액적낙하 실험을 기반으로 한 저독성 접촉점화 추진제 평가 연구 :Study of evaluating characteristics for non-toxic hypergolic propellant using the drop test method

박성현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박성현 (한밭대학교, 한밭대학교 대학원)

지도교수: 이종광

발행연도: 2022

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이용수19

이 논문의 연구 히스토리 (10)

2022

액적낙하 실험을 기반으로 한 저독성 접촉점화 추진제 평가 연구

박성현 기계공 2022.01 학위논문

2021

이온성 연료 기반의 저독성 접촉점화 추진제 점화 성능 평가

박성현 , 강홍재 , 이경환 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2021.07 학술대회자료

접촉점화 추진제의 액적낙하 실험 방법

박성현 , 강홍재 , 이경환 외 2명 대한기계학회 논문집 B권 2021.07 학술저널

질산 리튬의 혼합에 따른 접촉점화 추진제의 액적낙하 실험 평가

박성현 , 이경환 , 강홍재 외 1명 한국추진공학회 학술대회논문집 2021.05 학술대회자료

2020

우주추진 시스템을 위한 접촉점화 추진제 개발 현황

박성현 , 이경환 , 강홍재 외 2명 한국추진공학회 학술대회논문집 2020.11 학술대회자료

점화제 농도에 따른 저독성 접촉점화 추진제 성능 평가

박성현 , 이경환 , 강홍재 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.11 학술대회자료

친환경 접촉점화 추진제 연구 개발 동향

박성현 , 강홍재 , 박영철 외 1명 한국추진공학회지 2020.08 학술저널

접촉점화 추진제 평가를 위한 액적낙하 실험 방법

박성현 , 이경환 , 강홍재 외 1명 한국추진공학회 학술대회논문집 2020.07 학술대회자료

2019

접촉점화 추진제의 액적 낙하 실험 평가 방법

박성현 , 강홍재 , 이종광 한국추진공학회 학술대회논문집 2019.11 학술대회자료

친환경 저장성 접촉점화 연료의 연구 개발 동향 조사

박성현 , 강홍재 , 권세진 외 1명 한국추진공학회 학술대회논문집 2019.05 학술대회자료

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이 논문의 목적은 접촉점화 추진제의 점화 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 액적낙하 실험 기법을 구축하는 것이다. 또한, 액적낙하 실험을 기반으로 저독성 접촉점화 추진제 조합의 사전 평가 기법을 확립하는 것이다.
이 연구에서는 광/음향 센서를 적용하여 접촉점화 추진제의 점화 특성을 평가할 수 있는 액적낙하 실험 장치를 제작하였다. 기존의 액적낙하 실험은 이미지 분석 기법으로 점화지연시간을 측정하기 때문에 촬영 각도, 조명, 카메라 스펙 등 외부 요인이 실험 결과 해석에 영향을 미칠 수 있다. 이에 광/음향 센서를 적용하여 기존 실험 방법의 한계점을 극복하고 점화지연시간을 정량적으로 계측할 수 있는 실험 장치를 개발하였다. 또한, 광/음향 센서의 신호를 기반으로 접촉점화 메커니즘을 분석하고 점화지연시간을 측정할 수 있는 데이터 분석 기법을 확립하였다.
액적낙하 실험 기법을 기반으로 과산화수소 기반의 저독성 접촉점화 연료에 대한 사전 평가 기법을 확립하였다. 90% 과산화수소를 산화제로 사용하였으며, 문헌 조사를 통해 총 19종의 반응성 연료와 이온성 연료를 선정하였다. 총 7단계의 평가 과정을 통해 저독성, 이론 성능, 첨가물과의 혼화성, 물리적 특성(밀도, 점도, 발열량, 자연발화점, 인화점), 점화 성능, 저장성을 평가하는 연구를 진행하였다. 연료 후보군 중에서 독성이 높은 연료와 환원제와의 혼화성이 우수하지 않은 반응성 연료는 제외하였다. 평가 결과를 종합적으로 고려하여 저장성 평가를 수행할 반응성 연료와 이온성 연료를 1종씩 선정하였다. 반응성 연료로는 수소화붕소나트륨을 혼합한 tetraglyme이 선정되었으며, 이온성 연료로는 EMIM+ SCN-이 선정되었다. 두 연료는 저독성 물질로 평가되었으며, 밀도 비추력이 각각 413 g·s/cm3, 417 g·s/cm3으로 기존 맹독성 추진제보다 높은 수치를 갖는다. 또한, 점화지연시간은 9.3 ms, 32.3 ms로 측정되었다. 4주 저장성 평가는 저온, 상온, 고온 조건에서 수행되었다. 반응성 연료는 모든 조건에서 침전물이 다량 발생하였으며, 이온성 연료는 침전물이 확인되지 않았다. 또한, 모든 연료에서 물성 및 점화 성능의 변화는 확인되지 않았다.
사전 평가를 통해 반응성 연료와 이온성 연료의 기초적인 물성과 성능을 확인하였다. 반응성 연료가 이온성 연료에 비해 점화지연시간이 짧게 측정되었으며, 이온성 연료는 첨가물을 혼합하지 않아 저장성 측면에서 우수한 특성을 보였다. 이와 같이 저독성 접촉점화 연료의 평가 연구를 통해 다양한 추진제 조합의 성능을 사전에 평가할 수 있는 기준과 절차를 확립하였다.

The aim of this study is to develop a drop test method for evaluating ignition performance and a pre-evaluation method for non-toxic hypergolic propellants.
To quantify ignition delay time and analyze ignition characteristics, drop test equipment with optic and acoustic sensors was designed. The drop test method overcomes the limitations of the previous approach, which based on a high-speed camera and was affected by a wide range of experimental variables.
In seven steps, a pre-evaluation procedure for non-toxic hypergolic propellant with hydrogen peroxide was established. The oxidizer concentration was restricted to 90%. First, Literature analysis identified potential fuel candidates for the 19 species, including reactive fuels and ionic liquid fuels. The following steps were performed: non-toxicity, theoretical performance, solubility with ignition promoters for reactive fuel, physicochemical properties (density, viscosity, heating value, auto-ignition temperature, flash point), ignition performance, and storage stability evaluation. Some fuels are eliminated because of their toxicity and low solubility. The final step in this process was to conduct a four-week storage stability evaluation utilizing the fuel candidates selected in the preceding steps. The selected reactive fuel is tetraglyme with NaBH4, and the selected ionic liquid fuel is EMIM+ SCN-. Both materials have been shown to be non-toxic. The calculated density-Isp of tetraglyme and EMIM+ SCN- is 413 g·s/cm3, 417 g·s/cm3, and the ignition delay time is 9.3 ms, 32.3 ms, respectively. The concentration of additives for selected reactive fuel was determined using further drop test. As a result, tetraglyme introduced NaBH4 at 4 wt.%. A four-week storage stability test was carried out at low, room, and high temperatures. Reactive fuel produced sediments in all conditions, but ionic liquid fuel was seem to be clear.
In this study, a pre-evaluation method and procedure have been established to forecast the performance of non-toxic hypergolic propellants. Overall, reactive fuels performed better in terms of ignition performance than ionic liquid fuels; ionic liquid fuels had better storage stability than reactive fuel because of the absence of additives.

List of Tables
List of Figures
국 문 요 약
I. 서 론
1-1. 연구 배경
1-2. 과산화수소 기반의 저독성 접촉점화 추진제 연구 동향
1-3. 접촉점화 추진제의 점화 성능 평가 기법
1-4. 연구 목적
II. 접촉점화 추진제 점화 특성 평가를 위한 액적낙하 실험 기법
2-1. 액적낙하 실험 장치 개발의 필요성
2-2. 액적낙하 실험 장치 구축
2-3. 점화지연시간 측정 기법
2-4. 액적낙하 실험 조건 확립
2-4-1. 액적낙하 높이에 따른 실험
2-4-2. 과산화수소 농도에 따른 실험
2-4-3. 산화제와 연료의 질량비에 따른 실험
III. 접촉점화 연료의 선정을 위한 사전 평가
3-1. 저독성 접촉점화 연료 후보군 선정
3-2. 저독성 및 이론 성능 평가
3-3. 반응성 연료의 제조 및 환원제의 혼화성 평가
3-4. 기초 물성 및 조성 평가
3-4-1. 기초 물성 평가
3-4-2. 조성 분석
3-5. 추진제 점화 성능 평가
3-6. 연료 후보군 평가 결과
3-6-1. 반응성 연료의 환원제 농도 선정
IV. 저독성 접촉점화 연료의 4주 저장성 평가
4-1. 저장성 평가조건
4-2. 4주 저장성 평가 결과
4-2-1. 접촉점화 연료의 물성 및 조성 변화
4-2-2. 접촉점화 연료의 점화 특성 변화
V. 결론 및 고찰
VI. 참 고 문 헌
ABSTRACT

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