KR20240048983A - Monopropellant thruster assembly for satellite using ADN-based monopropellant - Google Patents

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KR20240048983A
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윤호성
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Abstract

본 발명은 추진제 저장탱크로부터 추진제를 반응기에 공급하는 공급유로를 개폐하는 추력기 밸브; 공급된 추진제를 가열하는 열반응기 및 촉매물질로 분해 반응을 일으키는 촉매 반응기를 포함한 반응기; 상기 열 반응기의 외주면을 감싸 가열하는 히터; 상기 반응기에서 분해되어 발생하는 가스를 배출하는 노즐; 상기 추력기 밸브와 열 반응기를 구조적으로 연결하되 열 반응기에서 발생하는 열을 차단하는 열 배리어; 상기 열 배리어 내에 캐필러리 튜브 형태 분사기 및 상기 열 반응기 내에는 금속구가 배열되고, 촉매 반응기에는 촉매 담지체가 배열된 것을 특징으로 한다.The present invention includes a thruster valve that opens and closes a supply passage that supplies propellant from a propellant storage tank to the reactor; A reactor including a thermal reactor that heats the supplied propellant and a catalytic reactor that causes a decomposition reaction with a catalyst material; A heater that surrounds and heats the outer peripheral surface of the thermal reactor; a nozzle for discharging gas generated by decomposition in the reactor; a thermal barrier that structurally connects the thrust valve and the thermal reactor and blocks heat generated from the thermal reactor; It is characterized in that a capillary tube-shaped injector is arranged in the thermal barrier, metal spheres are arranged in the thermal reactor, and a catalyst carrier is arranged in the catalytic reactor.

Description

ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체{Monopropellant thruster assembly for satellite using ADN-based monopropellant}Monopropellant thruster assembly for satellite using ADN-based monopropellant}

본 발명은 ADN(Ammonium Dinitramide) 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체에 관한 것으로서, 상세하게는 반응기를 추진제를 기화하기 위한 열 반응기와 분해를 위한 촉매 반응기로 분리한 추력기 조립체에 관한 것이다. The present invention relates to a single-propellant thruster assembly for a satellite using an ADN (Ammonium Dinitramide)-based single propellant, and more specifically, to a thruster assembly in which the reactor is separated into a thermal reactor for vaporizing the propellant and a catalytic reactor for decomposition.

위성의 자세제어 용도로 사용되는 단일추진제 추력기는 액체 상태의 추진제를 반응기 내에서 기체로 분해 반응을 일으키고 추진제의 분해 후 발생하는 고온, 고압의 기체를 이용하여 추력을 발생시킨다.A single-propellant thruster used for satellite attitude control causes a reaction in which liquid propellant is decomposed into gas within a reactor and generates thrust using the high-temperature, high-pressure gas generated after decomposition of the propellant.

현재까지 위성용 자세제어 추력기에 널리 적용되는 하이드라진(N2H4) 추진제는 분자성 화합물로 증발압력이 상대적으로 높고, 독성이 커서 지상에서 취급하기에 어려움이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 대안 추진제로 연구되는 ADN 기반 단일추진제는 이온성 화합물로 하이드라진에 비해 증기압이 낮고, 독성이 낮다는 장점이 있어 지상에서 취급하기 용이한 대체 추진제로 연구가 지속되고 있다.Hydrazine (N 2 H 4 ) propellant, which is widely used in satellite attitude control thrusters to date, is a molecular compound that has a relatively high evaporation pressure and is highly toxic, making it difficult to handle on the ground. To improve these problems, the ADN-based monopropellant, which is being studied as an alternative propellant, is an ionic compound and has the advantage of lower vapor pressure and lower toxicity than hydrazine, so research continues as an alternative propellant that is easy to handle on the ground.

ADN 기반 단일추진제와 같은 이온성 추진제는 하이드라진에 비해 구성물질 간 결합력이 강하므로 추력기 내에서 분해반응을 시키기 위해 상대적으로 높은 활성화 에너지가 필요하여 반응기의 예열을 요구하므로 추력기 외부에 히터가 장착되어야 한다.Ionic propellants such as ADN-based monopropellants have a stronger binding force between components than hydrazine, so relatively high activation energy is required to cause a decomposition reaction within the thruster, which requires preheating of the reactor, so a heater must be installed outside the thruster. .

위성의 운용온도 및 추진제의 특성을 고려했을 때 ADN 기반 단일추진제는 0℃ ~ 50℃ 이내의 환경에서 저장되어야 한다. 이는 반응기에 분사되는 추진제의 온도 역시 이와 유사한 온도임을 의미한다.Considering the operating temperature of the satellite and the characteristics of the propellant, ADN-based single propellant must be stored in an environment within 0℃ to 50℃. This means that the temperature of the propellant injected into the reactor is also a similar temperature.

백금기반의 촉매와 ADN 기반 단일추진제와의 반응온도는 약 130℃ ~ 150℃ 정도로 알려져 있다. 이는 추진제 탱크에서 저장되어 있는 추진제가 추력기 내부에 분사될 때 약 100℃ 전후의 승온을 거쳐야 분해가 가능함을 의미한다. 따라서 추진제와 반응기 내부의 물질은 분해반응이 시작되기 전에 열 교환을 거치게 되고, 열 교환 후 추진제의 온도가 분해 가능 온도에 도달하게 되면 분해반응이 시작된다. 따라서 열 교환이 매우 빠르게 일어나지 않으면 분해되지 않은 추진제가 반응기에 축적되게 되고, 이는 추력기의 폭발 등 악작용을 야기한다.The reaction temperature between a platinum-based catalyst and an ADN-based single propellant is known to be approximately 130°C to 150°C. This means that the propellant stored in the propellant tank can be decomposed only after the temperature is raised to around 100℃ when sprayed inside the thruster. Therefore, the propellant and the materials inside the reactor undergo heat exchange before the decomposition reaction begins, and after the heat exchange, when the temperature of the propellant reaches the decomposition temperature, the decomposition reaction begins. Therefore, if heat exchange does not occur very quickly, undecomposed propellant accumulates in the reactor, which causes adverse effects such as explosion of the thruster.

일반적으로 단일추진제 추력기에 사용하는 촉매물질은 반응성을 높이기 위해 Al2O3와 같은 세라믹 기반의 지지체를 사용하지만, 세라믹 기반 지지체는 강도가 약하고 비열이 낮기 때문에 상온의 추진제가 촉매에 분사된 뒤 안정적으로 분해반응이 지속되기 위해서는 매우 높은 예열온도가 필요하다. 위성의 자세제어 추력기는 위성에서 전력을 공급받기 때문에 너무 높은 예열온도는 위성이라는 제한된 환경에서 운용되기에 적절하지 않다는 문제점이 있다. Generally, the catalyst material used in a single propellant thruster uses a ceramic-based support such as Al 2 O 3 to increase reactivity, but since the ceramic-based support has weak strength and low specific heat, it is stable after the propellant at room temperature is sprayed on the catalyst. In order for the decomposition reaction to continue, a very high preheating temperature is required. Since the satellite's attitude control thruster receives power from the satellite, there is a problem that the preheating temperature is too high and is not appropriate for operation in the limited environment of the satellite.

또한, 액체 상태의 추진제가 촉매에 직접 분사되어 열 교환이 이루어지게 되면 촉매 일부는 냉각되며, 국부적으로 냉각된 저온 영역에서 느린 분해반응이 발생하며 촉매에 추진제가 축적된다. 냉각되어 느린 분해과정 중인 추진제가 축적된 촉매는 반응이 지속됨에 따라 추진제 분해 에너지를 얻어 온도가 다시 상승하게 되고, 축적된 추진제를 일시에 분해할 수 있는 에너지를 얻게 되면 분해반응이 일어난다. 이때 촉매는 다량의 추진제가 액체에서 기체로 분해되는 과정에서 과도한 압력을 받게 되어 파손된다. 이 때문에 ADN 기반 단일추진제를 사용하는 추력기는 기존의 일반적인 단일추진제 추력기와는 다른 반응기 내 촉매를 보호하는 구조를 필요로 한다.In addition, when a liquid propellant is injected directly onto the catalyst and heat exchange occurs, part of the catalyst is cooled, a slow decomposition reaction occurs in the locally cooled low temperature region, and the propellant accumulates in the catalyst. As the reaction continues, the catalyst in which the propellant accumulated in the cooled, slow decomposition process gains propellant decomposition energy, causing the temperature to rise again, and when energy to decompose the accumulated propellant is obtained at once, a decomposition reaction occurs. At this time, the catalyst is damaged due to excessive pressure in the process of decomposing a large amount of propellant from liquid to gas. For this reason, a thruster using an ADN-based single propellant requires a structure to protect the catalyst in the reactor that is different from the existing general single propellant thruster.

한국등록특허 제10-1885829호Korean Patent No. 10-1885829

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 ADN 기반 단일추진제와 같은 이온성 추진제를 안정적으로 반응시키기 위한 추력기 조립체를 제공하고자 한다.In order to solve the above problems, the present invention seeks to provide a thruster assembly for stably reacting an ionic propellant such as an ADN-based single propellant.

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체는, 액체 ADN(Ammonium Dinitramide) 추진제 저장탱크로부터 액체 ADN 추진제를 반응기에 공급하는 공급유로를 개폐하는 추력기 밸브; 공급된 액체 ADN 추진제의 기화와 열분해를 위한 열 반응기와 기화된 추진제를 촉매물질로 후속 분해하는 촉매 반응기로 분리하여 구성된 반응기; 상기 반응기의 외주면을 감싸 가열하는 히터; 상기 반응기에서 분해되어 발생하는 가스를 배출하는 노즐; 상기 추력기 밸브와 열 반응기를 구조적으로 연결하되 열 반응기에서 발생하는 열을 차단하는 열 배리어; 상기 열 배리어 안쪽에 추력기 밸브에서 열 반응기로 추진제를 공급해주는 추진제 공급유로 분사기 및 상기 열 반응기 내에는 금속구가 배열되고, 촉매 반응기에는 촉매 담지체가 배열된 것을 특징으로 한다.The single-propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant according to the present invention for the above-described problem is a thruster valve that opens and closes the supply passage that supplies the liquid ADN propellant to the reactor from the liquid ADN (Ammonium Dinitramide) propellant storage tank. ; A reactor consisting of a thermal reactor for vaporization and thermal decomposition of the supplied liquid ADN propellant and a catalytic reactor for subsequent decomposition of the vaporized propellant into a catalytic material; A heater that surrounds and heats the outer peripheral surface of the reactor; a nozzle for discharging gas generated by decomposition in the reactor; a thermal barrier that structurally connects the thrust valve and the thermal reactor and blocks heat generated from the thermal reactor; Inside the thermal barrier, a propellant supply passage injector supplies propellant from the thruster valve to the thermal reactor, metal spheres are arranged within the thermal reactor, and a catalyst carrier is arranged in the catalytic reactor.

상기 열 반응기는 작동 전 히터로 300℃ ~ 400℃로 예열되는 것을 특징으로 한다.The thermal reactor is characterized in that it is preheated to 300°C to 400°C with a heater before operation.

상기 열 반응기와 촉매 반응기는 열 반응기 리테이너를 사용하여 구분하는 것을 특징으로 한다.The thermal reactor and the catalytic reactor are characterized by being distinguished using a thermal reactor retainer.

상기 촉매 반응기와 노즐은 촉매 리테이너를 사용하여 구분하는 것을 특징으로 한다.The catalytic reactor and the nozzle are characterized by being distinguished using a catalyst retainer.

상기 추력기 밸브는 이중구조인 것을 특징으로 한다.The thrust valve is characterized in that it has a dual structure.

상기 분사기는 일부분이 원형으로 회전하는 것을 특징으로 한다.The injector is characterized in that a portion rotates circularly.

상기 금속구는 스테인리스 스틸 재질인 것을 특징으로 한다.The metal sphere is characterized in that it is made of stainless steel.

상기 촉매는 Al2O3를 포함한 분쇄된 다공성 세라믹 지지체에 La, Ba, Si 등의 전이금속을 포함한 강화제와 Ir, Pt, Ru 등의 백금족 활성물질을 담지하여 형성한 것을 특징으로 한다.The catalyst is characterized in that it is formed by supporting a reinforcing agent containing transition metals such as La, Ba, and Si and a platinum group active material such as Ir, Pt, and Ru on a pulverized porous ceramic support containing Al 2 O 3 .

본 발명에 따른 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체는 추진제의 기화 및 열분해를 위한 열 반응기와 기화된 추진제의 후속 분해를 위한 촉매 반응기로 분리하여 구성함으로써 분해되지 않은 추진제가 반응기에 축적되어 폭발로 이어지는 사고를 방지할 수 있다.The single-propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant according to the present invention is composed of a thermal reactor for vaporization and thermal decomposition of the propellant and a catalytic reactor for subsequent decomposition of the vaporized propellant, so that undecomposed propellant accumulates in the reactor. Accidents leading to explosions can be prevented.

또한, 스테인레스 구와 같은 고내열성, 내산화성, 비열이 높은 열전달 물질로 구성되는 열 반응기를 사용함으로써 종래의 세라믹 기반 지지체가 강도가 약하고 비열이 낮아 상온의 추진제가 촉매에 분사된 뒤 안정적으로 분해반응이 지속되기 위해서는 매우 높은 예열온도가 필요하여 전력 소모가 많은 문제점을 해결하여 위성용 단일추진제 추력기로 활용할 수 있다.In addition, by using a thermal reactor made of a heat transfer material with high heat resistance, oxidation resistance, and high specific heat, such as a stainless steel sphere, the conventional ceramic-based support has weak strength and low specific heat, so that the decomposition reaction is stable after the propellant at room temperature is sprayed onto the catalyst. In order to last, a very high preheating temperature is required, which solves the problem of high power consumption and can be used as a single-propellant thruster for satellites.

도 1은 본 발명에 따른 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 추력기 조립체 중 열 배리어와 회전 원형 공급유로 뷴사기의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 회전 원형 공급유로의 분사기 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 리테이너의 평면도(a), 측면도(b), 메쉬(c) 및 리테이너 프레임(d)을 보여준다.
도 6은 본 발명에서 사용한 고내열성 촉매물질의 사진이다.
도 7은 1.6 mm STS 구를 열 반응기에 사용하였을 때의 반응기 내 온도 변화 그래프이다.
도 8은 3 mm STS 구를 열 반응기에 사용하였을 때의 압력 그래프이다.
도 9는 1.6 mm STS 구를 열 반응기에 사용하였을 때의 압력 그래프이다.
도 10은 1.0 mm STS 구를 열 반응기에 사용하였을 때의 압력 그래프이다.
Figure 1 is a block diagram of a single propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant according to the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view of a single propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant according to the present invention.
Figure 3 is a cross-sectional view of the thermal barrier and the rotating circular supply channel blower in the thruster assembly according to the present invention.
Figure 4 is a perspective view of an injector with a rotating circular supply flow path according to the present invention.
Figure 5 shows a top view (a), side view (b), mesh (c) and retainer frame (d) of a retainer according to the present invention.
Figure 6 is a photograph of the highly heat-resistant catalyst material used in the present invention.
Figure 7 is a graph of temperature change in the reactor when 1.6 mm STS spheres are used in the thermal reactor.
Figure 8 is a pressure graph when 3 mm STS spheres were used in the thermal reactor.
Figure 9 is a pressure graph when 1.6 mm STS spheres are used in the thermal reactor.
Figure 10 is a pressure graph when 1.0 mm STS spheres are used in the thermal reactor.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예와 도면을 참고하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 하나의 발명을 설명하기 위한 것으로서 권리범위는 예시된 실시예에 한정되지 아니하고, 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것을 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to specific examples and drawings. The embodiments of the present invention are intended to explain one invention, and the scope of rights is not limited to the illustrated embodiments, and the illustrated drawings are limited to the drawings because only the core contents are enlarged and incidental details are omitted for clarity of the invention. It should not be interpreted as such.

도 1은 본 발명에 따른 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체의 블록도이고, 도 2는 도 1 추력기 조립체의 단면도이다.Figure 1 is a block diagram of a single propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant according to the present invention, and Figure 2 is a cross-sectional view of the thruster assembly of Figure 1.

본 발명은 추진제 저장탱크로부터 액체 ADN 추진제를 반응기에 공급하는 공급유로를 개폐하는 추력기 밸브(10); 공급된 액체 ADN 추진제의 기화 및 열분해를 위한 열 반응기와 기화된 추진제를 촉매물질로 후속 분해하는 촉매 반응기로 분리하여 구성된 반응기(40); 상기 열 반응기의 외주면을 감싸 가열하는 히터(60); 상기 반응기에서 분해되어 발생하는 가스를 배출하는 노즐(50); 상기 추력기 밸브와 열 반응기를 구조적으로 연결하되 열 반응기에서 발생하는 열을 차단하는 열 배리어(30); 상기 열 배리어 내에 추진제 공급유로 겸 분사기(20) 및 상기 열 반응기(41) 내에는 금속구가 배열되고, 촉매 반응기(42)에는 촉매 담지체가 배열된 것을 특징으로 한다.The present invention includes a thruster valve (10) that opens and closes a supply passage that supplies liquid ADN propellant from a propellant storage tank to the reactor; A reactor (40) consisting of a thermal reactor for vaporization and thermal decomposition of the supplied liquid ADN propellant and a catalytic reactor for subsequent decomposition of the vaporized propellant into a catalytic material; A heater 60 that surrounds and heats the outer peripheral surface of the thermal reactor; A nozzle 50 that discharges gas generated by decomposition in the reactor; A thermal barrier 30 that structurally connects the thrust valve and the thermal reactor and blocks heat generated from the thermal reactor; Metal spheres are arranged in the propellant supply passage and injector 20 and the thermal reactor 41 within the heat barrier, and a catalyst carrier is arranged in the catalytic reactor 42.

본 발명에서의 추력기 조립체는 추력기 밸브의 작동을 통해 액체 추진제를 반응기(40)에 공급한다. 반응기는 히터(60)로 작동 전 300℃ ~ 400℃이하로 예열되어 있고, 작동 시에는 1400℃ 전후의 온도에 노출되기 때문에 반응기의 온도가 추력기 밸브에 영향을 주지 않도록 두 구조물은 열 배리어(30)로 연결되며, 추진제 공급 유로 겸 분사기(20)는 추력기 밸브(10)와 열 반응기(41)를 연결하여 추진제를 공급한다.The thruster assembly in the present invention supplies liquid propellant to the reactor 40 through the operation of the thruster valve. The reactor is preheated to below 300°C to 400°C before operation with the heater 60, and is exposed to a temperature of around 1400°C during operation. Therefore, the two structures are equipped with a heat barrier (30) to prevent the temperature of the reactor from affecting the thruster valve. ), and the propellant supply channel and injector (20) connects the thruster valve (10) and the thermal reactor (41) to supply propellant.

예열의 주 대상은 열 반응기(41)지만 실제로는 금속구와 촉매를 비롯한 반응기에 연결된 추력기 조립체 전체가 가열되므로 밸브를 열로부터 보호하기 위해 열 배리어를 사용한다.The main object of preheating is the thermal reactor 41, but in reality, the entire thruster assembly connected to the reactor, including the metal sphere and catalyst, is heated, so a thermal barrier is used to protect the valve from heat.

상기 분사기(20)는 열전달 면적을 최소화하기 위하여 추진제 공급유로를 캐필러리 튜브의 형태로 형성하고, 열팽창을 고려하고 열전달 길이를 증가시키기 위해 공급유로를 도 3 및 도 4와 같이 360°회전한 원형으로 형성한다. 본 발명에서는 별도의 분사기를 사용하지 않고 캐필러리 튜브의 끝 부분이 분사기 역할을 한다.The injector 20 forms the propellant supply passage in the form of a capillary tube to minimize the heat transfer area, and rotates the supply passage 360° as shown in Figures 3 and 4 to take thermal expansion into account and increase the heat transfer length. Form into a circle. In the present invention, the end of the capillary tube serves as an injector without using a separate injector.

캐필러리 튜브 형태의 공급유로와 분사기를 별도로 사용하게 되면 보통 용접을 하게 되므로 캐필러리 튜브와 분사기 사이에 공간이 발생한다. 반응기 내부는 작동 전 300℃ ~ 400℃로 예열되는데, 구조에 따라 다르지만 분사기는 반응기 외부와 연결되어 있으므로 400℃ 전후로 승온하게 된다. 이 경우 추진제가 주입되면 추진제 공급유로에서 분사기를 통해 반응기에 유입되기도 전에 추진제 공급유로와 분사기 사이에서 열분해에 의한 폭발이 발생할 가능성이 매우 높다. When the capillary tube-type supply passage and sprayer are used separately, they are usually welded, so a space is created between the capillary tube and the sprayer. The inside of the reactor is preheated to 300°C to 400°C before operation, but depending on the structure, the injector is connected to the outside of the reactor, so the temperature rises to around 400°C. In this case, when the propellant is injected, there is a very high possibility that an explosion due to thermal decomposition will occur between the propellant supply passage and the injector before it enters the reactor through the injector from the propellant supply passage.

우주비행체에 사용되는 일반적인 1N 추력기의 경우 캐필러리 튜브의 외경이 1.6 mm, 내경이 0.25 mm 정도이므로 별도의 분사기는 불필요하다. In the case of a typical 1N thruster used in space vehicles, the outer diameter of the capillary tube is about 1.6 mm and the inner diameter is about 0.25 mm, so a separate injector is not necessary.

주로 사용되는 단일추진제 분사기 추력범위는 일반적인 것이 1N 전후, 50N 전후, 200N 전후 정도 규모이며, 50N, 200N 규모에서는 1/4인치(6.35 mm), 3/8인치(9.53 mm) 배관의 추진제 공급유로를 사용하게 되지만, 이에 적합한 분사기 플레이트의 직경은 30 ~ 50 mm로 추진제 공급유로 끝부분에 분사기를 장착할 수 없는 구조이다.The generally used single propellant injector thrust range is generally around 1N, around 50N, and around 200N. At 50N and 200N, the propellant supply flow path is 1/4 inch (6.35 mm) and 3/8 inch (9.53 mm) pipe. However, the diameter of the injector plate suitable for this is 30 to 50 mm, so the injector cannot be mounted at the end of the propellant supply channel.

추력기 조립체의 구조상 밸브와 반응기의 거리가 멀면 진동 등의 외력에 취약해지므로 구조 지지물인 열 배리어가 더 튼튼해져야 한다. 예열이 불필요한 추력기의 경우 추진제 공급유로의 승온으로 인한 문제가 적기 때문에 직선형태의 짧은 추진제 공급유로를 사용할 수 있으나, ADN 기반 액체추진제 혹은 이와 유사한 예열이 필요한 구조물 혹은 밸브와 반응기 사이가 매우 짧을 경우 반응기에서 발생하는 열전달을 최소화하며, 설계유량에 맞는 추진제 유로의 길이가 필요할 때 본 발명과 같이 둥글게 말거나, 삼각형으로 꺾는 형태를 취할 수 있다.Due to the structure of the thruster assembly, if the distance between the valve and the reactor is long, it becomes vulnerable to external forces such as vibration, so the heat barrier, which is a structural support, must be stronger. In the case of a thruster that does not require preheating, a straight, short propellant supply channel can be used because there are few problems due to the temperature rise of the propellant supply channel. However, in the case of ADN-based liquid propellant or similar structures that require preheating, or if the distance between the valve and the reactor is very short, the reactor It minimizes the heat transfer that occurs in the , and when the length of the propellant flow path suitable for the design flow rate is required, it can be rolled round or bent into a triangle as in the present invention.

압력강하는 유로 길이에 비례하고, 유로 단면적에 반비례한다. 유량과 압력강하 측면에서는 캐필러리 튜브를 짧게 하고 크림핑부를 적용하면 같은 효과가 나지만, 예열에 의한 열전달 방지를 위해 캐필러리 튜브의 일정 길이가 필요하며, 밸브와 반응기 사이의 물리적 거리를 최소화하기 위해 튜브를 한 바퀴 감는 형태(21)가 바람직하다.Pressure drop is proportional to the channel length and inversely proportional to the channel cross-sectional area. In terms of flow rate and pressure drop, the same effect can be achieved by shortening the capillary tube and applying a crimping part, but a certain length of the capillary tube is required to prevent heat transfer due to preheating, and the physical distance between the valve and the reactor is minimized. To do this, a form (21) in which the tube is wound one turn is preferable.

열 배리어(30)에 구멍이 뚫려있는 것은 환형의 튜브가 모두 열전달이 가능한 면적이 되기 때문에 중간에 구멍을 뚫어 열전달 면적을 최소화하기 위함이며, 경우에 따라서는 구멍을 안 뚫고 원통 튜브모양의 열배리어를 그대로 적용하는 경우도 있다. 열 배리어에 구멍을 뚫으면 그만큼 기계적 강성이 취약해진다. The reason why there are holes in the heat barrier (30) is to minimize the heat transfer area by drilling holes in the middle because all the annular tubes have an area where heat can be transferred. In some cases, a cylindrical tube-shaped heat barrier is formed without making holes. In some cases, it is applied as is. If a hole is drilled in the heat barrier, the mechanical rigidity becomes weaker.

분사기는 열 반응기에 연결되며, 열 반응기는 고 내열성, 내 산화성, 비열이 높은 금속구를 사용하는 것이 바람직하다. 열 반응기를 예열하기 위해 주변에 히터를 감아 히터의 열이 열 반응기에 잘 공급되도록 한다.The injector is connected to a thermal reactor, and it is desirable to use a metal sphere with high heat resistance, oxidation resistance, and high specific heat for the thermal reactor. To preheat the thermal reactor, wrap a heater around it to ensure that the heat from the heater is well supplied to the thermal reactor.

금속구가 배열된 열 반응기와 고내열성 촉매가 배열된 촉매 반응기는 열 반응기 리테이너(retainer,43)를 이용해 구분하며, 열 반응기 리테이너(43)를 고정하기 위해 반응기의 하우징을 단차(45)가 있게 가공한다. The thermal reactor in which metal spheres are arranged and the catalytic reactor in which high heat-resistant catalysts are arranged are distinguished using a thermal reactor retainer (43), and the housing of the reactor is provided with a step (45) to secure the thermal reactor retainer (43). Process.

고내열성 촉매 반응기(42)는 열 반응기(41)를 통해 기화된 추진제를 완전 분해할 수 있도록 활성점과 비표면적이 큰 것이 바람직하다.The highly heat-resistant catalytic reactor (42) preferably has a large active point and a large specific surface area so that the propellant vaporized through the thermal reactor (41) can be completely decomposed.

촉매 리테이너(44)는 촉매의 위치를 고정해 주는 것으로 추력기가 장기 작동함에 따라 촉매의 일부가 소실 될 가능성이 있고, 촉매에서 소실되는 입자들이 노즐 목을 막을 수 있기 때문에 촉매의 크기와 노즐 목의 크기를 고려하여 리테이너를 구성하는 메쉬(47)는 충분히 작은 것으로 하는 것이 바람직하다.The catalyst retainer 44 fixes the position of the catalyst, and as the thruster operates for a long period of time, there is a possibility that part of the catalyst may be lost, and the particles lost from the catalyst may block the nozzle throat, so the size of the catalyst and the nozzle throat are affected. Considering the size, it is desirable that the mesh 47 constituting the retainer is sufficiently small.

도 5의 (a)는 열 반응기 리테이너(43)의 평면도이고 (b)는 측단면도이고 (c)는 메쉬를 보여주고 (d)는 리테이터(43) 프레임을 보여준다. 리테이너 프레임에 메쉬를 올려놓은 것이 리테이너로 열 반응기와 촉매 반응기의 리테이너는 크기만 다를 뿐 형상은 유사하다.Figure 5 (a) is a top view of the thermal reactor retainer 43, (b) is a side cross-sectional view, (c) shows the mesh, and (d) shows the retainer 43 frame. The mesh placed on the retainer frame is a retainer. The retainers of the thermal reactor and the catalytic reactor are similar in shape with only a different size.

본 발명에서의 고내열성 촉매는 감마 상태의 알루미나를 강화제와 함께 열처리하여 헥사알루미네이트 구조를 만든 것으로, 종래 기술의 알파상 알루미나에 비해 비표면적이 크고, 감마상에 비해 강도가 높은 것이 특징이다. 알파상의 경우 알루미나를 1,200℃ 이상에서 열처리하여 생성하는데, 강도는 매우 강해지나 비표면적이 크게 감소하여 활성도가 감소한다. 감마상은 750℃ 이하의 알루미나로 비표면적이 매우 높으나, 1,200℃ 이상에서 알파상으로 소결되면서 상변환되므로 ADN 기반 액체추진제에 적합하지 않다. 감마상의 알루미나를 이용한 촉매는 주로 과산화수소, 하이드라진 추력기에 적용된다. The highly heat-resistant catalyst in the present invention is made by heat-treating gamma-state alumina with a reinforcing agent to create a hexaaluminate structure, and is characterized by a larger specific surface area than the alpha-phase alumina of the prior art and higher strength than the gamma-phase. In the case of the alpha phase, it is produced by heat-treating alumina at over 1,200°C, and the strength is very strong, but the specific surface area is greatly reduced and the activity is reduced. The gamma phase is alumina below 750℃ and has a very high specific surface area, but it is not suitable for ADN-based liquid propellants because it undergoes a phase transformation as it sinters into the alpha phase above 1,200℃. Catalysts using gamma-phase alumina are mainly applied to hydrogen peroxide and hydrazine thrusters.

ADN 기반 액체추진제의 이론적 분해온도는 1,600℃ 후반이며 실제로 1N 추력기에서 작동하면 1,400℃ ~ 1,500℃ 수준의 온도가 측정된다. 본 발명에서의 고내열성 촉매는 La 강화제를 알루미나와 함께 1,400℃ 이상에서 열처리하여 헥사알루미네이트 구조로 만든 것이 특징이다. 헥사알루미네이트 구조는 고온에서 전이금속 강화제와 함께 열처리할 때 생성되는 구조이다. 헥사알루미네이트 구조는 감마상에 비해 비표면적이 낮지만, 촉매반응에 필요한 정도의 비표면적을 가지며, 강도는 알파상에 준할 정도로 강한 것이 특징이다. The theoretical decomposition temperature of ADN-based liquid propellant is in the late 1,600°C, and when actually operated in a 1N thruster, the temperature is measured at the level of 1,400°C to 1,500°C. The high heat resistance catalyst in the present invention is characterized by heat-treating the La reinforcer with alumina at over 1,400°C to form a hexaaluminate structure. The hexaaluminate structure is a structure created when heat-treated with a transition metal reinforcing agent at high temperature. Although the hexaaluminate structure has a lower specific surface area than the gamma phase, it has a specific surface area necessary for catalytic reaction and is characterized by a strength comparable to that of the alpha phase.

담지체는 강화제의 경우 La, Ba, Si 등의 전이금속이며, 활성금속은 Pt, Ir, Ru 등의 백금계열 귀금속이다. 본 발명에서는 La를 강화제로, Pt를 활성금속으로 사용한다. ADN 기반 액체추진제는 분해반응 중 산소가 발생하고, 촉매는 고온 환경에 강산에 노출되므로 지지체가 파손되는 것뿐만 아니라 소결 등의 상변환이 발생하지 않아야 하고, 활성물질이 산화되지 않아야 한다. 추진제 자체에 암모니아와 질소 성분이 많아 열을 가하면 단순히 반응하는 물질은 많지만, 고온, 강산, 산화라는 조건에서 장시간 견뎌낼 수 있는 물질은 백금족 귀금속류로 한정된다.The carrier is a transition metal such as La, Ba, and Si in the case of the reinforcing agent, and the active metal is a platinum-based noble metal such as Pt, Ir, and Ru. In the present invention, La is used as a reinforcing agent and Pt is used as an active metal. ADN-based liquid propellant generates oxygen during the decomposition reaction, and the catalyst is exposed to strong acids in a high-temperature environment, so not only the support is damaged, but also phase transformation such as sintering must not occur, and the active material must not be oxidized. The propellant itself contains a lot of ammonia and nitrogen, so there are many substances that simply react when heated, but substances that can withstand long-term conditions of high temperature, strong acid, and oxidation are limited to platinum group precious metals.

본 발명의 추력기 조립체는 구조적으로는 추력기 밸브와 열 배리어, 하우징, 반응기 및 노즐이 연결되어 있으며, 내부적으로는 추력기 밸브(11,12)와 분사기(20), 열 반응기(41), 촉매 반응기(42)로 구성되어 있다. 구조적인 연결은 추력기 외부에서 가해지는 진동/충격과 추력기 내부에서 발생하는 고온/고압에서 추력기 조립체의 형상을 유지하기 위함이며, 내부적인 연결은 추진제를 안정적으로 분해하고 추력기가 목적에 정상 작동하기 위함이다.The thruster assembly of the present invention is structurally connected to a thruster valve, a heat barrier, a housing, a reactor, and a nozzle, and internally includes thruster valves 11 and 12, an injector 20, a thermal reactor 41, and a catalytic reactor ( 42). The structural connection is to maintain the shape of the thruster assembly under vibration/shock applied from outside the thruster and the high temperature/pressure generated inside the thruster, and the internal connection is to stably decompose the propellant and ensure that the thruster operates normally for its intended purpose. am.

ADN 기반 액체추진제는 고체의 ADN염을 용해하여 제작되기 때문에 진공에 노출될 경우 용매가 증발하여 ADN염이 다시 석출 될 가능성이 있다. 밸브 내에서 ADN염이 석출될 경우 밸브의 무빙파트가 고착되어 밸브가 정상적으로 작동되지 않을 가능성이 있다. 따라서 추력기 밸브는 반복 작동 중 기밀성능이 저하될 것을 고려하여 이중구조(redundancy, 11, 12)로 제작되는 것이 바람직하다. Since ADN-based liquid propellants are produced by dissolving solid ADN salts, when exposed to vacuum, the solvent may evaporate and the ADN salts may precipitate again. If ADN salts precipitate within the valve, the moving parts of the valve may become stuck and the valve may not operate normally. Therefore, it is desirable that the thruster valve be manufactured in a redundancy structure (11, 12) considering that the airtightness performance may deteriorate during repeated operation.

또한, 추력기 밸브 내에는 추진제가 계속 저장되어 있으므로, 추력기 밸브가 인라인 타입(in-line type)으로 제작될 경우 코일에서의 발열이 추진제에 영향을 미치지 않도록 저전력으로 제작되는 것이 바람직하다. 추진제는 열에 굉장히 민감하므로 코일의 발열이나 외부의 열이 전달될 경우 밸브 내에서 추진제의 폭발이 발생할 가능성이 있다.In addition, since the propellant is continuously stored in the thruster valve, when the thruster valve is manufactured as an in-line type, it is desirable to manufacture it at low power so that heat generated in the coil does not affect the propellant. The propellant is very sensitive to heat, so if the coil heats up or external heat is transferred, there is a possibility that the propellant will explode within the valve.

추력기 밸브와 반응기를 구조적으로 연결하는 열 배리어(30)는 추력기 외부에 가해지는 진동/충격으로부터 파손되지 않을 정도의 두께를 가지며, 반응기에서 발생하는 열이 추력기 밸브에 전달되지 않도록 열전달 면적을 고려하여 제작되어야 한다.The heat barrier 30, which structurally connects the thruster valve and the reactor, has a thickness that is sufficient to prevent damage from vibration/impact applied to the outside of the thruster, and the heat transfer area is considered to prevent heat generated in the reactor from being transferred to the thruster valve. It must be produced.

추력기 밸브와 반응기를 연결하는 분사기(20)는 분사기 압력손실과 열전달 면적을 고려하여 두께와 직경, 길이를 설정하여야 한다. 1N급 ADN 기반 액체추진제 추력기의 경우 약 50 mm의 길이와 1/16″이하의 외경을 갖는 캐필러리 튜브이면 열전달 측면에서 적절하다. 분사기 내경은 추진제 유량과 연소실 압력에 따라 달라질 수 있다. 반응기 작동에 따라 분사기 온도는 200℃ ~ 300℃ 수준까지 상승할 수 있으므로 승온에 따른 열팽창을 고려하여 분사기는 직선이 아닌 일부가 원형으로 회전 하는 것이 바람직하다.The thickness, diameter, and length of the injector 20 that connects the thruster valve and the reactor must be set in consideration of the injector pressure loss and heat transfer area. For a 1N class ADN-based liquid propellant thruster, a capillary tube with a length of approximately 50 mm and an outer diameter of 1/16″ or less is appropriate in terms of heat transfer. The injector inner diameter can vary depending on the propellant flow rate and combustion chamber pressure. Depending on the operation of the reactor, the temperature of the injector may rise to the level of 200°C to 300°C. Therefore, considering thermal expansion due to temperature increase, it is preferable that the injector rotates in a circular manner rather than in a straight line.

추력기의 정상 작동을 위해 추력기 밸브 작동 전 히터를 작동시켜 열 반응기 내부 온도를 300℃ ~ 400℃로 승온시킨다. 예열 온도는 촉매의 종류와 양, 열 반응기의 종류와 양에 따라 다르지만 추력기의 응답속도 측면에서는 열 반응기의 온도가 높을수록 바람직하다. 하지만 열 반응기의 온도는 히터의 작동시간, 에너지소모와 연관되어 있기 때문에 위성의 임무에 따라 적절한 예열 온도를 설정해야 한다.For normal operation of the thruster, operate the heater before operating the thruster valve to increase the temperature inside the thermal reactor to 300℃ ~ 400℃. The preheating temperature varies depending on the type and amount of catalyst and the type and amount of the thermal reactor, but in terms of the response speed of the thruster, the higher the temperature of the thermal reactor, the more preferable. However, because the temperature of the thermal reactor is related to the heater's operation time and energy consumption, an appropriate preheating temperature must be set according to the satellite's mission.

열 반응기의 예열 온도는 추진제가 주입된 후 열 반응기가 냉각되었을 때 어느 온도를 유지하느냐에 따라 달라진다. ADN 기반 액체추진제가 충분히 기화되었으리라고 판단되는 150℃ 이상의 온도가 열 반응기의 최저 온도 기준이 된다. 만약 열 반응기의 온도가 150℃ 이하가 될 경우 분해반응이 느려지고, 악작용이 발생할 가능성이 있다. The preheating temperature of the thermal reactor depends on the temperature maintained when the thermal reactor is cooled after the propellant is injected. A temperature above 150°C, at which the ADN-based liquid propellant is judged to be sufficiently vaporized, is the minimum temperature standard for the thermal reactor. If the temperature of the thermal reactor is below 150℃, the decomposition reaction may slow down and adverse effects may occur.

열 반응기는 스테인리스 구를 비롯한 다양한 금속 재질의 구를 사용할 수 있다. 반응기 내부 온도가 1000℃ 이하에 노출될 것을 고려하여 내열성, 내산화성이 좋고, 열전달 및 비열이 높은 금속을 사용할 수 있다. 본 발명에서 열 반응기를 구성하는 스테인리스 구는 1 ~ 3 mm의 크기를 가진다. 작은 구는 열 반응기를 더 조밀하게 채우며, 추진제와 더 많은 표면적에서 접촉하여 열 교환이 이루어진다. 하지만 기화된 추진제의 유동면적을 감소시키므로 불필요한 압력손실이 발생한다. 큰 구는 더 작은 표면적에서 추진제와 접촉하여 열 교환 효율이 상대적으로 감소하지만, 열 반응기에서 발생하는 압력손실이 감소한다. 또한 연소 안정성이라고 표현할 수 있는 압력섭동 측면에서 작은 구가 더 바람직한 시험결과를 보였다. The thermal reactor can use spheres made of various metal materials, including stainless steel spheres. Considering that the reactor's internal temperature will be exposed to 1000°C or lower, a metal with good heat resistance and oxidation resistance and high heat transfer and specific heat can be used. The stainless steel sphere constituting the thermal reactor in the present invention has a size of 1 to 3 mm. Smaller spheres pack the thermal reactor more densely and provide more surface area in contact with the propellant for heat exchange. However, unnecessary pressure loss occurs because it reduces the flow area of the vaporized propellant. The larger spheres contact the propellant at a smaller surface area, which results in a relative reduction in heat exchange efficiency, but also reduces the pressure losses occurring in the thermal reactor. In addition, the smaller sphere showed more desirable test results in terms of pressure perturbation, which can be expressed as combustion stability.

일반적으로 단일추진제 추력기는 추진제를 촉매에 분사할 경우 분해반응이 이루어진다. 활성화 에너지가 충족되는 온도 등 적절한 분해조건이 갖추어질 경우 종래의 반응기로도 추진제는 분해되고 단일추진제 추력기는 작동한다. 예를 들어 90% 이상의 과산화수소를 단일추진제로 사용하는 추력기의 경우 상온(300 K)에서 촉매반응이 이루어지므로 작동될 수 있다. Generally, in a single propellant thruster, a decomposition reaction occurs when the propellant is sprayed onto the catalyst. If appropriate decomposition conditions, such as a temperature that satisfies the activation energy, are met, the propellant is decomposed in a conventional reactor and the monopropellant thruster operates. For example, a thruster that uses more than 90% hydrogen peroxide as a single propellant can operate because the catalytic reaction occurs at room temperature (300 K).

상온에서 촉매반응을 하지만 상온에서는 약간 느린 반응이며, 온도가 조금 상승하면 빠른 반응을 할 수 있는 하이드라진 추력기는 하나의 반응기 구조가 주로 사용한다. Although it carries out a catalytic reaction at room temperature, it is a slightly slow reaction at room temperature, and the hydrazine thruster, which can react quickly when the temperature rises slightly, is mainly used as a single reactor structure.

그러나 ADN 기반 액체추진제는 작동을 위해 높은 활성화 에너지를 필요로 하기 때문에 촉매반응 이전에 열 교환에 의한 추진제 승온이 필요하며, 촉매의 지지체로 사용하는 알루미나의 비열과 예열온도로는 추진제 승온에 필요한 열량을 감당할 수 없다. 또한 종래의 금속 모노리스의 경우에도 금속이기 때문에 추진제의 상변화에 의한 압력을 감당해낼 수 있지만 밀도가 낮기 때문에 마찬가지로 예열 시 추진제의 승온에 필요한 열량을 줄 수 없다. However, because ADN-based liquid propellant requires high activation energy for operation, it is necessary to raise the temperature of the propellant by heat exchange before the catalytic reaction. The specific heat and preheating temperature of alumina used as a catalyst support determine the amount of heat required to raise the temperature of the propellant. can't afford it. In addition, in the case of conventional metal monoliths, because they are metals, they can handle the pressure caused by the phase change of the propellant, but because they have low density, they cannot provide the amount of heat necessary to raise the temperature of the propellant during preheating.

ADN의 분해반응은 아래와 같이 상대적으로 복잡하며, 과산화수소(H2O2 -> H2O + O2)나, 하이드라진 (N2H4 -> NH3 + N2 -> N2 + H2)과 달리 여러 단계의 분해경로를 갖기 때문에 상온에서 촉매반응으로 인한 분해가 잘되지 않는다. The decomposition reaction of ADN is relatively complex as shown below, and hydrogen peroxide (H 2 O 2 -> H 2 O + O 2 ) or hydrazine (N 2 H 4 -> NH 3 + N 2 -> N 2 + H 2 ) Unlike other products, it does not decompose easily due to catalytic reactions at room temperature because it has a multi-step decomposition path.

ADN 기반 액체추진제를 안정적으로 장시간 분해할 수 있는 것은 백금족의 활성물질이며, 이의 활성온도는 130℃ ~ 150℃ 수준이다. ADN의 아래 분해반응은 하나의 예시로 아직도 많은 연구가 진행 중이다.It is the platinum group active material that can stably decompose ADN-based liquid propellant for a long time, and its activation temperature is around 130℃ to 150℃. The decomposition reaction below of ADN is an example, and much research is still in progress.

상기와 같은 이유로 본 발명에서는 추진제를 바로 촉매 분해하하지 않고 1차적으로 열 반응기에서 열분해를 통해 추진제를 분해하는 추력기 구조를 제안한다.For the above reasons, the present invention proposes a thruster structure in which the propellant is first decomposed through thermal decomposition in a thermal reactor rather than directly catalytically decomposing the propellant.

본 발명의 고내열성 촉매는 Al2O3와 같은 분쇄된 다공성 세라믹 지지체에 La, Ba 등과 같은 강화제와 Ir, Pt 등과 같은 귀금속 활성물질을 담지하여 형성한다.The highly heat-resistant catalyst of the present invention is formed by supporting a reinforcing agent such as La, Ba, etc. and a noble metal active material such as Ir, Pt, etc. on a pulverized porous ceramic support such as Al 2 O 3 .

도 6은 본 발명의 일실시예에서 사용한 촉매 Pt/La-Al2O3의 사진이다.Figure 6 is a photograph of the catalyst Pt/La-Al 2 O 3 used in an example of the present invention.

도 7은 1.6 mm STS 구를 열 반응기에 사용하였을 때의 반응기 내 온도 변화 그래프이다. 도 7은 ADN 기반 액체 추진제가 주입되었을 때 열 반응기와 촉매 반응기의 온도변화이다. 열 반응기의 온도는 검은색 선이고, 촉매 반응기의 온도는 적색 선으로서 열 반응기는 저온의 추진제가 공급되기 때문에 냉각된다. ADN 기반 액체추진제의 구성물질은 ADN, 메탄올, 암모니아, 물로 약 150℃ 이상일 경우 모두 기화 혹은 열분해된다. 따라서 도 7은 열 반응기의 온도가 150℃ 이상을 유지하기 때문에, 주입된 액체 추진제는 열 반응기 내에서 모두 기화 혹은 열분해 되었다고 판단할 수 있다. 이는 촉매 반응기에 유입된 1차 분해된 추진제는 모두 기체 상태라고 볼 수 있다.Figure 7 is a graph of temperature change in the reactor when 1.6 mm STS spheres are used in the thermal reactor. Figure 7 shows temperature changes in the thermal reactor and catalytic reactor when ADN-based liquid propellant is injected. The temperature of the thermal reactor is the black line, and the temperature of the catalytic reactor is the red line. The thermal reactor is cooled because the low-temperature propellant is supplied. The components of ADN-based liquid propellant are ADN, methanol, ammonia, and water, which all vaporize or thermally decompose at temperatures above 150°C. Therefore, in Figure 7, since the temperature of the thermal reactor is maintained above 150°C, it can be determined that all of the injected liquid propellant has been vaporized or thermally decomposed within the thermal reactor. This means that all of the primary decomposed propellant introduced into the catalytic reactor is in a gaseous state.

우주비행체용으로 사용되는 ADN 기반 액체추진제의 구성물질은 물이 포함되어 있기 때문에 열교환에 의한 추진제 승온 없이 100℃ 이하에서 촉매반응이 이루어지기는 매우 어렵다. ADN 액체추진제의 주요 특징 중 하나는 물에 녹아 있는 수용액 상태일 때 쉽게 분해되지 않는 안정적인 특징을 가지고 있다. 엄밀하게는 반응기 내 압력이 상승되기 때문에 용매의 기화온도가 더 상승할 것으로 생각되지만, ADN 기반 액체추진제의 열 특성에 대해 그 정도까지 심도있는 연구는 아직 진행되지 않았다.Because the constituents of ADN-based liquid propellants used for space vehicles contain water, it is very difficult for catalytic reactions to occur below 100°C without raising the temperature of the propellant through heat exchange. One of the main characteristics of ADN liquid propellant is that it is stable and does not easily decompose when in an aqueous solution state. Strictly speaking, it is thought that the vaporization temperature of the solvent will increase further as the pressure inside the reactor increases, but in-depth research on the thermal characteristics of ADN-based liquid propellants has not yet been conducted.

ADN은 열 분해 시 에너지가 방출되므로 추진제에 의해 냉각되는 에너지와 추진제가 분해되면서 방출되는 에너지가 균형을 이룰 때 열 반응기의 온도가 유지되고, 방출되는 에너지가 더 많아지면 온도가 상승하게 된다. 만약 추진제에 의해 냉각되는 열량이 더 많을 경우 기화 및 열분해, 촉매분해 조건이 되지 않아 추진제가 액체상태로 축적되게 되고 밸브가 닫혀 추진제가 더 이상 공급되지 않게 되면, 반응기 외부의 열이 반응기 내부로 유입되며 금속구 및 촉매의 온도를 상승시키고, 추진제의 분해가능 온도가 될 때 축적된 추진제가 일시에 반응하는 악작용이 발생하며 추력기가 폭발할 수 있다. Since energy is released when ADN thermally decomposes, the temperature of the thermal reactor is maintained when the energy cooled by the propellant and the energy released as the propellant decomposes are balanced. When more energy is released, the temperature rises. If the amount of heat cooled by the propellant is greater, the conditions for vaporization, thermal decomposition, and catalytic decomposition are not met, so the propellant accumulates in a liquid state. If the valve is closed and the propellant is no longer supplied, heat from outside the reactor flows into the reactor. This increases the temperature of the metal sphere and catalyst, and when the temperature reaches the decomposition temperature of the propellant, an adverse reaction occurs where the accumulated propellant reacts at once, and the thruster may explode.

도 7은 추진제가 지속적으로 공급됨에도 불구하고 열 반응기의 온도가 150℃ 이하로 계속 감소하지 않고 유지하는 것을 보여준다. 이는 열 반응기 내 에너지 교환이 적절하게 이루어지고 있음을 의미한다.Figure 7 shows that the temperature of the thermal reactor does not decrease and remains below 150°C even though the propellant is continuously supplied. This means that energy exchange within the thermal reactor is occurring appropriately.

도 8은 3 mm STS 구를 열 반응기에 사용하였을 때의 압력 그래프이다. 본 발명의 주 내용은 금속구를 열 반응기에 사용하는 것 뿐만 아니라 적절한 금속구의 크기를 제시한 부분도 있다. 도 8-10은 금속구의 크기만 다르고 동일한 시험 조건으로 압력 그래프가 직선이 나오는 것이 가장 바람직하지만, 도 8의 경우 압력의 변동이 도 9, 도 10에 비해 크다. Figure 8 is a pressure graph when 3 mm STS spheres were used in the thermal reactor. The main content of the present invention is not only to use metal spheres in a thermal reactor, but also to suggest appropriate sizes of metal spheres. In Figures 8-10, it is most desirable for the pressure graph to be a straight line under the same test conditions with different sizes of the metal spheres. However, in Figure 8, the pressure fluctuation is greater than in Figures 9 and 10.

압력의 변동은 연소불안정을 의미하며, 이는 ADN 기반 액체추진제의 분해과정과 분해 중 고온, 강산이라는 극한 조건에 금속구와 촉매가 노출되는 것과도 연관이 있을 것으로 추측된다. 하지만 ADN 기반 액체추진제의 연소시험 데이터는 극히 제한적으로 공개되었기 때문에 이 부분은 확실한 것은 아니다. 따라서 ADN 기반 단일추진제 추력기에서 연소 중 어느 정도의 압력 변동이 적합하다는 기준은 아직 없다. 하지만 발명자의 연구경험을 기반으로 도 9 수준의 압력변동은 수용할만하고, 도 10은 좀 더 개선된 압력변동을 보여준다. 따라서 압력 변동 데이터를 보면 금속 구는 작을수록 바람직하지만 작은 구로 반응기를 채울 경우 추진제가 열 반응기와 촉매반응기를 지나면서 발생하는 압력강하가 커지기 때문에 적절한 타협이 필요하다.Fluctuations in pressure indicate combustion instability, and this is presumed to be related to the decomposition process of ADN-based liquid propellant and the exposure of metal spheres and catalysts to extreme conditions such as high temperature and strong acid during decomposition. However, this is not certain because very limited combustion test data for ADN-based liquid propellants has been released. Therefore, there is still no standard for what level of pressure fluctuation is appropriate during combustion in ADN-based monopropellant thrusters. However, based on the inventor's research experience, the pressure fluctuation at the level of Figure 9 is acceptable, and Figure 10 shows a more improved pressure fluctuation. Therefore, looking at the pressure fluctuation data, smaller metal spheres are more desirable, but when filling the reactor with smaller spheres, the pressure drop that occurs as the propellant passes through the thermal reactor and the catalytic reactor increases, so an appropriate compromise is necessary.

분해된 추진제는 열 반응기와 고내열성 촉매를 통과하여 노즐을 거쳐 가속된다. 추진제는 노즐에 도달하기 전에 모두 분해되기 때문에 고내열성 촉매 이후 별도의 공간은 불필요하다. 노즐을 통해 가스화 되어 가속된 추진제는 추력을 발생시킨다.The decomposed propellant passes through a thermal reactor and a highly heat-resistant catalyst and is accelerated through a nozzle. Since the propellant is all decomposed before reaching the nozzle, a separate space is unnecessary after the high heat resistance catalyst. The propellant gasified and accelerated through the nozzle generates thrust.

본 발명과 같이 금속 재질의 열 반응기를 적용하여 이온성 추진제를 기화시킬 경우 안정적으로 추력기를 작동시킬 수 있다. 열 반응기의 크기와 종류는 추진제의 조성과 예열온도에 따라 다르게 적용되어야 하지만 반응기 내부의 빈 공간을 최소화하는 것이 연소 안정성에서는 바람직하다.When an ionic propellant is vaporized by applying a thermal reactor made of metal as in the present invention, the thruster can be operated stably. The size and type of thermal reactor must be applied differently depending on the composition of the propellant and the preheating temperature, but minimizing the empty space inside the reactor is desirable for combustion stability.

10,11,12: 추력기 밸브 20: 분사기
21: 원형 회전 공급유로 분사기 30: 열 배리어
40: 반응기 하우징 41: 열 반응기
42: 촉매 반응기 43: 열 반응기 리테이너
44: 촉매 리테이너 45,46: 단차
47: 메쉬 50: 노즐
60: 히터
10,11,12: thruster valve 20: injector
21: Circular rotating supply channel sprayer 30: Heat barrier
40: reactor housing 41: thermal reactor
42: catalytic reactor 43: thermal reactor retainer
44: catalyst retainer 45,46: step
47: mesh 50: nozzle
60: heater

Claims (8)

액체 ADN(Ammonium Dinitramide) 추진제 저장탱크로부터 액체 ADN 추진제를 반응기에 공급하는 공급유로를 개폐하는 추력기 밸브;
공급된 액체 ADN 추진제의 기화와 열분해를 위한 열 반응기와 기화된 추진제를 촉매물질로 후속 분해하는 촉매 반응기로 분리하여 구성된 반응기;
상기 반응기의 외주면을 감싸 가열하는 히터;
상기 반응기에서 분해되어 발생하는 가스를 배출하는 노즐;
상기 추력기 밸브와 열 반응기를 구조적으로 연결하되 열 반응기에서 발생하는 열을 차단하는 열 배리어;
상기 열 배리어 안쪽의 추력기 밸브에서 열 반응기로 추진제를 공급해주는 추진제 공급유로 분사기 및
상기 열 반응기 내에는 금속구가 배열되고, 촉매 반응기에는 촉매 담지체가 배열된 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
A thruster valve that opens and closes a supply passage that supplies liquid ADN propellant to the reactor from the liquid ADN (Ammonium Dinitramide) propellant storage tank;
A reactor consisting of a thermal reactor for vaporization and thermal decomposition of the supplied liquid ADN propellant and a catalytic reactor for subsequent decomposition of the vaporized propellant into a catalytic material;
A heater that surrounds and heats the outer peripheral surface of the reactor;
a nozzle for discharging gas generated by decomposition in the reactor;
a thermal barrier that structurally connects the thrust valve and the thermal reactor and blocks heat generated from the thermal reactor;
A propellant supply channel injector that supplies propellant from the thruster valve inside the heat barrier to the thermal reactor, and
A single propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant, characterized in that metal spheres are arranged in the thermal reactor and a catalyst carrier is arranged in the catalytic reactor.
제1항에 있어서,
상기 열 반응기는 작동 전 히터로 300℃ ~ 400℃로 예열되는 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
According to paragraph 1,
A monopropellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based monopropellant, characterized in that the thermal reactor is preheated to 300 ℃ ~ 400 ℃ with a heater before operation.
제1항에 있어서,
상기 열 반응기와 촉매 반응기는 열 반응기 리테이너를 사용하여 구분하는 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
According to paragraph 1,
A monopropellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based monopropellant, characterized in that the thermal reactor and the catalytic reactor are distinguished using a thermal reactor retainer.
제1항에 있어서,
상기 촉매 반응기와 노즐은 촉매 리테이너를 사용하여 구분하는 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
According to paragraph 1,
A single propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant, characterized in that the catalytic reactor and the nozzle are separated using a catalyst retainer.
제1항에 있어서,
상기 추력기 밸브는 이중구조인 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
According to paragraph 1,
A single-propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant, characterized in that the thruster valve has a dual structure.
제1항에 있어서,
상기 분사기는 일부분이 원형으로 회전하는 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
According to paragraph 1,
A monopropellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based monopropellant, wherein a portion of the injector rotates in a circular manner.
제1항에 있어서,
상기 금속구는 스테인리스 스틸 재질인 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
According to paragraph 1,
A single propellant thruster assembly for a satellite using an ADN-based single propellant, characterized in that the metal sphere is made of stainless steel.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 Al2O3를 포함한 분쇄된 다공성 세라믹 지지체에 La, Ba, Si을 포함한 전이금속 강화제와 Ir, Pt, Ru을 포함한 백금족 활성물질을 담지하여 형성한 것을 특징으로 하는 ADN 기반 단일추진제를 이용한 위성용 단일추진제 추력기 조립체.
According to paragraph 1,
The catalyst is an ADN-based single propellant, which is formed by supporting a transition metal reinforcement including La, Ba, and Si and a platinum group active material including Ir, Pt, and Ru on a pulverized porous ceramic support containing Al 2 O 3 . A monopropellant thruster assembly for a satellite.
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