친환경 젤 추진제의 전기 분해 및 점화

Abstract

우주 개발의 핵심은 엔진의 개발이라 할 수 있다. 과거 대형 발사체 위주의 연구가 주로 수행 되었다면 최근에는 큐브 위성의 개발과 관련하여 추력기의 소형화에 관한 연구가 많이 수행되고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 하이드라진 추력기는 ~220 sec 수준의 비추력 특성을 가지고 있으며 많은 위성 시스템의 자세제어 추력기로 사용된 바가 있다. 그러나 이들의 높은 독성은 환경 문제 및 취급 문제로 인해 이를 대체하고자 하는 움직임이 활발하다. 과산화수소가 대체 후보군에 있으나 비추력이 낮은 특성을 가지고 있다. 이에 대해 새로운 추진제 합성 및 젤 추진제 적용이 제안 되었다. ‘친환경 추진제’라 불리는 ADN과 HAN 등 추진제는 특별한 보호 장구 없이 취급이 가능하며 생성물 또한 수증기가 다수를 차지한다. 젤 추진제의 경우 독성 추진제를 기반으로 하며 적절한 첨가제를 통해 증기압을 낮추고, 첨가제의 종류에 따라 비추력 특성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 이원 추진제의 연료로 사용되는 하이드라진 단일 추진제의 경우 젤 추진제는 오히려 비추력을 낮출 수 있는 단점을 가지고 있다. 반면 ADN과 HAN은 각각 27%, 33%의 높은 산소 균형(Oxygen balance)을 가지고 있어 산화제로 작용하며 적절한 젤 화제 첨가는 연료로 작용하여 예혼합 단일 추진제로 사용이 가능하다. 그러나 이들의 가장 큰 문제는 점화에 어려움이 있다는 점이다. 분해 시 발생하는 고온의 가스는 장기적으로 활성 촉매 손실로 인한 연소 효율 감소 및 지속적인 고온 고압의 환경에 노출된 촉매 지지체의 구조적 불안정성은 이들의 우주 추진제 적용에 큰 장애물로 작용한다. 이를 해결하기 위해 다양한 방법이 제시되었다. 본 연구에서는 ADN에 비해 상대적으로 합성이 용이한 HAN을 기반으로 하는 친환경 젤 추진제를 직접 합성하고 이온 특성을 갖는 HAN 추진제의 전기 점화를 통한 점화 특성에 대해 수행하였다. 실험 결과 기존에 비해 11% 수준의 전기에너지 소모를 통해 5 sec 수준의 점화 지연 시간을 얻을 수 있었다.