Ammonium dinitramide 기반 저 독성 단일추진제 시험을 위한 추력기의 설계 및 평가

Abstract

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.