The current trend in the area of highly energetic storable liquid rocket propellant research is to develop environmental-friendly gelled/metalized systems and to explore the feasibility of their application in rocket engines. The idea stems from the fact that the conversion of a conventional liquid propellant to a gelled state and its subsequent metallization has the potential to significantly enhance the performance and density specific impulse. Gel propellants are modified conventional liquid systems whose mechanical properties can be altered by the addition of a suitable gelling agent, so that their physico-chemical behavior undergoes a significant change. Gels are non-Newtonian fluids, and their rheological properties play a vital role in quality control during production and subsequent effective usage. Hence, rheological characterization is an essential step to better understand gel systems and serves multiple purposes. The ethanolamine (99.5%), ethanol (99.8%) fuel and hydrogen peroxide (90%) oxidizer (propellant grade) system for the current study was selected due to its eco-friendly nature, cost-effectiveness and ease of availability.
Ethanolamine Gel: In this research, efforts are made to formulate and prepare ethanolamine gel systems, using pure agarose and hybrids of paired gelling agents (agarose+PVP, agarose+SiO2 and PVP+SiO2), that exhibit a measurable yield stress, thixotropic behavior under shear rate ranges of 1 to 20 and 1 to 1000 s-1 and viscoelastic nature. The results show that the formulated ethanolamine gels are thixotropic in nature with some yield stress. The apparent viscosity of the gel decreases as the test temperature increases, and the apparent activation energy is the lowest for the ethanolamine-(PVP+SiO2) gel system. The dynamic rheology study shows that the type of gellant, the choice of hybrid gelling materials and their concentration, the applied frequencies and the strain all vitally affect the visco-elastic properties of the ethanolamine gel systems. In the frequency sweep experiment, the ethanolamine gels to which agarose, agarose+PVP and agarose+SiO2 have been added behave like linear frequency-dependent visco-elastic liquids, whereas the ethanolamine gel to which PVP+SiO2 was added behaves like a nearly frequency-independent viscoelastic solid. The variation in the tan δ of these gelled propellants as a function of frequency is also discussed.
Ethanol Gel: This research, reports the gelation of metalized and non-metalized ethanol with a methylcellulose gelling agent and its effect on the rheological properties (flow and dynamic study) of these gels. The rheological study shows that increasing the shear rate reduce the apparent viscosity for a given yield stress (for shear rate range 1 to 12 s-1) for both shear rate ranges (1 to 12 and 1 to 1000 s-1) covered in present experiment. All of the ethanol gels were thixotropic. The dynamic study showed that all of the linear viscoelastic regions of the gel samples were independent of strain% (1 to 10). The G’ values dependent on the frequency and exceeded the G” values, which indicated a gel like highly structured material. The tan δ values showed that all of the ethanol gels were elastic and weak physical gels with a high degree of cross-linking. Hence, these gels could be classified as a weak physical gel.
Hydrogen peroxide Gel: An experimental on the rheological behavior of gelled hydrogen peroxide+fumed silica (SiO2) at different ambient temperature (283.15, 293.15 and 303.15 K) was carried out in this study. Hydrogen peroxide gel was found to be thixotropic in nature. The apparent viscosity value with some yield stress (in-case of shear rate 1 to 20 s-1) drastically fell with the shear rate. In the case of the shear rate range of 1 to 20 s-1, the apparent viscosity and yield stress of gel were significantly reduced at higher ambient temperatures. In the case of the shear rate range of 1 to 1000 s-1, no significant effect of varying the ambient temperature on the gel apparent viscosity was observed. No significant change in the thixotropic index of gel was observed for different ambient temperatures, for both low and high shear rates. The dynamic study showed that, at ambient temperature 298.15K, gel was nearly independent of strain range covered in present experiment. The G’ values dependent on the frequency and exceeded the G” values, which indicated a gel-like highly structured material. The tan δ values showed that the hydrogen peroxide gel with a high degree of cross-linking. Hence, this gel could be classified as a weak physical gel.
In hypergolic gel bipropellant system study, three type of catalyst were used; Manganese (II) acetylacetonate, Copper (II) chloride and Manganese (II, III) oxide and pairs of these catalysts for better results. All catalyst mix with fuel reacted quickly with 90 % hydrogen peroxide propellant grade oxidizer. Only a mix of ethanol or ethanolamine (metalized or non-metalized) with manganese(II)aetylacetonate or copper(II) chloride catalyst or its pair (1 % catalyst in case of ethanolamine and 5 % in case of ethanol gel fuel) was found to rapidly ignite with 90 % propellant grade hydrogen peroxide. Addition of metal particles in the propellant enhances the hypergolicity. Pure ethanol gel mix vigorously steamed but no combustion occurred in presence of copper(II)chloride catalyst.
Stability study shows that all the gel samples are physically stable.
고에너지 액체 로켓 추진제 연구의 최신 경향은 친환경 젤화/금속화 시스템의 개발과 이를 실제 로켓 엔진에 사용할 수 있는지를 알아보는 것이다. 이와 관련된 연구는 통상적으로 사용되는 액체 추진제를 젤화 할 수 있다는 사실에서부터 시작되었으며, 금속화할 경우에는 성능과 비추력 밀도를 상당히 높일 수 있는 가능성이 있다. 젤 추진제는 기존의 액체 추진 시스템의 물리적 성질을 적절한 젤화제의 첨가로 변화시킨 것이며 이에 따라 물리적, 화학적 거동은 매우 달라진다. 젤은 비뉴턴 유체이며 유변학적 성질은 생산과 추후의 효과적인 활용 및 품질 관리에 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 젤 시스템을 이해하기 위해 유변학적 특성 분석은 필수적인 과정이며 다양한 목적을 위해 수행된다. 이번 연구에서는 쉽게 구할 수 있으면서도, 경제적이며 친환경적인 에탄올아민 (99.5%), 에탄올 (99.8%)을 연료로 선택했으며 산화제로는 과산화수소 (90%)를 사용했다.
에탄올아민 젤: 본 연구에서는 순수한 아가로스(agarose)와 몇몇 젤화제의 조합(agarose+PVP, aga-rose+SiO2 and PVP+SiO2)으로 에탄올아민 젤을 합성하였으며, 전단속도 1-20, 1-1000 s-1의 범위에서 점탄성을 나타냄과 동시에 항복응력과 칙소성을 보였다. 실험결과 합성한 에탄올아민 젤은 항복응력과 함께 칙소성을 보였다. 겉보기 점도는 온도가 높아질수록 낮아졌으며 활성화 에너지는 에탄올아민-(PVP+SiO2)의 젤이 가장 낮았다. 젤화제의 종류와 조합하는 젤화제의 선택 및 조성비, 그리고 적용된 주파수와 변형 모두는 에탄올아민 젤 시스템의 점탄성에 큰 영향을 미친다는 것을 동적 유변학 연구를 통해 알 수 있었다. 주파수 변화 실험에서 아가로스, 아가로스+PVP, 아가로스+SiO2을 젤화제로 사용한 에탄올아민 젤은 주파수에 따라 선형적인 변화를 나타내는 점탄성 유체였으며 PVP+SiO2를 젤화제로 사용한 젤은 주파수에 독립적인 점탄성 고체였다. 해당 젤 추진제들의 주파수에 따른 손실 계수 변화 역시 논하였다.
에탄올 젤: 메틸셀룰로오스(methylcellulose)를 젤화제로 사용한 금속화 및 비금속화 에탄올 젤과 유변학적 성질(유동 및 동적 변화 연구)을 알아보았다. 유변학적 연구를 통해 전단속도 범위 1-12 s-1에서 항복응력을 보이며, 전단속도 범위 1-12, 1-1000 s-1에서 전단속도가 증가하면 겉보기 점도가 감소하는 사실을 알 수 있었다. 모든 에탄올 젤들은 칙소성을 보였다. 동적 변화 연구에서 모든 젤의 선형 점탄성 구간은 변형%(1-10)에 독립적인 모습을 보였다. 저장탄성계수는 주파수에 따라 변화하였으며 손실탄성계수의 값을 상회했는데, 이것으로 고도로 결합된 젤 물질임이 확인되었다. 손실계수의 값은 모든 에탄올 젤들이 탄성을 가지면서 수많은 가교로 결합된 물리적으로 약한 젤임을 말해준다. 따라서 해당 젤들은 물리적으로 약한 젤로 분류된다.
과산화수소 젤: 과산화수소에 흄드 실리카(SiO2)를 젤화제로 하여 젤을 합성하였으며 유변학적 특성분석을 283.15, 293.15, 303.15 K에 대하여 수행하였다. 과산화수소 젤은 칙소성을 나타내었다. 전단속도 1-20 s-1의 범위에서 항복응력이 있었으며 겉보기 점도의 값은 전단속도에 따라 가파르게 낮아졌다. 특히 이 범위에서 겉보기 점도와 항복응력의 값은 온도가 높아질수록 더욱 급하게 감소하였다. 전단속도 범위 1-1000 s-1의 경우 겉보기 점도의 값이 온도에 따른 큰 차이를 보이지 않았다. 전단속도가 낮을 때나 높을 때나 온도에 따른 칙소성 지수의 변화는 크지 않았다. 동적 변화 연구에서 온도 298.15K의 젤은 변형에 독립적인 것으로 나타났다. 저장탄성계수의 값은 주파수의 변화에 따라 바뀌었으며 손실탄성계수의 값보다 컸는데 이는 고도로 결합된 젤에 가까움을 의미한다. 과산화수소 젤의 손실계수의 값은 수많은 가교로 결합되었음을 보여주며, 따라서 물리적으로 약한 젤로 구분할 수 있다.
자동점화성 이원 젤 추진시스템의 연구에서 총 세 종류의 촉매(Manganese (II) acetylacetonate, Copper (II) chloride and Manganese (II, III) oxide)를 사용했는데, 더 나은 결과를 위해 이들의 조합도 사용하였다. 이 혼합물들은 90%의 과산화수소 산화제와 빠르게 반응하였다. 에탄올, 에탄올아민(금속화 및 비금속화)과 manganese(II)aetylacetonate, copper(II) chloride를 조합하여 촉매로 사용한 경우(에탄올아민에서는 촉매 1%, 에탄올에서는 촉매 5%)에서만 90%의 과산화수소 추진제와 만나 빠르게 발화했다. 금속입자를 첨가했을 때 추진제의 자동점화성이 강화되었다. 순수한 에탄올 젤과 copper(II)chloride의 혼합물에서는 연기가 빠르고 강하게 발생했으나 연소는 일어나지 않았다.
저장성을 확인하기 위한 연구도 모든 젤에 대해서 수행되었으며 물리적으로 안정했다.
