Experimental study of metalized and non-metalized ethanol based solid propellant for hybrid rocket engine

Abstract

하이브리드 로켓의1930년에 등장하였다. 하이브리드 로켓은 화학 로켓 추진 시스템의 한 종류로써 연료와 산화제 성분을 물리적으로 혹은 상태적으로 분리하여 저장하며 보통은 내부의 고체 그레인과 가스 혹은 액체 상태의 산화제의 분무 시스템으로 구성되어 있다. 하이브리드 로켓 추진 시스템은 기존의 액체, 고체 추진 시스템에 보다 안전성 향상, 고밀도의 에너지, 최소한의 환경 영향, 온-오프 성능 그리고 낮은 개발비용 과 관련해 많은 장점을 갖고 있다. 지금까지 HTPB/Paraffin 기반의 고체 연료를 사용할 때 고전적인 하이브리드 로켓 엔진은 보통 고체 추진 로켓과 비교하여 낮은 후퇴율을 보였다. 추가적으로 낮은 연소 효율, 낮은 질량 연소율, 구동 중 연료비에 대한 산화제의 변화가 관찰되었다. 이러한 단점들은 하이브리드 로켓 엔진을 위한 대체 가능한 고체 연료를 고려함으로써 개선될 수 있다. 에탄올은 재생 가능한 바이오 연료로써 현재 사용되는 기존의 하이브리드 로켓와 비교하여 친환경적이며 비용 효율적이다. 에탄올은 또한 액체 연료로서 널리 사용되며 독일의 V-2, Jupiter C, 미국의 Redstone Rocket에 사용되었다. 그리고 에탄올은 매우 훌륭한 로켓 연료이며 하이브리드 로켓에 사용하는 것은 매우 바람직하다. 하이브리드 로켓은 액체 산화제와 고체 연료를 사용하기 때문에 에탄올을 사용하기 위해서는 적절한 젤화를 통해 고체화되어야 한다. 본 연구의 전체적인 목표는 나노 사이즈의 금속이 첨가된 고체 연료 기반의 신개발 된 에탄올의 상대적인 추진력과 연소 거동을 확인하는 것이다. 이번 연구에서는 젤화제와 금속 입자의 농도를 변화시키면서 에탄올-MC, 에탄올-MC+Al, 에탄올-MC+B을 포함한 17개의 합성연료를 사용하였다. 합성된 모든 추진제 샘플은 전단율이 1 s-1 에서20 s-1 과1s-1 에서 1000 s-1 일 때 점탄성 거동을 보였다. 비금속화된 젤 추진제와 비교하여 금속화된 젤 추진제는 항복강도에서 큰 변화가 있었다. 높은 항복 강도는 취급, 저장, 운반을 용이하게 만든다. 진동분석을 통해 젤화제와 금속 입자의 농도가 무른 고체 에탄올 연료의 점탄성 특성을 결정하는 것을 확인했다. 모든 고체 에탄올 추진제는 1, 50, 100 Hz의 일정한 주파수에서 넓은 범위의 변형율에 독립적인 것을 확인 했다. G’와 G’’의 값은 주파수와 독립적인 것 또한 확인하였다. 본 연구에서 수행한 범위 내의 주파수에서 모든 추진제 샘플의G’는 G’’보다 더 높은 값을 가진다. 이러한 결과는 고상과 네트워크 변형 사이의 직접적인 차이를 확인 할 수 있게 한다. 전단율 범위, 젤화제, 나노 금속 입자의 농도는 모두 추진제 샘플의 유변학적 특성에 중요한 역할과 중대한 영향을 끼친다. 본 연구에서 중점적으로 확인 한 것은 하이브리드 로켓 엔진에 합성된 고체 연료를 사용하기 위해 필요한 특성은 상당한 범위의 변형율에서 높은 항복 강도, 높은 저장성, 점탄성이라는 것이다. 고체 에탄올 추진제의 연소열은 봄베 열량계로 측정하였다. 고체 에탄올 추진제의 연소열은 순수 액체 에탄올보다 28%-30% 적었다. 이유는 합성된 추진제 샘플들이 액체에서는 100%인 것과 비교해 68%-75%까지 변화하는 활성 에탄올을 포함하기 때문이다. 비금속화된 고체 에탄올 추진제 샘플은 완전 연소된 상태에서 H2O 와 CO2를 생성함으로써 잔류물을 남기지 않았다. 이것을 통해 비금속화된 고체 에탄올 추진제가 하이브리드 로켓에 사용되는 기존의 다른 추진제와 비교하여 친환경적인 추진제라는 것을 알 수 있다. 금속화된 추진제 샘플은 비금속화된 것과 비교하여 높은 열량을 갖는 것을 확인했다. 에탄올 - 15% MC+ 5% B 는 에탄올- 15% MC+ 5% Al과 비교하여 3.7%, 에탄올+ 17% MC과 비교하여 6.8% 높은 연소열을 발생했다. 금속화된 고체 에탄올 추진제 샘플은 완전 연소된 상태에서 H2O 와 CO2 뿐만 아니라 산화물을 생성하였다. 선택된 추진제 샘플의 선형 후퇴율의 압력 의존성은 일정한 부피의 다양한 테스트 압력에서 스트랜드 버너를 이용하여 측정했다. 선형 휴퇴율은 에탄올+ 15 % MC 에 대해서 챔버 압력이 80 psi 에서 220 psi까지 변할 때 58.25% 증가했고 에탄올+15 % MC+ 5 % Al에 대해서는 86.92% 증가했다. 평균 후퇴율과 평균 질량 연소율은 에탄올+ 15% MC과 에탄올+ 15% MC- 5% Al에 대해서 측정하였다. 후퇴율과 질량 연소율은 초기 챔버 압력과 압력의 증가 정도에 의존하는 것을 확인했다. 합성된 모든 샘플들은 열적 안정성 연구가 수행되었다. 에탄올+ 14 wt. % MC+ 2 wt. % B, 에탄올+ 15 wt. % MC+5 wt. % B, 에탄올+ 14 wt. % MC+5 wt. % B 가 가장 높은 임계 온도를 가졌고 이것은 다른 샘플들과 비교하여 가장 높은 열적 안정성을 갖는 다는 것을 의미한다.