Research Highlight

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   최근에, 백승욱 교수님의 지도아래 우리 연구실에서 가장 활발한 진행된 “Propulsion and Combustion”가 저의 팀 연구입니다. 연구의 인상적인 부분은 기본적으로 두가지 방향으로 나눌 수 있습니다. 첫째, “전기 화학 발전”의 도움으로 산업 응용 분야에서 NOx저감. 둘째, 항공 추진에 관한 “대체 녹색 추진체”입니다. 이 연구의 산업 적용에 관한 주요 내용으로 우리 생태계에 유입되는 비 친환경 오염 물질에 대한 것이며, 우리의 관심은 환경을 심하게 해칠 수 있는 오염 물질 입니다. 주요 오염 물질 중 하나는 NOx입니다.

 

Figure 1: Industrial air pollution

 

Figure 2: NOx generation till now

 

 

   우리는 전압을 통하여 화염 역학을 제어하려고 합니다. 화염 온도, 화염 길이, 높이를 화염 이온 모멘트를 조절하여 제어합니다. 이는 결국 화염 내의 핫 스팟 영역의 생성을 지배함으로써 열전달 속도 및 NOx형성을 제어하여, 연소를 제어하는 가능성을 제공합니다. 현재의 연구로 인하여 우리들은 NOx형성을 약 40~50%까지 줄일 수 있었습니다. 연소의 모든 방면에서 연소 불꽃을 제어하는 더 좋은 방법은 전기장을 이용하여 보다 깨끗하고 높은 연료 효율성을 얻는 것입니다. 연소의 전기장제어는 에너지 효율, 배출 제어, 연료 유연성 그리고 전체 비용 등을 최적화 할 수 있습니다.

 

Figure 3: Effect of gradual increase in applied DC field with negative bias voltage

 

Figure 4: NOx formation against voltage for positive and negative polarities

 

   저희 팀에서 수행한 두번째 주요 연구는 로켓 추진 적용을 위한 “친환경 대체 추진제(Alternative Green Propellants)” 입니다. 요즘 상용 우주 추진은 주로 발사체와 위성 조종에 초점이 맞추어져 있습니다. 대형 추진 시스템은 LOX(KSLV, Falcon X)와 함께 등유와 같은 대량 연료 및 산화제를 필요로 하며, 이러한 이원 추진체는 저장 운송 및 안전한 임무를 위해 과도한 측정이 요구됩니다. 액체 산소는 안전한 측정에 어려움을 낳습니다. 그리고 이러한 안전문제 때문에 과거에 출발직전 플랫폼에서 폭발하는 경우도 발생 했었습니다. 또한 인공위성 추진을 위해 UDMH-RFNA, MMH-RFNA, MMH-NTO와 같은 히드라진 계 하이포 고블 추진제가 천연 하이포 고블 특성과 추진시스템의 다중 재시동을 가능하게 하는 짧은 점화 지연 시간으로 인해 사용됩니다. 이러한 추진제는 높은 ISP, 전반적인 엔진 단순성으로 인한 비 친환경적, 안전 문제, 위험한 부산물 그리고 제조, 보관 및 유지 보수에 대한 막대한 경제적 어려움에도 불구하고 선호됩니다. 다가오는 우주 경주에 대한 도전으로 세 가지 요소가 가장 가치가 있습니다. 첫째로 경제, 두 번째로 친환경, 세 번째 안전. 모든 노력은 재정적 지원이 필요하므로 경제적이고 저렴하고 안전하며 신뢰할 수 있고 저장 가능하며 탄약에 민감한 추진체가 항상 선호됩니다. 로켓의 유해한 부산물이 동식물을 해치고 건강 문제를 일으키고 사용 가능한 토지에 광범위한 피해를 입히고 그러한 추진체의 취급이 안전 문제로 인해 매우 어려우므로 환경 안전은 모든 인류에게 중요한 요소입니다. 이러한 과제를 극복하기 위해 새로운 유형의 추진체가 경제를 개선하고 안전 문제와 환경 문제를 극복 할 수 있도록 공식화되거나 설계 되어야 합니다. 이러한 맥락에서 우리는 다양한 형태의 알코올과 같이 쉽게 이용할 수 있는 재료를 사용하여 추진 응용을 위한 겔을 기초로 한 대체 친환경 하이퍼 고블 시스템[Figure 5, and 6]을 공식화하고 설계 할 수 있었습니다. 우리 연구팀은 겔 상태의 에탄올과 에탄올 아민 (다른 알코올 군과 마찬가지로)과 적합한 촉매의 존재 하에서 겔화 된 과산화수소를 사용하여 0.2 에서 0.9까지 중량 % 임계 촉매 농도에서 2 ~ 50ms의 다양한 지연 시간으로, 우주 추진에 가장 유망한 출력을 나타냄을 확인하였습니다. [Figure 6].

 

Figure 5: Thruster design and studies in progress

 

Figure 6. Research focus: (i) Propellant design, (ii) Hypergolicity, (iii) Ignition delay time

 

   결론적으로 저희 팀은 우주 탐사를 위해 오염 물질 제어 기반의 연소와 대체 녹색 연료 방향 설정에 기여해 왔습니다. 전반적으로 우리의 연구는 산업 및 우주 항공 응용 분야에서 다음과 같은 문제를 극복하는 데 기여합니다.

 

• - 경제
• - 환경문제(건강위험,환경오염, 지구온난화 등)
• - 안전
• - 안정성/성과

 

원문

 

   Recently, the most active research being conducted in our laboratory “Propulsion and Combustion” under Professor Seung Wook Baek supervision is my team. The basic highlight of my research can be simply directed in two paths. Firstly, for industrial application regarding, NOx reduction with the help of “Electro Chemical Progress”. Secondly, for aerospace propulsion application regarding, “Alternative Green Propellants”. The research highlights for Industrial Application majorly concerns with non-ecofriendly pollutants entering our eco-system. Our focus is on these pollutants that can heavily harm our environment. One of the major pollutants is NOx [Figure 1, 2 and Table 1].

 

   Through applied electric voltage we are trying to control the flame dynamics such as; flame temperature, flame length, height by controlling the ionic moments within the flame [Figure 3]. This in turn provides the feasibility of controlling combustion through controlling heat transfer rate and NOx formation by overcoming the hot spot region generation within the flame [Figure 3]. With the help of current research we were able to reduce the NOx formation to about 40 ~ 50% [Figure 4]. The better way of controlling a burning flame in all aspects of combustion making it cleaner and fuel efficient can be done by using electric field. Electric field control of combustion may optimize; Energy efficiency, Emission control, Fuel flexibility and Overall cost.

 

   The second major research being conducted by my team is “Alternative Green Propellants” for Rocket Propulsion Application. Commercial space propulsion these days mainly focuses on the launch vehicle and satellite maneuvering. Large propulsion system requires massive quantity of fuel and oxidizer, such as kerosene with LOX (KSLV, Falcon X), with these arrangement of bi propellant drastic measurements are required for storage, transportation and mission safety. Liquid oxygen provides much difficulty in such safety measurements, and because of these safety issues launch vehicles have exploded on the platform just before launch as experienced in past. Also for satellite propulsion application Hydrazine based hypergolic propellants such as UDMH-RFNA, MMH-RFNA, MMH-NTO, are in use due to its natural hypergolic nature and short ignition delay time which allows multiple restarts for a propulsion system. These propellants are preferred despite its problems, being non eco-friendly, safety issues, hazardous byproduct and massive economic challenges for manufacturing, storage and maintenance, because of high ISP, hypergolicity and overall engine simplicity. With upcoming challenges for space-race, three factors hold most value; firstly Economy, secondly Eco-friendly, thirdly Safety.

Economy, as all associated efforts require financial support, a cheap, safe, reliable, storable and high munition sensitive propellant will always be preferred. Environment safety is major factor for all humanity since hazardous byproduct from rocket exhausts harm flora and fauna equally creating health issues and extensive damage to useable land and handling of such propellant is very challenging due to health safety issues. To overcome these challenges a new type of propellant has to be formulated or designed that can improve economy, overcome safety issues and the environmental issues. In this context we were able to formulate and design a gel based alternative green hypergolic bipropellant system [Figure 5, and 5a] for propulsion application using easily available materials like Alcohol in varied forms. Our team identified that ethanol and ethanolamine (along with other alcohol family) in gel state with gelled hydrogen peroxide in presence of a suitable catalyst shows most promising output for space propulsion application with delay time varying from 2 to 50 ms at critical catalyst concentration ranging from 0.2 to 0.9wt% [Figure 6].

 

   In conclusion my research team has been contributing in the direction of combustion based pollutant control and alternative green fuels for space exploration. Overall, our research contributes to overcome the following problems for Industrial and Aerospace application;

 

• - Economy 
• - Environmental issue (such as; Health hazard, pollution and global warming)
• - Safety
• - Stability/Performance

 

 

 

 

Written by           B. V. S. Jyoti[jyotiv@kaist.ac.kr]

편집         정병학[byeonghak92@kaist.ac.kr]