고농도 과산화수소 하이브리드 로켓 설계 및 성능 평가

Abstract

우주 발사체 개발 경향은 최근 Space X사의 팔콘 발사체처럼 성능에서 가격 효율성에 무게를 두고 있다. 액체 및 고체 로켓의 장점을 합친 하이브리드 로켓은 저렴한 가격, 높은 안전성, 고체 로켓에 비해 높은 성능을 제공할 수 있다. 산화제로 과산화수소를 사용할 경우 높은 밀도로 인해 추진제 탱크가 소형화되고 취급하기 쉬우며 독성이 낮고 상온에서 액체로 존재하기 때문에 여러장점이 있다. 게다가 고농도 과산화수소 (90 wt.% 이상)인 95 wt.% 과산화수소를 사용할 경우 N2O보다 비추력이 높고 LOX와 밀도 비추력이 비등하다. 그러므로 고농도 과산화수소를 소형 위성 발사체나 과학 로켓, 준궤도 비행체 등등에 응용하려는 시도가 이어지고 있다. 그러나 이러한 시도는 고농도 과산화수소를 사용하여 실험으로 검증하지 않은 고체연료 후퇴율을 사용하여 설계에 문제가 있다. 본 연구에서는 상용 과산화수소 중 가장 농도가 높은 95 wt.% 과산화수소를 사용하여 폴리에틸렌의 고체연료 후퇴율을 측정하였다. 이를 위해 95 wt.% 과산화수소의 분해반응을 견딜 수 있는 고내구성 촉매를 개발하였다. 이를 위해 La/Al2O3 촉매 지지체를 개발하였고, X-Ray Diffraction (XRD), Bruauer-Emmett-Teller (BET), and bulk crushing strength (BCS)를 진행하였다. La/Al2O3 촉매 지지체의 다공성이 BET 비표면적 결과와 동일한 경향을 보이며 감소하였다. BCS는 기존 감마 알루미나에 비해 57.75% 증가하였다. 고내구성 촉매인 MnOx/La/Al2O3 촉매를 50 N 과산화수소 단일추진제 추력기에 적용하여 내구성을 평가하였다. 그 결과, 95 wt.% 과산화수소를 사용하였을 때 기존 MnOx/γ-Al2O3 촉매는 6.52% 손실을 입은 반면 고내구성 촉매인 MnOx/La/Al2O3는 1.09%만 손실되었다. 또한 고내구성 촉매는 시험 동안 안정적인 성능을 보였다. 내탄도 특성 측정을 위해 250 N 폴리에틸렌/과산화수소 하이브리드 로켓을 설계하였다. 95 wt.% 과산화수소를 사용해 산화제 질량속을 변경하며 연소 시험을 수행하였다. 그 결과 95 wt.% 과산화수소를 사용하였을 경우 평균 28.1%의 고체 연료 후퇴율을 보였다. 이는 더 높은 연소온도, 복사, 더 높은 산소 함량에 의한 확산 속도 증가와 연소 촉진 때문으로 보인다. 고체연료 후퇴율은 검증 시험과 데이터 재구축을 통해 확인하였다. 95 wt.% 과산화수소를 사용할 경우 최대 99%에 이르는 특성속도 효율을 관측하였으며, 안정적인 O/F비, 더 빠른 연소 지연을 보였다. 따라서 시스템을 디자인할 때 95 wt.% 과산화수소를 적용한다면 성능을 향상시키며 하이브리드 로켓의 약점을 보완할 수 있어 더 고성능 시스템을 설계할 수 있을 것이다.