아산화 질소 연료 혼합물

아산화 질소 연료 혼합물 추진제(영어: Nitrous oxide fuel blend)는 2010년대 초에 일부 응용 분야에서 하이드라진을 표준 저장성 로켓 추진제로 대체할 수 있도록 고안된 액체 로켓 추진제의 한 종류이다.

아산화 질소 연료 혼합물에서 연료와 산화제는 혼합되어 저장된다. 이는 때때로 혼합 단일 추진제로 불린다. 사용 시, 추진제는 가열되거나 촉매층을 통과하여 아산화 질소가 산소가 풍부한 가스로 분해된다. 그런 다음 연소가 일어난다. 저장된 연료가 폭파되는 것을 방지하기 위해 화학적 제형 및 엔진 설계에 특별한 주의가 필요하다.

개요

 이 부분의 본문은 로켓 연료입니다.

로켓 엔진에 사용되는 추진제는 엔진 설계뿐만 아니라 우주발사체 및 관련 지상 장비 설계에도 중요한 역할을 한다. 무게, 비에너지, 비용, 독성, 폭발 위험 및 기타 문제로 인해 엔지니어는 적절한 추진제를 사용하여 로켓을 설계하는 것이 중요하다. 로켓 연료의 주요 분류는 다음과 같다.

연료 유형 액체 로켓 추진제 고체 추진제 하이브리드 로켓

하나 이상의 연료를 사용하는 설계 단일 추진제 로켓 이원 추진제 삼원 추진제 로켓

작은 기동 추진기에 사용되는 일반적인 연료는 하이드라진이다. 이는 실온에서 액체이며, 양의 생성 엔탈피를 가지므로 시스템 설계를 크게 단순화하는 단일 추진제로 사용될 수 있다. 그러나 극도로 유독하며 +1C의 비교적 높은 어는점을 가진다. 또한 불안정하며, 양의 생성 엔탈피를 가진 모든 물질의 고유한 특성이다.

아산화 질소는 다양한 연료와 함께 산화제로 사용될 수 있으며, 주로 하이브리드 로켓에서 인기가 있다. 하이드라진보다 훨씬 덜 유독하며 끓는점이 훨씬 낮지만, 압력을 가하면 실온에서 액화될 수 있다. 하이드라진처럼 양의 생성 엔탈피를 가지므로 잠재적으로 불안정하면서도 실행 가능한 단일 추진제이다. 촉매를 사용하여 질소와 산소의 뜨거운 혼합물을 생성하도록 분해될 수 있다.^[1] 연료와 혼합되어 사용 전에 저장되면 혼합 단일 추진제가 된다.

역사

독일의 로켓 과학자들은 1937년부터 아산화 질소 연료 혼합물을 실험하고 있었다. 아산화 질소 연료 혼합물 시험은 제2차 세계 대전 내내 계속되었다. 높은 성능, 더 넓은 범위 및 가벼운 공급 시스템에 대한 기대는 아산화 질소와 암모니아 혼합물에 대한 실험을 촉발했으며, 이는 수많은 폭발과 파괴된 모터로 이어졌다.^[2] 아산화 질소 연료 혼합물 단일 추진제를 안전하게 처리할 수 있는 추진 시스템을 구축하는 데 관련된 복잡성으로 인해 심각한 개발이 억제되었다.

아산화 질소 연료 혼합물의 후속 개발은 2000년대에 다시 시작되었고, 2011년에는 우주 공간 내 비행 시험 임무가 계획되었다. 결국, 비행 시험은 취소되었다. 혁신적인 우주 추진 시스템즈(Innovative Space Propulsion Systems)는 미국 항공 우주국의 국제우주정거장(ISS) 부분에서 NOFBX 단일 추진제를 시험할 계획을 발표했으며, 초기 잠정 비행 날짜는 2012년 이전이 아니었다.^[3] 미국 항공 우주국은 2012년 5월에 2013년 발사 슬롯을 통해 ISS 임무를 공식적으로 승인했다.^[4] 이 임무는 2013년 중반에 계약된 미국 항공 우주국 화물 재보급 임무 중 하나로 스페이스X 드래곤 우주선의 비가압 화물칸에 실려 ISS로 향할 예정이었다. "ISPS NOFBX 친환경 추진제 시연"은 ISS의 유럽 콜럼버스 모듈 외부에 장착될 NOFBX 로켓 엔진을 사용하는 심층 조절 100 파운드힘 (440 N) 추력급 엔진을 활용할 예정이었으며, "일련의 우주 내 성능 시험"을 거치면서 약 1년 동안 궤도에 머무를 것으로 예상되었다.^[5]

NOFBX는 Firestar Technologies가 개발한 독점적인 아산화 질소/연료/유화제 혼합 단일 추진제의 상표명이었다.^[6] NOFBX 특허는 아산화 질소를 산화제로, 에테인, 에텐 또는 아세틸렌을 연료로 사용하는 혼합물을 주장했다.^[8] NOFBX는 현재 우주 응용 분야에서 사용되는 다른 단일 추진제(예: 하이드라진)보다 비추력(I_sp)이 높고 독성이 적다. NOFBX 엔진의 비행 시험은 국제우주정거장에서 계획되었지만,^[7] 결국 진행되지 않았다.

NOFBX는 이전에 방위고등연구계획국 계약 하에 고고도 장기 체공 항공기 드론에 동력을 공급하는 왕복 기관의 연료로 사용되었다.^[1] NOFBX는 당시 회사에 의해 "판도를 바꾸는" 기술로 홍보되었으며,^[3] 안전한 단일 추진제가 업계에서 관심을 끄는 이유를 강조하는 몇 가지 특징이 있었다.

• 구성 요소는 화학 공급업체에서 널리 구할 수 있으며 저렴하고 안전하게 취급할 수 있다.^[3]
• 과도한 예방 조치나 위험 없이 운송 및 취급할 수 있다.^[3]
• 최종 제품(N
  2, CO, H
  2O, H
  2 및 CO
  2)^[8]은 모두 기존의 장기 저장성 단일 추진제보다 독성이 실질적으로 적고 축적된 침전물이나 오염을 생성하지 않는다.^[3] 반면 하이드라진은 암모니아를 배출한다.^[8]
• 하이드라진의 비추력은 약 230초이며, NOFBX는 300초의 비추력을 가진 것으로 보고되었다.^[8]
• 하이드라진보다 세 배 이상 높은 에너지 밀도를 가진다.^[8]
• 넓은 열 범위에 내성이 있다. 지상의 실온뿐만 아니라 우주 공간에서 발견되는 온도에서도 저장 가능하다.^[7]
• 유사한 성능의 기존 추진 시스템에 비해 비용을 절감할 것으로 예상되었다.^[3]
• 단일 추진제이므로 보조 하드웨어의 필요성을 크게 줄여 발사 시스템의 비용, 부피 및 질량을 절약한다.
• 더 시원하게 작동하는 추력기를 사용하여 열 설계 과제를 줄인다.^[7]

안전 문제

2008년 미국 항공 우주학회(AIAA)의 아산화 질소 분해에 관한 논문은 탄화수소와 아산화 질소를 혼합하는 안전 위험에 대한 우려를 제기했다. 탄화수소를 추가함으로써 폭발적인 분해 사건에 대한 에너지 장벽이 크게 낮아진다.^[9]

같이 보기

• 아산화 질소