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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김태규
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 조선대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2018
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본 논문에서는 저 독성 추진제 및 촉매의 합성, 추진제 성능평가를 위한 추력기의 설계/제작을 진행 하였고 해당 추력기를 바탕으로 추진제 및 촉매의 성능 검증을 위한 추력기 및 추력 측정 시스템(TMS)을 설계/제작하여 성능 검증을 수행하였다.
현재 미국, 유럽, 중국 등 우주개발 선진국에서는 기존 발사체 및 인공위성 자세제어용 추력기에 활용되어 온 하이드라진 기반 추진제의 대체를 추진제의 연구개발이 활발하게 진행 중이다. 이를 위해서 저 독성 추진제로 활용이 가능한 다양한 후보 물질들이 있으며 이들의 물리적 요구조건으로는 비교적 독성이 낮고 하이드라진 기반의 추진제와 성능이 유사하거나 뛰어난 특성을 가질 것을 요구하고 있다. 이러한 조건을 만족하는 대표적인 저 독성 추진제 후보군으로는 Ammonium dinitramide(ADN), Hydroxylammonium nitrate(HAN), 그리고 Hydrazinium nitroformate(HNF)등이 있다. 하지만 국내에서는 해당 후보물질을 기반으로 한 저 독성 추진제와 관련하여 연구의 기술 성숙도(TRL)가 아직 기초 단계에 머물러 있으며 해당 추진제와 관련한 연구기반이 부족한 실정이다. 이를 위해서 저 독성 추진제 및 촉매의 선정에서 부터 추진제의 시험 및 성능평가를 위한 저 독성 추진제 테스트 시스템을 설계 및 제작을 진행 하였다.
ADN 기반 단일 추진제와 촉매의 합성을 수행하는 한편 저 독성 추진제와 촉매의 분해특성을 파악하기 위해 저 독성 추진제와 귀금속 촉매 표본을 Thermogravimetric Analysis(TGA)를 통해 분석을 수행하였다. 그리고 TGA를 통해 수집한 데이터를 바탕으로 등전환법을 통해서 추진제의 촉매 간 분해 특성을 비교분석하였다.
성능평가를 통해 선정된 촉매와 추진제의 연소실험 및 추력기 성능 평가를 수행하였다. 이를 위해서 1 N급 추력기의 설계를 진행하였다. 추력기의 설계를 위해 추진제의 화학평형을 Chemical Equilibrium with Application(CEA)을 통해 계산하였고 이를 통해 얻어진 수치를 바탕으로 추력기를 설계 및 제작하였다.
최종적으로 촉매, 추진제 및 추력기 실험결과를 분석 및 평가하였다. 촉매의 성능평가를 위해 Scanning Electron Microscopic(SEM) 및 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 분석을 진행하여 실험 전/후의 촉매의 성능 변화를 분석하였다. 그리고 선정된 촉매와 추진제간의 연소 성능평가를 시험용 추력기에 적용하여 진행하였다. 1 N급 추력기에 저 독성 추진제의 적용 시험을 진행하였다. 이때 TMS는 펜듈럼방식의 추력측정시스템으로 추력 마진 및 기타 충격으로부터 보호하기 위해 충분히 마진을 주고 설계하였다. 그리고 ADN 기반 저 독성추진제의 특성중 하나인 무연/무 화염 분해현상을 Mid-range Infrared(IR) 시각화를 진행하여 저 독성 추진제 분해현상 관측 및 성능 분석을 수행하였다.
현재 미국, 유럽, 중국 등 우주개발 선진국에서는 기존 발사체 및 인공위성 자세제어용 추력기에 활용되어 온 하이드라진 기반 추진제의 대체를 추진제의 연구개발이 활발하게 진행 중이다. 이를 위해서 저 독성 추진제로 활용이 가능한 다양한 후보 물질들이 있으며 이들의 물리적 요구조건으로는 비교적 독성이 낮고 하이드라진 기반의 추진제와 성능이 유사하거나 뛰어난 특성을 가질 것을 요구하고 있다. 이러한 조건을 만족하는 대표적인 저 독성 추진제 후보군으로는 Ammonium dinitramide(ADN), Hydroxylammonium nitrate(HAN), 그리고 Hydrazinium nitroformate(HNF)등이 있다. 하지만 국내에서는 해당 후보물질을 기반으로 한 저 독성 추진제와 관련하여 연구의 기술 성숙도(TRL)가 아직 기초 단계에 머물러 있으며 해당 추진제와 관련한 연구기반이 부족한 실정이다. 이를 위해서 저 독성 추진제 및 촉매의 선정에서 부터 추진제의 시험 및 성능평가를 위한 저 독성 추진제 테스트 시스템을 설계 및 제작을 진행 하였다.
ADN 기반 단일 추진제와 촉매의 합성을 수행하는 한편 저 독성 추진제와 촉매의 분해특성을 파악하기 위해 저 독성 추진제와 귀금속 촉매 표본을 Thermogravimetric Analysis(TGA)를 통해 분석을 수행하였다. 그리고 TGA를 통해 수집한 데이터를 바탕으로 등전환법을 통해서 추진제의 촉매 간 분해 특성을 비교분석하였다.
성능평가를 통해 선정된 촉매와 추진제의 연소실험 및 추력기 성능 평가를 수행하였다. 이를 위해서 1 N급 추력기의 설계를 진행하였다. 추력기의 설계를 위해 추진제의 화학평형을 Chemical Equilibrium with Application(CEA)을 통해 계산하였고 이를 통해 얻어진 수치를 바탕으로 추력기를 설계 및 제작하였다.
최종적으로 촉매, 추진제 및 추력기 실험결과를 분석 및 평가하였다. 촉매의 성능평가를 위해 Scanning Electron Microscopic(SEM) 및 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 분석을 진행하여 실험 전/후의 촉매의 성능 변화를 분석하였다. 그리고 선정된 촉매와 추진제간의 연소 성능평가를 시험용 추력기에 적용하여 진행하였다. 1 N급 추력기에 저 독성 추진제의 적용 시험을 진행하였다. 이때 TMS는 펜듈럼방식의 추력측정시스템으로 추력 마진 및 기타 충격으로부터 보호하기 위해 충분히 마진을 주고 설계하였다. 그리고 ADN 기반 저 독성추진제의 특성중 하나인 무연/무 화염 분해현상을 Mid-range Infrared(IR) 시각화를 진행하여 저 독성 추진제 분해현상 관측 및 성능 분석을 수행하였다.
목차
LIST OF FIGURES iiiLIST OF TABLES vNOMENCLATURE viABSTRACT xI. Introduction 1A. Classification of Rocket propulsion 71. Cold Gas Propulsion 82. Chemical Rocket Propulsion 8a. Solid Rocket Propulsion 8b. Liquid Rocket Propulsion 8c. Hybrid Rocket Propulsion 93. Electric Rocket Propulsion 9B. Development of Low-toxicity Propellant 15C. Suitable Catalyst in Propulsion System 26D. Domes t i c Re sear ch of Low-toxic i ty Propel lant based Propulsion System 31II. Experiments 35A. Propellant synthesis 351. Ammonium Dinitramide Synthesis 362. Synthesis of Liquid Monopropellant 36B. Catalyst Synthesis 38C. Catalyst Screening through Isoconversional Method 40D. Thruster & Thrust Measurement System(TMS) Design 43E. Visual izat ion of ADN Propel lant Exhaust Plume through Mid-range Infrared Observation 54III. Results and discussion 59A. Catalyst Selection through Isoconversional Methods 59B. Propellant/Catalyst Combustion Test 62C. Catalyst Mechanical Strength Analysis 65D. Thruster Test with Low-toxicity Propellant 69E. Visualization of Flameless Low-toxicity Propellant Combustion 78IV. Conclusion 81References 86
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