과산화수소 촉매분해 모델링을 이용한 추력기 촉매대 최적설계

Optimization of Thruster Catalyst Beds using Catalytic Decomposition Modeling of Hydrogen Peroxide

최근 고농도 과산화수소는 추력기의 친환경 추진제로 연구가 활발히 진행되고 있다. 과산화수소는 추력기의 촉매대에서 촉매분해되어 추력을 발생시킨다. 촉매대의 최적화 된 설계를 위하여 기존에 존재하는 촉매대 모델을 활용하였다. 모델의 검증을 위하여 100 N 과산화수소 단일추진제 추력기를 사용하여, 다양한 설계 조건들에 대해 실험을 진행하였다. 모델의 예측결과를 실험결과와 대조하여 다양한 조건들에서도 비교적 높은 정확도를 보임을 확인하였다. 검증된 모델을 이용하여 다양한 설계조건들에 대해 최적화된 Catalyst Capacity값과 압력강하량을 계산하였으며, 이를 분석하여 압력강하량과 유량 및 세장비 사이의 관계식을 도출 할 수 있었다. 최적화된 Catalyst Capacity값과 압력강하량 관계식을 이용하여 최적화된 촉매대를 설계할 수 있다.

High test hydrogen peroxide has been widely developed as green propellant for thrusters. Hydrogen peroxide is decomposed in the catalyst bed to produce the thrust. Catalyst bed design optimization is considered through existing model for catalyst beds. To verify the model, static firing tests were conducted under various conditions using a 100 N scale $H_2O_2$ monopropellant thruster. Temperature and pressure estimations from the model were well correlated to the experimental data. The model is used to obtain optimal design parameters by analyzing the catalyst capacity and pressure drop data for various simulated conditions. Catalyst beds can be optimized from the analysis of the catalyst capacity and pressure drop correlation through catalyst bed modeling.