Hypergolic hybrid rocket offers the advantages of simple, fast and reliable ignition and re-ignition of the system, giving them unlimited potential for applications such as sounding rockets and propulsion engines for ascent vehicles. Although hydrogen peroxide has excellent hypergolic characteristics, it is important to develop new hypergolic fuels due to the small number of candidates for hypergolic fuels and frequent hard-start of existing hypergolic solid fuels. In this study, hypergolic solid fuels with various additives and fabrication methods were studied. Also ignition delay study was conducted by adding 1 to 2 wt% of various additives such as carbon black, manganese dioxide, Pt-Ru-carbon catalyst, and Pd-carbon catalyst additive. By drop test, hypergolic solid fuels containing palladium-carbon catalyst had the shortest ignition delay of 1.2 ms. XRD analysis confirmed the formation of $\beta$-palladium hydride in hypergolic solid fuel with a Pd-carbon catalyst and long-term storability.
Drop test, atmospheric storability test, atmospheric combustion test, and 50 N class hybrid rocket combustion test were successfully conducted in order to verify the reliability of the hypergolic solid fuel in order to perform reliability evaluation of hypergolic solid fuel from various characteristics such as ignition delay, storability, specific impulse, repeatability, and explosiveness. Atmospheric storability test showed that ammonia borane had more robust hygroscopicity than $NaBH_4$. For samples containing carbon black, the ignition delay increased logarithmically in 90% relative humidity condition. This reaffirmed the need for humidity management during rocket operation.
Atmospheric combustion test ensured the atmospheric combustion reliability in high mass flow rate and confirmed the atmospheric combustion characteristics. Then, the design and fabrication of 50 N-class hypergolic hydrogen peroxide hybrid rockets were finally verified for safety and reliability for the application of hypergolic solid fuel containing Pd-C catalyst to consumable catalytic bed.
접촉점화성 하이브리드 로켓은 시스템이 간단하고, 빠르며 신뢰성 있는 점화 및 재점화가 가능하다는 장점이 있어 과학 로켓이나 상승 기동 추진 기관 등에 활발히 활용되고 있다. 한편, 과산화수소의 우수한 접촉점화성에도 불구하고 접촉점화성 연료 후보군의 수가 적고, 잦은 폭발성 시동이 일어나는 기존 금속 수소화물 기반 연료를 대체할 수 있는 새로운 접촉점화성 연료 개발에 대한 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 다양한 첨가제를 가지는 접촉점화성 고체 연료 및 제작 공정이 연구, 확립되었으며, 카본 블랙, 이산화망간, 백금-루테늄-카본 촉매, 그리고 팔라듐-카본 촉매 첨가제 등 다양한 첨가제들을 1~2 wt% 첨가하여 점화 지연 개선을 비교하였다. 액적 낙하 실험을 통해 팔라듐-카본 촉매 첨가제를 포함하는 25ABP 시료의 경우 1.2 ms의 가장 짧은 점화 지연을 가짐을 확인하였다. XRD 분석을 통해 팔라듐-카본 촉매가 포함된 접촉점화성 고체 연료 내 $\beta$상의 수소화 팔라듐이 형성되고, 장기 저장성을 가짐을 확인하였다.
점화 지연, 저장성, 비추력, 재연성, 폭발성 등 다양한 관점에서 접촉점화성 고체 연료의 신뢰성 평가를 수행하기 위해 액적 낙하 실험, 대기 환경 저장성 평가, 상압 연소 실험 및 50 N 급 하이브리드 로켓 연소 실험을 차례로 수행하였다. 대기 환경 저장성 평가를 통해 암모니아 보레인의 경우 $NaBH_4$에 비해 강건한 흡습성을 가짐을 확인하였으며, 카본 블랙을 포함하는 시료의 경우 상대 습도 90%의 환경에서 점화 지연이 로그함수적으로 증가하며, 2 일 차부터 점화가 되지 않는 현상을 확인하였다. 이를 통해 로켓 운용 시 내부 습도 관리의 필요성을 재확인하였다.
상압 연소 실험을 통해 고 유량대 상압 연소 신뢰성을 확보하고, 상압 연소 특성을 확인할 수 있었다. 이후 50 N 급 접촉점화성 과산화수소 하이브리드 로켓을 설계, 제작하여 팔라듐 카본 촉매를 포함하는 접촉점화성 고체 연료의 소모성 촉매대로의 적용을 위한 안전성과 신뢰성을 최종 검증하였다.
