화 액체 추진제와 비슷했으며, pure gel fuel-MCAT의 경우에서 2.6 ms로 가장 작게 측정되었다. 이 연구를 통해 정적 상태에서는 MCAT이 CCAT보다 더 효과적인 촉매인 것이 확인되었다. 또한 온도를 통해서 발열 특성을 확인했으며 측정된 최고 온도는 1360$\circ C$ 였다. 유기 젤화제(Sigmacell cellulose와 hydroxypropylcellulose ($S_1$, $S_2$))의 발열량은 CCAT의 경우 4571.67, 4733.66, 3500, 6468.69 cal/g로 측정되었으며, MCAT의 경우에는 6401.13으로 측정되었다. 또한 유기 젤화제의 사용은 제작된 젤 연료의 연소에 도움을 주며 연소 반응에 참여한다고 추론할 수 있다.
