단일 추진제 로켓

단일 추진제 로켓, 일원 추진제 로켓(monopropellant rocket), 단일화학 로켓(monochemical rocket)은 단일 화학 물질을 추진제로 사용하는 로켓이다. 단일 추진제 로켓은 인공위성, 로켓 상단, 유인 우주선 및 우주왕복선에서 소형 고도 및 궤도 제어 로켓으로 일반적으로 사용된다.

화학 반응 기반 단일 추진제 로켓
가장 간단한 단일 추진제 로켓은 저장 가능한 추진제를 촉매층에 통과시킨 후 추진제의 화학분해에 의존한다. 추력기의 동력은 분해 반응 중에 생성되는 고압 가스에서 나오며, 이 가스는 로켓 노즐이 가스를 가속하여 추력을 생성하도록 한다.

가장 일반적으로 사용되는 단일 추진제는 하이드라진()으로, 촉매가 존재할 때 불안정하며 강한 환원제이기도 하다. 가장 흔한 촉매는 이리듐으로 코팅된 과립형 산화 알루미늄(산화 알루미늄, )이다. 이 코팅된 과립은 일반적으로 Aerojet S-405 (이전에는 쉘에서 제조) 또는 W.C. Heraeus H-KC 12 GA (이전에는 칼리 케미에서 제조)라는 상업용 레이블로 판매된다. 하이드라진에는 점화 장치가 없다. Aerojet S-405는 자발성 촉매로, 하이드라진은 촉매와 접촉하면 분해된다. 화학분해는 매우 발열적이며 질소, 수소, 암모니아의 혼합물인 의 가스를 생성한다. 단일 추진제 로켓의 주요 제한 요인은 수명이며, 이는 주로 촉매의 수명에 달려 있다. 촉매는 촉매 중독 및 촉매 마모의 영향을 받을 수 있으며, 이는 촉매 고장을 초래한다. 또 다른 단일 추진제는 과산화 수소이며, 90% 이상의 농도로 정제될 경우 고온 또는 촉매가 존재할 때 자체 분해된다.

대부분의 화학 반응 단일 추진제 로켓 시스템은 일반적으로 타이타늄 또는 알루미늄 구체인 연료 탱크와 에틸렌프로필렌 고무 용기 또는 연료로 채워진 표면장력 추진제 관리 장치로 구성된다. 그런 다음 탱크는 헬륨 또는 질소로 가압되어 연료를 모터로 밀어낸다. 파이프는 탱크에서 포핏 밸브로, 그리고 로켓 모터의 분해실로 연결된다. 일반적으로 인공위성에는 하나의 모터가 아니라 2개에서 12개까지 있으며, 각 모터에는 자체 밸브가 있다.

인공위성 및 우주 탐사선의 자세 제어 로켓 모터는 종종 매우 작으며 지름이 약 이고 네 방향(평면 내에서)으로 향하는 그룹으로 장착된다.

로켓은 컴퓨터가 소형 전자석을 통해 직류를 보내 포핏 밸브를 열 때 발사된다. 발사는 종종 몇 밀리초로 매우 짧으며, 공중에서 작동할 경우 금속 쓰레기통에 조약돌을 던지는 소리가 나고, 오래 작동할 경우 찢어지는 듯한 쉿 소리가 난다.

화학 반응 단일 추진제는 다른 일부 추진 기술만큼 효율적이지 않다. 엔지니어는 단순성과 신뢰성이 높은 전달 충격량의 필요성보다 중요할 때 단일 추진제 시스템을 선택한다. 추진 시스템이 행성 간 우주선의 주 모터와 같이 많은 양의 추력을 생성해야 하거나 높은 비추력을 가져야 하는 경우 다른 기술이 사용된다.

태양열 기반 단일 추진제 추력기
지구 저궤도(LEO) 추진제 보급기지 개념은 다른 우주선이 LEO를 넘어 임무를 수행하는 도중에 정차하고 연료를 보급할 수 있는 중간 기지로 사용될 수 있다고 제안했다. 이 개념에 따르면, 우주 공간의 복사열 환경에서 장기간 액체 수소를 저장할 때 발생하는 불가피한 부산물인 폐기 기체 수소를 태양열 추진 시스템에서 단일 추진제로 활용할 수 있다. 폐기 수소는 궤도 유지 및 자세 제어뿐만 아니라 보급기지에서 연료를 받을 inbound 우주선과의 더 나은 랑데부를 위한 궤도 기동에 사용할 제한된 추진제 및 추력을 제공하는 데 생산적으로 활용될 것이다.

태양열 단일 추진제 추력기는 미국 기업 유나이티드 론치 얼라이언스(ULA)가 제안한 차세대 극저온 상단 로켓의 설계에도 필수적이다. 어드밴스트 커먼 이볼브드 스테이지(Advanced Common Evolved Stage, ACES)는 기존 ULA 센타우르 및 ULA 델타 극저온 2단계 (DCSS) 상단 차량을 보완하고 대체할 수 있는 저비용, 고성능, 유연한 상단으로 구상되었다. ACES "Integrated Vehicle Fluids" 옵션은 일반적으로 자세 제어 및 궤도 유지를 위해 사용되는 모든 하이드라진과 헬륨을 우주선에서 제거하고 대신 폐기 수소를 사용하는 태양열 단일 추진제 추력기에 의존한다.Zegler and Kutter, 2010, p. 5.

 역사 
섬네일|18개의 과산화수소 단일 추진제 추력기가 장착된 달 착륙 연구 차량
소련 설계자들은 1933년에 이미 단일 추진제 로켓 실험을 시작했다. 그들은 사산화 이질소와 가솔린, 또는 톨루엔, 그리고 케로신을 혼합한 단일 추진제가 전반적으로 더 간단한 시스템을 이끌 것이라고 믿었다. 그러나 그들은 미리 혼합된 연료와 산화제가 단일 추진제로 사용될 때 격렬한 폭발 문제에 직면하여 이 접근 방식을 포기하게 되었다.

독일 엔지니어 헬무트 발터는 과산화수소를 연료로 사용하는 단일 추진제 로켓의 초기 개척자였다. 잠수함에 사용하기 위한 과산화수소 가스 터빈을 개발한 후, 그의 설계에 따른 단일 추진제 모터는 하인켈 He 176(액체 로켓 모터로만 구동되는 최초의 항공기)과 초기 메서슈미트 Me 163 코메트 시제품(유일하게 운용된 로켓 동력 전투기)을 구동하는 데 사용되었다.

제2차 세계 대전 이후 영국은 과산화수소 단일 추진제에 대한 실험을 계속했다. 그들은 16초 동안 5000lbf(22.2 kN)의 추력을 생산할 수 있는 드 해빌랜드 스프라이트 모터를 개발했다. 이 로켓은 드 해빌랜드 코멧 1(최초의 상업용 제트 여객기)에 30회 비행 시험되었으며, 이는 핫 앤드 하이(hot and high) 이륙 성능을 향상시키기 위한 노력의 일환이었지만, 실제 운용에는 사용되지 않았다.Birtles 1970, p. 125.

미국에서 NASA가 제트 추진 연구소(JPL)에서 단일 추진제를 연구하기 시작했을 때, 기존 추진제의 특성 때문에 추진기가 비실용적으로 커야 했다. 촉매와 예열 추진제를 추가하여 효율성을 높였지만, 무수 하이드라진과 같은 유해 추진제의 안전 및 취급에 대한 우려가 제기되었다. 그러나 초기 단일 추진제를 중심으로 설계된 추진기의 단순성은 많은 이점을 제공했으며, 1959년 에이블-4 임무에서 처음 시험되었다. 이 시험을 통해 레인저 및 매리너 임무는 수정 기동에 유사한 추진기를 사용할 수 있었고, 우주 경쟁 초기에 가장 중요한 통신 위성으로 국립 항공 우주 박물관이 인정한 텔스타의 궤도 삽입에도 사용되었다.
섬네일|12개의 하이드라진 단일 추진제 추력기가 장착된 센타우르 III 상단
1964년, NASA는 달 착륙 연구 차량을 사용하여 아폴로 우주비행사들에게 16개의 과산화수소 단일 추진제 추력기로 구성된 자세 제어 시스템을 사용하여 달 착륙 모듈(LEM)을 달 표면으로 조종하는 훈련을 시작했다.

상단 차량은 1960년대 초 제너럴 다이내믹스가 미국 공군에 센타우르 상단부를 제안하면서 편리한 제어 장치로 단일 추진제 추력기를 사용하기 시작했으며, 그 버전은 유나이티드 론치 얼라이언스의 아틀라스 및 벌컨 로켓에서 여전히 사용되고 있다.

새로운 개발
NASA는 10–150 m/s 범위의 델타-v 요구 사항을 가진 소형, 비용 효율적인 우주선을 위한 새로운 단일 추진제 추진 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템은 매우 밀도가 높고 환경에 무해하며 우수한 성능과 단순성을 약속하는 질산히드록실암모늄(HAN)/물/연료 단일 추진제 혼합물을 기반으로 한다.

EURENCO 보포스 회사는 65%의 다이아미딘 질산 암모늄, NH4N(NO2)2를 35%의 메탄올 및 암모니아 수용액에 용해시켜 하이드라진의 1대1 대체품으로 LMP-103S를 생산했다. LMP-103S는 하이드라진 단일 추진제보다 비추력이 6% 더 높고 충격 밀도가 30% 더 높다. 또한 하이드라진은 독성이 강하고 발암성이 있는 반면, LMP-103S는 독성이 중간 정도이다. LMP-103S는 UN Class 1.4S로 상업용 항공기 운송이 허용되며, 2010년 프리스마 위성에서 시연되었다. 특별한 취급이 필요하지 않다. LMP-103S는 가장 일반적으로 사용되는 단일 추진제로 하이드라진을 대체할 수 있다.

 같이 보기 
 단일 추진제
 접촉점화성 추진제
 액체 로켓
 화성 정찰위성
 반응 휠
 산화질소 연료 혼합물
 로켓 추진 기술 (동음이의)

 각주 

 외부 링크 
 로켓용 단일 추진제로서의 과산화수소에 대한 기술 보고서
 USPAT 20090133788 산화질소 연료 혼합 단일 추진제

분류:로켓 엔진
분류:로켓 추진