하이드라진 추력기의 특성 및 연구사례 조사
이정섭*, 안성용, 권세진 한국과학기술원 항공우주공학과
요약문 하이드라진을 추진제로 사용하는 단일추진제 시스템은 높은 신뢰도와 안정성을 지니 고 있는 시스템으로서 현재까지 위성과 발사체에 널리 사용되고 있다. 높은 성능을 보이는 하 이드라진 추력기에 대한 국외 연구는 많이 진행되었지만 국내 연구는 다목적실용위성 2호에 적 용된 추력기 등을 제외하면 아직 연구결과가 미흡한 상태이다. 하이드라진은 독성이 강하고 다 루기 어렵기때문에 과산화수소와 같이 비슷한 성능을 유지하면서 단점을 보완한 Green Propellant의 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 신뢰도를 우선시 하는 우주산업등에 실질 적으로 사용하기 까지는 앞으로도 많은 연구가 필요한 상황이다. 이러한 가운데 하이드라진에 대한 기술을 확고히 하지 못한 국내 실정상 이에 대한 연구가 절실히 필요하다. 따라서 하이드 라진 추력기 개발을 위한 하이드라진의 특성 및 분해 촉매, 국내외 추력기 연구사례에 대해서 개략적으로 살펴보았다.
주요 용어 : 하이드라진, 추력기
I. 서론
하이드라진이 로켓 연료로 사용된 사례는 제 2차 세계대전 당시 Messerschmitt Me 163이 처음이다.
Me 163은 단일 추진제 로켓을 통해 추력을 얻는 전 투기이다. 이와 같은 고추력 엔진 이외에도 하이드 라진은 인공위성의 자세제어와 궤도변경 등의 기동을 담당하는 추력기에 자주 사용된다. 추력기는 추진제의 종류에 따라 단일 추력기와 이원 추력기로 나눌 수 있 다. 단일추력기는 이원추력기에 비해 구조가 간단하고 가볍고 경제적이기 때문에 추력기에 주로 사용된다. 단 일 추력기는 추진제를 촉매 베드에 통과 시켜 분해반응 을 통해 추력을 얻는다. 하이드라진 단일 추력기는 구조 가 단순하고 경제적이며, 작동 신뢰도가 높아 60년대 이 후부터 꾸준히 사용되어왔다.
II. 하이드라진
2.1 하이드라진의 특성
하이드라진의 물성치는 표 1에서 보는바와 같이 어는 점과 끓는점이 물과 비슷하다. 어는점이 1℃이기 때문에 우주환경에서 추력기를 사용하기 위해서는 추진제 배관
의 온도를 고려해주어야 한다. 최근에는 하이드라진과 물, 하이드라진과 나이트레이트 등을 섞은 binary blend 와 ternery blend 추진제의 연구가 활성화 되고 있으며 이러한 혼합물을 추진제 원료로 활용할 시 어는점이 -5 0℃까지 낮아진다는 것이 최근 연구 결과에 발표되었 다.[1] 하이드라진은 촉매에 의해서 다음과 같이 분해된 다.
→
(1)
→
(2)
→
(3)표 1. 하이드라진의 물성치 Molar Mass 32.05g/mol Boiling Point 114℃
Melting Point 1℃
Viscosity 0.9cp at 25℃
ΔfH0gas 95.35kJ/mol
ΔfH0liguid 50.63kJ/mol
ΔfH0solid 37.63kJ/mol
Auto-ignigtion temp. 270℃
위 반응식은 모두 발열반응으로서 반응에서 발생한 열을 통해 다량의 고온 기체를 생성하게 되어 효율적인 추력기를 제작할 수 있다. 반응생성물인 N2, H2, NH3는 위성체의 센서 등에 오염을 주지 않아 연소가스에 의한 치명적인 오염을 야기할 수 있는 이원추진제 시스템에 비해 유리하다.[1]
2.3 하이드라진의 취급
하이드라진은 독성이 강하고 불안정하기 때문에 세심한 주의를 기울여 취급하여야 하며, 무수 하이 드라진의 경우 그 위험성이 더 크다. 하이드라진의 흡입 제한 농도는 0.2ppb로서 하이드라진에 노출되 었을 경우 목과 눈, 코에 염증을 유발하고 현기증 과 구토, 부종 등을 유발할 수 있고 심한 경우 혼 수상태에 이르게 할 수 있다.[8] 따라서 하이드라 진을 다룰 시에는 보호 장갑과 보호의복, 마스크 또는 산소 호흡기를 착용해야 한다. 하이드라진의 취급 및 이송 시에는 외부 불순물과의 접촉을 피하 기 위해서 진공시스템을 적용한다. 추진제에 불순 물이 포함되어 있을 경우 성능저하를 야기할 수 있 고 추력기 시스템에 물리적 손상을 입힐 수 도 있 다. EADS에서 사용하는 하이드라진 이송 컨테이너 의 모습을 그림 1 에 나타내었다. 부피는 1100L로 Stainless Steel로 제작되었으며 safety pressure 는 16.5bar이고 Max. Temperature는 60℃이다. 이 송이 끝난 뒤에는 GN2로 가압하여 보관하도록 하고 있다. 하이드라진을 장기 보관할 경우 이에 따른 순도 와 성분변화에 대한 검증이 이루어져야 할 것 이다. 추진제와 접촉한 모든 부품은 GN2로 클리닝 한 뒤 진공시스템을 통해 건조된다.[3]
그림 1. EADS의 Propellant Transport Container
2.2 하이드라진 분해 촉매
1940년대 Jet Propulsion Laboratory(JPL)에서 제작된 촉매는 열분해 속도가 느리고 induction time이 35ms로서 실제로 사용되기에는 부적합하였 다. 후에 Fe-Co-Ni/Al2O3로 구성된 촉매를 개발하 여 매우 효율이 좋음을 확인하였고 1960년대 초반 까지 널리 사용되었다. 그 당시 Shell company에서 는 Al2O3에 30wt% 이리듐을 로딩한 촉매를 개발하 여 Shell 405TM이라 명명하였다. 이 촉매는 하이드 라진 단일 추력기에 매우 성공적으로 사용되었다.
이 촉매를 사용한 추력기에서 200에서 220초의 비 추력을 얻을 수 있었다.[6] Shell company는 2002 년도에 Shell 405TM의 생산을 중지하고 Aerojet로 촉매기술을 이전하면서 S405로 이름을 바꾸었다.
또 다른 사용 촉매로는 SOLVAY S.A.의 KC12GA가 있 다. KC12GA는 아리안 프로그램에 사용된 EADS 추력 기에 사용된 바 있고 일본에서 추력기 연구에 사용 되고 있다. KC12GA 역시 2004년에 SOLVAY에서 Heraeus로 생산 설비를 이전하여 HKC-12GA를 생산 하고 있다.[7]
Shell 405TM 촉매는 하이드라진 분해에는 매우 좋은 성능을 보이지만 희귀 원소인 이리듐을 사용 하기 때문에 가격이 비싼 단점이 있다. 최근에는 이리듐 상용 촉매에 성능이 비슷하면서도 경제적인 촉매의 개발이 이루어지고 있다. 이 과정에서 루비 듐을 사용한 촉매가 개발되었고 탄화물, 질소화물 촉매의 연구로 진행되었다. 이러한 물질을 촉매로 사용하기 위해서는 펠렛 타입으로 제작되어야 한 다. Tungsten carbide 촉매와 Shell 405TM와의 성 능비교 결과 비슷한 성능을 보이는 것을 알 수 있 다. 그림 2와 3은 각각의 시험결과를 나타낸다.[6]
그림 2. Tungsten carbide catalyst performance in continuous regime(Pinj=20bar) [6]
그림 3. Shell 405TM catalyst performance in continuous regime(Pinj=20bar) [6]
국내에서의 촉매 연구는 한국항공우주연구원에서 (주)한화와 전남대학교와의 공동 연구를 진행 중이 다. 개발한 촉매 시제품인 ICNU와 SOLVAY의 KC12GA 와 성능 비교를 한 결과 비슷한 성능을 보이며 그 래뉼의 안정성 면에서는 KC12GA에 비해 ICNU이 일 부 개선을 요구하는 것으로 나타났다.[4] 촉매의 수명을 시험하기 위해 (주)한화에서 촉매의 장기성 능 연소시험을 수행하였다. 총 2주간에 걸쳐 진행 되었으며 연속모도의 경우 4.8시간, 펄스모드의 경 우 77,310 펄스에 대해 수행되었다. 실험결과 예측 된 연소실 압력에 접근하였으나 두 번째 시퀀스의 경우 연소실 압력이 현저히 떨어지는 경향을 보였 다. 이는 촉매의 성능저하 문제보다는 시험 방법 및 환경의 차이에서 기인하였다고 보고 있다.[5]
III. 하이드라진 단일 추력기
3.1 해외 단일 추력기 연구
하이드라진을 단일 추진제로 하는 상용추력기의 개발은 Aerojet등과 같은 곳에서 이루어졌다. 각 회사에서는 다양한 추력범위의 추력기를 개발하여 제공하고 있다. 표 2는 그중 1N급 추력기의 종류를 나타낸 것이다. 그림 4, 5는 위에서 언급한 몇 가 지 상용 추력기의 모습이다. EADS의 1N급 추력기인 CHT-1의 경우 무게 0.29kg에 200에서 230초의 비추 력을 갖고 있다. Cycle life는 총 59,000 cycles 이고 Accumulated burn life는 50시간으로서 위성 에서 사용하기에 무리 없는 성능을 지니고 있다.
이처럼 상용화된 추력기의 경우 혹독한 성능 테스 트를 거쳐 신뢰성을 높였으며 많은 우주비행체에
장착되었다.
그림 4. Aerojet, MR-103
그림 5. Northrop Grumman MRE-0.1
표 2. 1N급 상용 추력기
제조사 모델명
Aerojet MONARC-1
MR-103 Northrop Grumman MRE-0.1
RAFAEL LT-1N SP
Snecma 1-N mono
EADS CHT-1
3.2 국내 단일 추력기 연구
하이드라진 추력기에 대한 국내 연구는 다목적실 용위성(KOMPSAT) 개발사업의 일환으로 한국항공우 주연구원과 (주)한화에 의해서 진행되고 있다. 다
목적 실용위성 1호에 사용된 추진기에는 Shell 405TM이 사용되었고 2호에는 KC12GA가 사용되었다.
외국기업으로부터의 촉매 수입은 절차가 까다롭고 어렵기 때문에 촉매 기술의 국산화가 진행 중이다.
KC12GA 촉매를 사용한 추력기의 성능평가 시험 결 과를 표 3에 나타내었다. 표 3의 조건은 위서용 추 력기 촉매의 성능을 규정한 미국의 TRW사의 MT4-1 에 규정된 촉매의 연소성능 요구조건이다. 시험 결 과 요구조건을 모두 만족시킴을 알 수 있다.[2]
표 3. 시험 결과
항목 조건 1차 2차 평균
Max. Ignition
Delay, ms 80 20 30 25 Max. Loss +
Fines, wt%/min 3 2 2 2 Bed wall
Temperature, ℃ 600~
750 697 711 704
IV. 향후 연구 방향
현재 운용되는 대형 인공위성의 경우 사소한 문 제로 인해 위성의 임무수행에 큰 차질을 빚을 가능 성이 있고 발사비용이 큰 단점이 있다. 이를 보완 하기 위하여 소형 인공위성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 소형 인공위성의 경우 발사 단가가 저렴하고 여러 대의 위성을 편대로 운용하여 대형 위성과 같은 임무수행능력을 가질 수 있다. 이러한 소형 인공위성의 자세제어와 궤도 변경을 위해서 추력기에 대한 필요도가 증가하면서 소형 추력기에 대한 연구가 활발히 진행되고 왔고 추력기 시스템 은 신뢰도와 안정성에서 입증을 받았다. 몇 가지 추력기 시스템 중에서도 하이드라진 추력기 시스템 은 과거로부터의 수많은 우주 프로젝트 및 시험을 거치면서 작동 응답성과 추력기 수명 등의 성능에 대한 신뢰도를 확보한 상태이다. 그러나 하이드라 진은 독성이 강하고 취급이 까다롭기 때문에 상대 적으로 독성이 적고 취급이 용이한 과산화수소와 같은 Green Propellant에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 우주 프로젝트의 경우 신뢰도를 최우선시 하기 때문에 하이드라진을 대체할 수 있는 추진제 에 대한 수많은 실험과 검증이 이루어져야 할 것이 다. 또한 기존의 하이드라진 추력기의 경우 현재
사용되고 있는 고가의 촉매 대신에 보다 경제적인 촉매의 개발을 통해 추력기의 단가를 낮출 수 있는 연구도 진행되고 있다.
V. 결론
인공위성의 자세제어용 추력기는 구조가 단순하 고 가격이 저렴하며 높은 신뢰도를 보이는 단일 추 력기를 사용한다. 단일 추력기는 추진제를 촉매 베 드에 분사시켜 분해반응을 통해 얻어지는 반응열을 이용하여 분해생성물 가스를 가속하여 추력을 얻는 다. 여러 단일 추진제 중에서도 하이드라진은 높은 성능으로 인해 과거로부터 많이 사용되었다. 하이 드라진 분해에 사용되는 대표적인 사용 촉매로는 Shell Company의 Shell 405TM와 SOLVAY의 KC12GA가 있다. 두 촉매 모두 타 회사로 기술이전 되어 생산 되고 있다. 촉매의 수입에 대한 한계로 인해 촉매 기술의 국산화가 추진되었고 한국항공우주연구원과 (주)한화, 전남대학교가 공동으로 연구를 진행하여 상용촉매와 비슷한 성능의 촉매를 개발하고 있다.
하이드라진 추력기는 현재 외국 기업에서 상용화 단계에 이르렀으며 우리나라의 다목적 실용위성과 같이 다양한 우주 프로젝트에 널리 사용되고 있다.
그러나 하이드라진의 독성으로 인해 과산화수소와 같은 Green propellant에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 과산화수소의 경우 하이드라진에 비해 서 성능은 떨어지나 인체에 미치는 영향이 매우 적 어 새로운 단일 추진제로 각광받고 있다. 또한 하 이드라진 분해 촉매의 가격이 비싸기 때문에 이를 대체할 수 있는 저렴한 촉매의 연구도 진행 중이 다.
참고문헌
[1] 이성택, 이상희, 최영종, 류정호, “단일 하 이드라진 추력기 개발에 관한 고찰,” 한국 추진공학회지, 제3권, 제 1호, pp. 72-77, 1999년 3월.
[2] 이재원, 징기원, 이해헌, 유명종, 이균호,
“하이드라진 분해촉매 연소성능 시험,” 한 국추진공학회 2004년도 추계 학술대회 논문 집, pp. 292-295, 2004년.
[3] 김인태, 이재원, 장기원, 유명종, “우주분 야에서의 Hydrazine 적용현황 및 발전방 향,” 한국추진공학회 2006년도 추계학술대
회 논문집, pp. 17-22, 2006년.
[4] 이균호, 유명종, 김수겸, 최준민, “단일추 진제 분해촉매의 연소성능 시험 및 시제품 개발,” 항공우주기술, 제4권, 제1호, pp.
49-56.
[5] 김인태, 김정훈, 이재원, 장기원, 유명종, 김수겸, 이균호, “하이드라진 분해촉매 장 기성능시험 및 평가,” 한국추진공학회 2007 년도 춘계학술대회 논문집, pp. 110-113, 2007.
[6] J. Gobbo Ferreira, J. A. J. Rodrigues, and C. E. S. S. Migueis, "Hydrazine Decomposition Using Carbides as Catalysts," AIAA, 1997.
[7] Daisuke Goto, Hideshi Kagawa, Akito Hattori, Kenichi Kajiwara, Fumihiro Ueno, Joji Umeda, and Shigeyasu Iihara,“Monopropellant Thruster Firing Test Using KC12GA Catalyst," ESA SP-556, Oct. 2004.
[8] Determination of Noncancer Chronic Reference Exposure Levels Batch 2A, "Chronic Toxicity Summary Hydrazine," Dec. 2000.
