A hypergolic bipropellant is a form of liquid propellant in which ignition occurs spontaneously when the fuel and oxidizer come into contact with each other. Hypergolic fuels do not need additional ignition source such as spark plugs. Hypergolic rockets can be fired any number of times until the propellants are exhausted. Hydrazine and its derivatives are hypergolic fuels and have been shown to be highly toxic and carcinogenic. Therefore, a series of amine azides or ionic liquids have been developed and tested as the alternative fuels by many research groups. Among the amines, N,N,N',N'-Tetramethylethylenediamine (TMEDA) was considered to be most promising because it is close to Monomethylhydrazine (MMH) in many aspects. In this study, three experimental analyses were performed to investigate the characteristics of TMEDA and TMEDA mixed with 1,2,4-triazole. First, thermogravimetric analysis was performed to analyze thermal decomposition process of the candidate materials. During heating, TMEDA started to evaporate at temperature below its boiling point and 1,2,4-triazole evaporate subsequently. Second, evaporation behaviors of TMEDA droplets with two concentrations of 1,2,4-triazole (10% and 20% by weight) were studied at various temperature. A single droplet experimentation was accomplished in a high pressure chamber using a heating system under atmospheric nitrogen gas condition. Its droplet behavior was recorded with a high-speed camera and the data were post-processed using the Visual Basic software to trace the droplet diameter variation. Bubble and puffing were observed in the case of the TMEDA containing 1,2,4-triazole above $400^circ C$. As a result, the rate of evaporation was substantially enhanced by increasing the concentration of 1,2,4-triazole at same temperature. Third, the evaporation rates after finished of TMEDA evaporation were same irrespective of the concentration of 1,2,4-triazole. Third, Ignition delay of TMEDA and ionic liquid with nitric acid was measured by drop test. Meanwhile, numerical simulation was performed to predict thermal properties of ionic liquid.
자동 점화성 이원 추진제는 연료와 산화제가 접촉하는 순간 점화가 발생하는 액체 추진제의 한 형태이다. 자동 점화 연료의 특성 상 점화 플러그와 같은 추가적인 점화 장치가 필요하지 않으며, 연료가 소모될 때까지 수 차례 반복적인 점화가 가능하다. 자동 점화 연료로 가장 많이 사용되어 온 하이드라진과 그 파생 연료들은 높은 독성을 가진 발암물질에 해당된다. 따라서, 하이드라진을 대체하기 위하여 아민 아지드나 이온성 액체와 같은 물질들이 연료로서 개발되어 왔다. 그 중에서 티엠이디에이는 하이드라진과 비슷한 성능을 갖는 연료로 각광받기 시작했다. 하지만 티엠이디에이의 밀도가 하이드라진에 비해 상대적으로 낮기 때문에 본 연구에서는 고에너지 물질인 1,2,4-트리아졸을 첨가하여 실험을 수행하였다. 실험은 첫번째는 열 중량 분석을 통해 혼합 연료에서는 두 물질의 끓는점 차이에 의해 티엠이디에이가 먼저 열분해 되며 그 후에 트리아졸이 순차적으로 열분해 되었다. 둘째로, 대기압의 질소 충전된 용기 안에 다양한 온도 조건 하에서 액적 증발 실험을 통해 혼합 연료의 액적 거동을 고속 카메라로 녹화한 후 후처리 프로그램을 통해 액적 직경의 변화를 기록하였으며 증발 계수를 도출하였다. 거품과 같은 액적의 거동은 1,2,4-트리아졸이 포함된 연료의 경우에만 섭씨 400도 이상의 온도에서 관찰되었으며 혼합 연료의 증발율은 같은 온도 조건에서 1,2,4-트리아졸의 농도 증가에 영향을 받는다. 하지만, 티엠이디에이가 완전히 증발한 후에는 1,2,4-트리아졸의 농도는 증발율에 영향을 주지 않는 것으로 분석되었다. 셋째로, 질산 위에 연료의 낙하 실험을 통해 티엠이디에이와 이온성 액체의 점화 지연을 측정하였다. 한편, 이온성 액체의 성능을 예측하기 위하여 나사의 화학 평형 프로그램과 열 유동 해석을 하였다.
