KR101034400B1 - 과산화수소 단일추진제 추력기 - Google Patents

과산화수소 단일추진제 추력기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 과산화수소 단일추진제 추력기에 관한 것으로 내부에 과산화수소와 반응하는 활성 물질이 도포된 촉매가 충전되는 반응기; 상기 반응기에 추진제인 과산화수소를 공급하는 추진제 공급부; 및 상기 반응기로부터 발생된 가스를 분사시키는 분사 추진부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명에 따른 과산화수소 단일추진제 추력기는 하이드라진(hydrazine)을 대체하여 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추진제로 사용하여 발암성 물질을 이용한 개발과정에서 인적 및 재산적 위험요소를 제거하고 시험 및 개발 비용의 절감으로 경제적인 추력기를 제조할 수 있게 된다. 또한, 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분해하기 위하여 채널형태의 모노리스(monolith) 촉매 대신 펠렛(pellet) 형태의 촉매를 사용하여 반응기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있으며, 스크린(screen) 또는 모노리스(monolith) 촉매보다 월등한 촉매 표면적을 갖게 되어 분해 능력향상으로 보다 작고 고성능의 과산화수소(hydrogen peroxide) 추력기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
과산화수소, 단일추진제, 추력기, 추진제, 펠렛 촉매, 촉매, 로켓

Description

과산화수소 단일추진제 추력기{Hydrogen Peroxide Monopropellant Thruster}
본 발명은 친환경 추진제인 과산화수소(hydrogen peroxide)를 이용한 것으로 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기로 주입하여 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 촉매와 반응시켜 이를 스팀과 산소로 분해시키고 노즐을 통해 초음속으로 가속시켜 분사하여 추력을 얻는 과산화수소(hydrogen peroxide) 단일추진제 추력기에 관한 것이다.
인공위성 및 로켓 발사체는 임무 수행 도중 외란에 의해 자세가 흐트러지거나 궤도 이탈하게 된다. 이 때, 정상적인 임무 수행을 하도록 하기 위해서 적절한 임펄스를 주어 설정된 궤도 및 자세에 명령 추종하도록 하는데 이 때 추력기를 사용한다.
종래의 로켓이나 인공위성의 자세제어로 일반적으로 사용되는 추력기는 추진제로 하이드라진(hydrazine)을 사용하였으나 이는 매우 강한 발암성 물질로 이를 이용하여 추력기를 개발하고 시험 평가하는 데 어려움이 많을 뿐만 아니라 개발에 고가의 비용이 소요되는 문제점이 있다.
과거에는 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분해시키는 방법으로 은 스크린(silver screen)을 사용하였으나 이 방법은 촉매의 표면적을 증가시키는 데 한계가 있다는 단점이 있다.
최근에 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분해시키는 하니컴 또는 비드(bead)형태의 반응기 관련기술이 보고되고 있다. 이는 촉매를 이원화하여 추진제 기화용 촉매와 기화된 추진제 분해용 촉매로 나누어 추진제를 분해시켰으며, 모노리스(monolith) 촉매를 사용함으로써 추진제 분해를 위한 반응기가 매우 커져 추력기의 전체 부피가 증가되는 문제점이 있다.
따라서, 위험이 적고 개발 비용이 저렴한 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추진제로 사용하고 이를 효과적으로 분해하면서 반응기의 부피를 줄일 수 있는 추력기의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 무독성 물질인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추진제로 사용함으로써 개발과정에서의 인적 및 재산적 위험요소를 제거하고 시험 및 개발 비용의 절감으로 저렴한 비용의 추진제를 이용한 추력기를 제공하고자 한다.
본 발명은 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분해시키기 위한 촉매로 펠렛(pellet) 형태의 촉매를 사용함으로써 기존에 사용했던 채널형 촉매인 모노리스(monolith) 촉매를 사용하는 경우보다 반응기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있게 되어 경량화된 추력기를 제공하고자 한다. 또한, 스크린(screen) 또는 모노리스(monolith) 촉매보다 월등한 촉매 표면적을 갖게 되어 추진제 유량을 증가시켜 보다 작고 고성능의 과산화수소(hydrogen peroxide) 추력기를 제공하고자 한다.
본 발명은 내부에 과산화수소와 반응하는 활성 물질(111b)이 도포된 촉매(111)가 충전되는 반응기(110); 상기 반응기(110)에 추진제인 과산화수소를 공급하는 추진제 공급부(120); 및 상기 반응기(110)로부터 발생된 가스(134)를 분사시키는 분사 추진부(130); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매(111)의 지지체(111a)는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형상의 마이크로비드인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매(111)의 지지체(111a)는 다공성의 펠렛(pellet) 형태의 마이크로비드인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 촉매(111)의 지지체(111a)의 구직경은 300 ~ 5000 마이크로미터인 것을 특징으로 하기도 한다.
본 발명은 상기 촉매(111)의 활성물질(111b)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 상기 지지체(111a)는 무기 산화물인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 추진제 공급부(120)는 공급 입구(121)와 추진제를 상기 반응기(110)로 균일하게 전달하는 분사기(123)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 분사기(123)는 얇은 평판에 샤워헤드 형태의 다수개의 오리피스(124)가 균일하게 분포되어 가공되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 오리피스(124) 직경은 10 ~ 2000 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 추진제 공급부(120)는 상기 공급 입구(121)와 상기 분사기(123) 사이에 위치하여 추진제의 유출을 방지하는 입구 가스켓(122)을 포함하는 것을 특징으로 하기도 한다.
본 발명은 상기 분사 추진부(130)는 상기 반응기(110)로부터 유출되는 가스(134)의 흐름을 균일하게 유지하는 분배기(131)와 상기 분배기(131)를 통과한 가스(134)를 팽창시켜서 초음속으로 가속 시켜주는 노즐(133)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 분사 추진부(130)는 상기 분배기(131)와 상기 노즐(133)사이에 위치하여 상기 가스(134)의 유출을 방지하는 출구 가스켓(132)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이드라진(hydrazine)을 대체하여 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추진제로 사용하여 발암성 물질을 이용한 개발과정에서 인적 및 재산적 위험요소를 제거하고 시험 및 개발 비용의 절감으로 경제적인 추력기를 제조할 수 있게 된다.
본 발명은 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분해하기 위하여 채널형태의 모노리스(monolith) 촉매 대신 펠렛(pellet) 형태의 촉매를 사용하여 반응기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있으며, 스크린(screen) 또는 모노리스(monolith) 촉매보다 월등한 촉매 표면적을 갖게 되어 분해 능력향상으로 보다 작고 고성능의 과산화수소(hydrogen peroxide) 추력기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 의한 과산화수소 단일추진제 추력기의 분해 결합도를, 도 2 는 본 발명에 의한 과산화수소 단일추진제 추력기의 단면도를, 도 3 은 본 발명 에 의한 다수개의 오리피스(orifice)가 가공된 분사기의 평면도를, 도 4 는 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도를, 도 5 는 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대단면도를 나타낸다.
도 1 , 도 2 및 도 4 를 참조하면 과산화수소 단일추진제 추력기(100)는 크게 반응기(110), 추진제 공급부(120), 분사 추진부(130)로 구분된다. 상기 반응기(110)에는 촉매(111)가 충전되어 있고 상기 촉매(111)는 지지체(111a)와 활성 물질(111b)로 형성될 수 있다. 상기 추진제 공급부(120)는 공급 입구(121), 입구 가스켓(122), 분사기(123)를 포함하며 상기 분사기(123)에는 오리피스(124)가 형성될 수 있다. 상기 분사 추진부(130)는 분배기(131), 출구 가스켓(132), 노즐(133)을 포함하며 챔버(135)를 형성할 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 촉매(111)는 상기 반응기(110) 내부에 충전된다.
도 4 를 참조하면 상기 촉매(111)는 상기 지지체(111a)를 구성하는 넓은 표면적을 지닌 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드 표면에 상기 활성 물질(111b)을 코팅시켜 형성된다.
도 4 를 참조하면 상기 활성 물질(111b)은 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하는 물질이다. 상기 활성 물질(111b)은 백금(platinum), 은(silver), 파라듐( palladium), 이리듐(iridium) 등과 같은 귀금속 계열 금속이 거나 산화망간(manganese oxide), 산화철(oxidized steel) 등과 같은 전이금속(transition metal)의 산화물중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합이 될 수 있다. 상기 활성 물질(111b)은 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하여 가스(134) 즉, 기체 상태의 수증기와 산소를 발생시킨다.
도 2 를 참조하면 기존의 스크린(screen) 또는 모노리스(monolith) 형태의 촉매에 비하여 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 상기 촉매(111)를 사용하면 입자들 사이로의 기질의 이동이 용이하여 추진제의 분해속도가 빨라진다. 또한, 기존의 은 스크린(silver screen) 형태 촉매의 경우 촉매 표면적을 증가시키는데 한계가 있었으나 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 상기 촉매(111)를 사용하면 월등한 촉매 표면적을 가질 수 있어 추진제의 분해 속도가 빨라지고 추진제 유량의 증가로 인해 고성능 추력기를 구현할 수 있다.
도 5 를 참조하면 펠렛(pellet) 형태의 상기 촉매(111)는 다공성(多孔性)일 수 있다. 상기 지지체(111a)를 구성하는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드는 다수개의 구멍이 뚫려 있고 그 위에 상기 활성 물질(111b)을 코팅시켜 형성된다. 따라서, 공극이 최대가 되고 과산화수소(hydrogen peroxide)와 그레인(grain) 형태의 상기 활성 물질(111b) 입자간 접촉 면적도 극대화되어 반응속도가 빨라질 수 있다. 이에 따라, 추진제 유량이 증가되고 상기 단일추진제 추력기(100)의 효율을 높일 수 있다.
도 2 및 도 4 를 참조하면 상기 지지체(111a)는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드일 수 있다. 상기 지지체(111a)의 구직경은 추진제 의 분해 효율에 큰 영향을 미치며 300 ~ 5000 마이크로미터인 것이 바람직하다. 다수의 펠렛(pellet)의 직경을 실질적으로 동일하게 함으로써 펠렛(pellet)의 생산비를 절감할 수 있다. 반면에, 서로 직경이 다르고 수가 동일한 2종류의 펠렛(pellet)을 사용함으로써 입자상 물질의 포집율의 면에서 우수한 결과를 얻을 수도 있다. 상기 지지체(111a)는 물리화학적 특성이 우수해야 하며, 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하지 않아야 하므로 알루미나(aluminum oxide), 실리카(silicon dioxide), 티타니아(titania) 등과 같은 무기 산화물인 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 반응기(110)의 중공된 일측면에 상기 추진제 공급부(120)가 형성될 수 있고, 상기 반응기(110)의 대응되는 타측면에 상기 분사 추진부(130)가 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 추진제 공급부(120)는 상기 공급 입구(121)로 부터 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 주입되고 상기 분사기(123)를 통과하여 상기 반응기(110)로 전달되며 구조를 갖고 있다. 이하 상세히 살펴본다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 공급 입구(121)는 본 발명의 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 상기 분사기(123)로 전달할 수 있도록 주입구가 상기 분사기(123)의 일측면과 맞닿아 있으며 상기 반응기(110)의 중공된 일측면을 봉쇄하여 상기 반응기(110)의 마개 역할도 겸하고 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 입구 가스켓(122)은 상기 공급 입구(121)의 주입방향 측면의 직경보다 작으며 상기 공급 입구(121)에 결합될 수 있다. 따라서, 상기 공급 입구(121)와 상기 분사기(123)의 사이에 위치하게 되며 주입되는 과산화수소(hydrogen peroxide)가 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 특히, 본 발명의 경우 고농도의 과산화수소(hydrogen peroxide)로 대기압보다 높은 압력을 가해 제작될 수 있으므로 압력 차이로 인한 유출 위험이 따르게 되며 상기 입구 가스켓(123)이 이를 방지한다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 분사기(123)는 일측면이 상기 공급 입구(121)의 주입구와 맞닿아 있으며 타측면은 상기 반응기(110)를 봉쇄하여 상기 촉매(111)들이 이탈하지 않도록 마개 역할을 겸하고 있다. 상기 분사기(123)는 고농도의 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기 내부로 균일하게 공급해 주는 역할을 한다. 도 3 을 참조하면 상기 분사기(123)는 얇은 평판에 샤워 헤드(shower head)형태로 다수개의 상기 오리피스(124)가 균일하게 분포되어 가공되어 있는 형상일 수 있다. 상기 공급 입구(121)로부터 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 불규칙하게 불연속적으로 주입되더라도 상기 분사기(123)에서 분량을 조절하여 반응기 내부로 균일하게 공급해야 하므로 상기 오리피스(124)는 상기 분사기(123)상에 균일한 분포로 가공되어야 한다. 또한, 상기 분사기(123)를 통해 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)는 상기 촉매(111)와 반응하기 쉬운 기체 상태로 변환되어야 하며 상기 촉매(111)와 반응을 극대화하여 추진제의 유속을 증가시켜야 한다. 이를 위해 상기 오리피스(124)의 직경은 10 ~ 2000 마이크로미터인 것 이 바람직하다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 분배기(131)는 일측면이 상기 반응기(110)를 봉쇄하여 상기 촉매(111)들이 이탈하지 않도록 마개 역할을 하며 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 분해되면서 발생된 기체 상태의 수증기와 산소로 구성된 가스(134)를 상기 챔버(135)로 균일하게 전달해주는 역할을 한다. 도 1 을 참조하면 상기 분배기(131)에도 상기 분사기(123)와 같이 다수개의 오리피스(도면부호 미부여)가 균일하게 분포되어 가공되어 있다. 다만, 상기 분사기(123)에서의 오리피스(124)와 달리 상기 분배기(131)에서의 오리피스(도면부호 미부여)의 직경은 상당히 클 수 있으며 이는 이미 분해된 기체 상태의 수증기와 산소로 구성된 가스(134)를 상기 챔버(135)로 전달하기 때문이다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 출구 가스켓(132)은 상기 노즐(133)과 상기 반응기(110)의 사이에 위치하여 분사되는 상기 가스(134)가 다른 방향으로 분사되지 않도록 막아주는 역할을 한다. 기체 상태의 수증기와 산소로 구성된 상기 가스(134)를 분사하여 그 힘으로 로켓 또는 인공위성의 자세 제어를 하게 되므로 추력의 방향은 설정된 방향으로 집중되어야 하기 때문이다. 특히, 분사하는 상기 가스(134)의 압력이 매우 크므로 압력 차이로 인한 유출 위험이 따르게 되며 상기 출구 가스켓(132)이 이를 방지한다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 노즐(133)은 상기 공급 입구(121)가 봉쇄하고 있는 상기 반응기(110)의 중공된 일면과 반대면인 타측면을 봉쇄하여 형성될 수 있다. 상기 분배기(131)에서 분사된 가스(134)는 상기 챔버(135)에 체류되어 있다가 상기 노즐(133)을 통해 초음속으로 가속되면서 분사되며, 이는 본 발명에 의한 상기 단일추진제 추력기(100)의 추력원이 된다.
종래에 로켓 또는 인공위성의 추력기의 추진제로 하이드라진(hydrazine)을 사용하였다. 이를 분해하는 촉매로는 이리듐(iridium) 촉매가 사용된다. 하이드라진(hydrazine)은 액체 화학물질로 암모니아와 비슷한 냄새가 나고, 상태 변화와 밀도의 성질은 물과 유사하다. 발연성이 높아 로켓의 연료로 사용되기도 하나 인체 발암성이 높고 호흡기나 피부 등에 영향을 미칠 수 있는 유독성의 물질이다. 따라서, 개발과정에서의 인적 위험요소가 내재하고 있고 시험 및 개발에 고가의 비용이 소요되는 단점이 있다.
본 발명에 의한 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추력기의 추진제로 사용하는 경우 이는 무독성 물질이므로 위험 요소가 없으며 시험 및 개발에도 저렴한 비용이 소요된다. 또한, 하이드라진(hydrazine)의 구조적 성질은 비스듬하게 어긋난 형태를 보여주며 회전 장벽값이 높은 기체 상태의 과산화수소(hydrogen peroxide)의 구조적 성질과 유사하므로 대체하여 사용가능하다.
종래에 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분해하기 위해 스크린(screen) 또는 모노리스(monolith) 형태의 촉매를 사용하였으나 이는 촉매의 표면적을 증가시키는 데 한계가 있으며 추진제 분해를 위한 반응기가 매우 커져 추력기 전체 부피가 증가되는 단점이 있다.
본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태의 촉매는 반응기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있으며 월등한 촉매 표면적을 갖게 되어 추력기의 소형화, 경량화에 기여할 수 있고 분해 효율성 향상으로 고성능의 추력기를 구현할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
도 1 은 본 발명에 의한 과산화수소 단일추진제 추력기의 분해 결합도.
도 2 는 본 발명에 의한 과산화수소 단일추진제 추력기의 단면도.
도 3 은 본 발명에 의한 다수개의 오리피스(orifice)가 가공된 분사기의 평면도.
도 4 는 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.
도 5 는 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 추력기
110 : 반응기 111 : 촉매
111a : 지지체 111b : 활성 물질
120 : 추진제 공급부 121 : 공급 입구
122 : 입구 가스켓 123 : 분사기
124 : 오리피스
130 : 분사 추진부 131 : 분배기
132 : 출구 가스켓 133 : 노즐
134 : 가스 135 : 챔버(chamber)

Claims (12)

  1. 펠렛, 그레인 형상 또는 다공성 펠렛 형태의 마이크로비드로 이루어진 지지체(111a)에 과산화수소와 반응하는 활성 물질(111b)이 도포된 촉매(111)가 내부에 충전되는 반응기(110);
    공급 입구(121)와, 상기 공급 입구(121)를 통해 유입된 추진제를 상기 반응기(110)로 균일하게 전달하도록 얇은 평판에 샤워헤드 형태의 다수개의 오리피스(124)가 균일하게 분포되도록 가공된 분사기(123)를 포함하는 추진제 공급부(120); 및
    상기 분사 추진부(130)는 상기 반응기(110)로부터 유출되는 가스(134)의 흐름을 균일하게 유지하는 분배기(131)와 상기 분배기(131)를 통과한 가스를 팽창시켜서 초음속으로 가속 시켜주는 노즐(133)을 포함하여, 상기 반응기(110)로부터 발생된 가스(134)를 분사시키는 분사 추진부(130);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉매(111)의 지지체(111a)의 구직경은 300 ~ 5000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 촉매(111)의 활성 물질(111b)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 지지체(111a)는 무기 산화물인 것을 특징으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스(124) 직경은 10 ~ 2000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 추진제 공급부(120)는 상기 공급 입구(121)와 상기 분사기(123) 사이에 위치하여 추진제의 유출을 방지하는 입구 가스켓(122)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기.
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사 추진부(130)는 상기 분배기(131)와 상기 노즐(133)사이에 위치하여 상기 가스(134)의 유출을 방지하는 출구 가스켓(132)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기.
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