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Recent developments in HAN and ADN-based monopropellant thrusters
Maxime Monette(맥심 모네트),Sejin Kwon(권세진) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11
본 논문에서는 ADN 과 HAN의 촉매분해를 이용한 단일추진제 추력기의 최근 연구동향에 대해 소개하였다. 열분해 및 촉매분해 분석법과 촉매 제작법, 촉매 함침법을 제시하였다. 이온성 액체의 최적 열분해 온도와 반응 속도를 알아보기 위해 다양한 촉매 점화에 대한 연구가 진행되었지만, 이온성 액체를 이용한 추력기에 대한 연구는 대부분 진행되지 않았다. 따라서 아래 본문에서는 ADN과 HAN을 이용한 친환경 단일추진제 추력기의 핵심 요소를 다룬 미국 내 특허와 화학, 항공우주공학 논문에 대한 소개를 수록하였다. This paper is a review of recent developments in both ADN and HAN-based monopropellant thrusters and their catalytic ignition. Means of analyzing thermal and catalytic decomposition as well as different methods of catalyst support preparation and active phase impregnation are introduced. Catalytic ignition was quite extensively studied in purely chemical analyses for both ionic liquids to determine optimal decomposition temperatures and reaction rates, however, few experiments have to deal with actual thruster applications. Thus, a discussion follows to reconcile the recent results disclosed in U.S. patents and in chemistry and aerospace journals about a key component of green monopropellant thrusters.
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Transfer Trajectory Analysis for a Korean Lunar Orbiter Mission
Maxime Monette,이지호,권세진 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11
한국은 2020 년 한국형발사체를 이용한 달 탐사를 계획 중에 있으며, 이를 위해 궤적설계는 필수적으로 선행되어야 할 과제이다. 본 논문에서는 달 궤도에 진입하기 위한 세가지 궤적의 분석을 진행하였다. 직접전이방식에는 10ton 의 고 추력 고체로켓을, 페이징루프방식에는 5200N 의 과산화수소를 이용한 액체로켓을 사용하였으며, GMAT 을 이용하여 TLI, TCM, LOI 의 3-D 분석을 진행하였다. 분석결과, 직접전이방식이 페이징루프방식보다 탑재 중량 면에서 유리했지만 궤도의 안정성과 오차수정의 측면에서 페이징루프방식이 한국의 달 임무수행에 유리할 것으로 판단된다. 본 논문에서는 두 방식 외에, Weak Stability Boundary 방식을 제안한다. 이는 소요 시간은 길지만 연료소모를 줄여 탑재 중량을 늘릴 수 있다. This study examines the hydrogen peroxide/kerosene, high-performance green propellant thruster for the upper stage of the Korean Space Launch Vehicle (KSLV-II) to be launched in 2020 in a Lunar orbiter mission. The 2.5 phasing loop transfer trajectory using the liquid bipropellant engine is compared to a direct transfer trajectory with a solid motor, using readily available technology in Korea. 3-D space trajectories are obtained using GMAT to compare fuel consumption for maneuvers such as the Trans-Lunar Injection (TLI), Trajectory Correction Maneuvers (TCM) and Lunar Orbit Insertion (LOI). Furthermore, the Weak Stability Boundary transfer trajectory (WSB) is proposed as an alternative, with increased flight time, but with substantial reduction in the LOI cost to maximize the orbiter’s payload. This type of transfer could also be used for interplanetary missions such as Earth-Mars transfers with even greater fuel economy.
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5 N 급 ADN 기반 단일추진제 추력기 예비 연소 시험
Maxime Monette,백승관,김주원,정연수,김우람,조영민,이재완,권세진 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.2
This paper reports the preliminary firing test performed with an ADN-based monopropellant using a 5 N scale thruster. ADN-based propellant and catalyst was fabricated and catalytic combustion of propellant was characterized by DSC-TG analysis. Although an explosion in the catalyst bed was occurred, high temperature in the catalyst bed obtained and demonstrated catalytic combustion of the propellant. Preliminary test results motivates the research for catalysts with better thermal stability. 5 N 급 단일추진제 추력기를 이용하여 ADN 기반 고성능 친환경 단일추진제의 연소 시험을 수행했다. ADN 기반 추진제 및 촉매의 제작을 진행했으며, DSC-TG 분석을 통한 검증을 진행했다. 연소 시험 시 촉매 반응기 내에서 작은 규모의 연소 불안정 현상이 발생했지만, 촉매 반응기 전단에서의 높은 온도를 관찰하여 제작된 추진제의 촉매 연소가 발생했음을 파악했다. 향후 보다 높은 열적 안정성을 확보하기 위해 추진제의 높은 단열 분해 온도를 견딜 수 있는 촉매의 개발을 수행하고 이를 적용할 예정이다.
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백승관(Seungkwan Baek),Maxime Monette,정연수(Yeon Soo Jung),김주원(Juwon Kim),김우람(Wooram Kim),조영민(Youngmin Jo),윤호성(Hosung Yoon),이재완(Jaewan Lee),권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5
ADN 기반 고성능 친환경 단일추진제 추력기는 독성의 하이드라진을 대체하기 위해 유럽 등지의 우주 선진국에서 활발히 연구 중에 있으며, 고성능 친환경 단일추진제 중 유일하게 우주 환경에서 시험을 통해 검증을 수행한 바 있다. 본 연구에서는 ADN 기반 고성능 친환경 단일추진제 추력기의 국내 자체 개발을 위해 추진제 및 분해 촉매를 합성하고, DSC-TG 분석을 통해 추진제의 촉매 연소 성능을 검증했다. 또한 5 N 급 액체 단일추진제 추력기를 활용하여 연소 시험을 수행하여 추진제의 촉매 연소를 확인했다. Research of ADN-based monopropellant thruster is progressed by developed countries in Europe to replace toxic hydrazine, and ADN-based monopropellant thruster system is the only system that was proved in space environment. In this research, ADN-based propellant and catalyst was fabricated to develop ADN-based monopropellant thruster, and catalytic combustion performance with fabricated propellant and catalyst were evaluated with DSC-TG analysis. Catalytic combustion of propellant and catalyst was determined with firing test using 5 N scale liquid monopropellant thruster.
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연소 시험을 통한 과산화수소 기반 고성능 친환경 단일추진제 제작 기법 검증
백승관(Seungkwan Baek),정우석(Woosuk Jung),Maxime Monette,권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12
독성의 하이드라진을 대체하기 위한 이온성 추진제 등의 고성능 친환경 단일추진제의 생산 및 취급기술은 전략물자로 구분되어 있다. 이에 기술 확보 및 비용 절감을 위해 고성능 친환경 단일추진제의 독자적인 국내 제작 및 취급 기술 확보가 필요한 실정이다. 본 연구에서는 하이드라진의 대안으로 과산화수소와 에탄올을 혼합한 예혼합 추진제를 제시했다. 국내 제작 및 취급 기술 검증을 위해 취급 가능한 등급의 과산화수소 및 에탄올을 사용했다. 10 N급 단일추진제 추력기를 활용, 연소 시험을 진행 및 결과 분석을 통해 검증을 진행했다. 그 결과 95% 이상의 높은 특성 속도 효율 및 온도 효율을 보였고, 연소 시험 전, 후 촉매 특성 또한 큰 변화가 없는 것으로 나타났다. 이를 통해 하이드라진 대체 과산화수소 기반 고성능 친환경 단일추진제의 국내 제작 및 취급 기법을 검증했다. Production and treatment technology of high performance green monopropellant like ionic propellant for replacing toxic hydrazine is categorized as strategic technology. Thus, high performance green propellant handling technology development as domestic technology is necessary. In this research, premixed propellant based on hydrogen peroxide and ethanol is fabricated that is possible to handle in domestic market for high performance green monopropellant. 10 N scale monopropellant thruster was used to evaluate performance of fabricated propellant. Characteristic velocity efficiency and thermal efficiency was higher than 95% as a result of firing test, and characteristics of catalyst was not changed after firing test.
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