단일 추진제

단일 추진제(Monopropellant) 또는 일원 추진제^[1]는 발열 화학 분해를 통해 에너지를 방출하는 화학 물질로 구성된 추진제이다. 단일 추진제의 분자 결합 에너지는 일반적으로 촉매를 사용하여 방출된다. 이는 산화제와 연료 간의 화학 반응을 통해 에너지를 방출하는 이중 추진제와 대조될 수 있다. 정의된 저장 조건 하에서는 안정적이지만, 단일 추진제는 특정 다른 조건 하에서 매우 빠르게 분해되어 기계적 일을 수행하기 위한 많은 양의 자체 에너지(고온) 가스를 생성한다. 나이트로셀룰로스와 같은 고체 급연소제(화기에서 가장 흔히 사용되는 추진제)도 단일 추진제로 간주될 수 있지만, 이 용어는 공학 문헌에서 일반적으로 액체에 사용된다.^[2]

용도

단일 추진제^[3]의 가장 일반적인 용도는 단일 추진제 로켓 엔진의 저충격 반동 제어 추진기와 같은 저충격 로켓 엔진이며,^[4] 일반적인 추진제는 하이드라진^[5][6]이며, 이는 일반적으로 이리듐^[7][8] 촉매층(하이드라진은 반응물을 액체 상태로 유지하기 위해 예열됨)에 노출되어 분해된다. 이 분해는 원하는 뜨거운 가스 제트를 생성하여 추력을 발생시킨다. 과산화 수소^[9]는 독일 제2차 세계 대전의 V-2와 미국 레드스톤과 같은 로켓의 추진제 탱크 펌프의 동력원으로 사용되었다.^[10] 과산화 수소는 백금 촉매 망을 통과하거나,^[9] 이산화 망가니즈가 스며든 세라믹 비드와 접촉하거나, Z-Stoff 과망가니즈산 염 용액이 함께 주입되어 과산화 수소가 뜨거운 증기와 산소로 분해되게 한다.

단일 추진제는 또한 자유 산소를 사용할 수 없는 환경에서 왕복 또는 터빈 엔진에 "연료를 공급"하기 위해 일부 공기 불요 추진 시스템(AIP)에도 사용된다. 주로 원자력 잠수함 간의 전투를 위한 무기는 일반적으로 이 범주에 속한다. 이 경우 가장 일반적으로 사용되는 추진제는 안정화된 프로필렌 글리콜 다이 나이트레이트 (PGDN)이며, 종종 "오토 연료"라고 불린다. 추진과 직접 관련이 없는 단일 추진제의 잠재적 미래 용도는 수중 또는 외기 환경을 위한 소형의 고강도 발전소이다.

간략한 연구

1950년대와 1960년대 미국에서는 더 좋고 더 강력한 단일 추진제를 찾기 위한 많은 연구가 진행되었다. 대부분의 연구자들은 이중 추진제와 경쟁할 만큼 충분한 에너지를 포함하는 단일 물질은 실제 조건에서 안전하게 다루기에는 너무 불안정할 것이라는 결론에 도달했다. 새로운 재료, 제어 시스템 및 고성능 추진기에 대한 요구 사항이 생기면서 엔지니어들은 현재 이 가정을 재검토하고 있다.

부분적으로 질산화된 알코올 에스테르 중 많은 것이 단일 추진제로 사용하기에 적합하다. "트리메틸렌 글리콜 디나이트레이트"(글리콜은 인접한 탄소 원자에 하이드록실기를 가져야 함) 또는 1,3-프로판다이올 디나이트레이트는 PGDN의 이성질체이며, 가장 정밀한 실험실 조건을 제외한 모든 조건에서 부산물로 생산된다. 이 화합물의 미미하게 낮은 비중(따라서 에너지 밀도)은 그 사용에 반대하지만, 화학적 미세한 차이는 미래에 유용할 수 있다.

관련된 "다이 나이트로다이글리콜"(현대 표기법으로는 다이에틸렌 글리콜 다이 나이트레이트로 더 적절하게 불림)은 제2차 세계 대전 독일에서 액체 단일 추진제 단독으로 그리고 나이트로셀룰로스와 함께 콜로이드 고체 추진제로 널리 사용되었다. 이 화합물의 다른 바람직한 특성(매우 안정적이고 제조하기 쉬우며 에너지 밀도가 매우 높음)은 높은 어는점(-11.5°C)과 뚜렷한 열팽창으로 인해 손상되며, 둘 다 우주선에서 문제가 된다. "다이 나이트로클로로히드린"과 "테트라 나이트로다이글리세린"도 유력한 후보이지만 현재 사용은 알려져 있지 않다. 장쇄 및 방향족 탄화수소의 폴리 나이트레이트는 항상 실온 고체이지만, 많은 것이 단순 알코올 또는 에테르에 고농도로 용해되며 이러한 상태에서 유용할 수 있다.

하이드라진^[6][11], 산화 에틸렌^[12], 과산화 수소(특히 독일 제2차 세계 대전 형태인 T-Stoff로)^[13], 나이트로메테인^[14]은 일반적인 로켓 단일 추진제이다. 언급했듯이 단일 추진제의 비충격량은 이중 추진제보다 낮으며^[3][15] 미 공군 화학 평형 비충격량 코드 도구를 통해 확인할 수 있다.^[16]

개발 중인 새로운 단일 추진제 중 하나는 순수한 형태와 아산화 질소 연료 혼합물 형태의 아산화 질소이다. 아산화 질소는 자체 가압이 가능하고 상대적으로 무독성이며, 과산화 수소와 하이드라진 중간의 비충격량을 가진다는 장점이 있다.^[17] 아산화 질소는 분해 시 산소를 생성하며, 연료와 혼합하여 최대 325초의 비충격량을 가진 단일 추진제 혼합물을 형성할 수 있으며, 이는 접촉점화성 이중 추진제와 필적한다.^[18] 2018년에는 아산화 질소와 함께 사용하기 위한 새로운 귀금속 촉매(알루미나 구슬에 로듐 산화물)가 발명되었는데, 이는 순수한 로듐이나 이리듐보다 고온에서 더 안정적이다.^[19]

과산화 수소, 하이드록실암모늄 나이트레이트(HAN), 하이드라진 및 다양한 냉가스 단일 추진제의 물리적 특성, 성능, 비용, 저장성, 독성, 저장 요구 사항 및 우발적 방출 조치를 직접 비교한 결과, 하이드라진이 비충격량 측면에서 가장 높은 성능을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 하이드라진은 또한 가장 비싸고 독성이 강하다. 또한 HAN과 과산화 수소는 가장 높은 밀도 충격량(주어진 단위 부피당 총 충격량)을 가진다.^[20]

같이 보기

• 단일 추진제 로켓
• 아산화 질소 연료 혼합물
• 그린 추진제 주입 임무