[논문]노즐목 적용 탄소/탄소 복합재료의 열반응 특성 연구

함희철

문제 정의

비행체 추력의 약 65~75%는 노즐 목까지의 아음속 영역의 가속에 의해 발생하고, 나머지는 초음속 영역의 팽창과정에서 발생한다. 노즐설계의 목적은 제한된 외면모양, 무게 및 비용 조건하에서 비행거리 및 적재 폭발력을 최대화 할 수 있도록 배기가스의 팽창을 조정하는 것이다. 따라서 노즐은 보다 큰 체계의 한 종합적인 구성요소이며, 그 체계를 고려하지 않고는 최적화될 수 없다.
따라서 최적의 열반응 특성을 갖는 탄소/탄소 복합재료의 개발과 열반응 특성 규명에 대한필요성이 대두되어 본 연구를 수행하게 되었으며, 탄소/탄소 복합재료와 ATJ 흑연의 열반응특성을 상호 비교함으로써 국산재료 및 기술의발전 가능성을 확인하고자 하였다.

가설 설정

연소생성물과 내열재료의 성분 및 분해 가스 사이의 삭마에 의한 표면후퇴는 순전히 화학적인 현상으로 가정한다. 입자침적에 의한 기계적 침식, 국부적 쪼개짐 (spalling), 그리고 표면마찰에 의한 용융층의 제거 등은 해석적으로 고려하기 어렵고, 이와 같은 영향을 무시할 수 없을 정도가 되면 경험식을 개발하여 적용하는 것이 일반적인 방법이다μ].

제안 방법

고체로켓 모터의 노즐목 삽입재에 적용하는탄소/탄소 복합재료의 열반응 특성을 분석하였다. 내열평가 시험은 3종류의 TPEM 모터를 사용하였고, 추진제는 2종류를 사용하였으며, 연구결과에 대한 결론은 다음과 같다.
내열평가 시험은 3종류의 TPEM 모터를 사용하였고, 추진제는 2종류를 사용하였으며, 연구결과에 대한 결론은 다음과 같다.
삭마두께는 노즐목 (throat) 위치에서 측정한연소시험 전후 내경의 차이로 계산되며, 3차원측정 장비를 사용하여 측정하였다. 노즐목 삽입재의 열반응 특성은 단위 시간 당 삭마두꺼】, 즉삭마율을 사용하여 분석하였다.
1 참조). 노즐목 위치에 탄소/탄소 복합재료 및 ATJ 흑연을 적용하여 연소시험을 수행하였다.
노즐표면의 온도가 급격히 상승하는 시기인 연소 초기, 즉 비교적 낮은 표면 온도구간에서는 화학반응 (chemical kinetics)이, 그 이후 온도가 높은 구간에서는 노즐표면으로의 산화성 분들의 확산이 삭마과정에 지대한 영향을 준다. 또한 삭마율은 추진제의 알루미늄 함량의 감소에 따라, 그리고 압력, 표 I면조도의 증가와 더불어 상승하는 결과를 도출하였다. Borie etc.
16)를사용하였다. 밀도차이에 따라 3종류 소재의 시험 결과를 분석하였다.
0 어輦로 나눈 값이다. 삭마두께는 노즐목 (throat) 위치에서 측정한연소시험 전후 내경의 차이로 계산되며, 3차원측정 장비를 사용하여 측정하였다. 노즐목 삽입재의 열반응 특성은 단위 시간 당 삭마두꺼】, 즉삭마율을 사용하여 분석하였다.
이러한 상관성 때문에 노즐설계는 공력, 열, 구조, 제작 등을 고려한 반복적인 과정을 거쳐 이루어진다. 설계된 노즐은 먼저 열적 및 구조적으로 상세해석을 통해 평가되고, 그 다음에 전체 비행체 성능에 미치는 영향을 분석하게 된다. 이와 같은 이중의 반복과정은 실질적으로 최적조건이 성립될 때까지 계속된다.
Borie etc.[7|는 고체 로켓 모터에서 탄소/탄소 복합재료에 영향을 미치는 요인에 대한 열화학분석을 수행하였으며, 殛。에 의한 탄소 화학작용이 노즐 삭마에 영향을 미침을 확인하였다.
수행하였다. 연소시험 시 추진제 연소 시간, 압력, 추력을 측정하였으며, 연소시험 후 단위 시간당 제거된 재료의 두께를 나타내는삭마율을 구하였다.
Table 4는 TPEM-16 모터를 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 측정 결과를 정리한 것이며, ATJ 흑연의 시험 결과도 비교 정리하였다. 추진제는 ADP-304를 기본으로 사용하였으며, ADP-302 추진제를 사용한 ATJ 흑연의 시험 결과도 비교하였다. 평가 소재는 모두 탄소/탄소 복합재료이며, 프리폼 구조는 동일하고 밀도차이에 따라 3종류(CC1, CC₂, CC₃)를 시험하였다.
추진제는 ADP-304를 기본으로 사용하였으며, 산화몰분율이 ADP-304 추진 제보다높은 ADP-302 추진제를 사용한 ATJ 흑연의 시험 결과도 비교하였다(Table 1 참조). Table 4는 TPEM-16 모터를 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 측정 결과를 정리한 것이며, ATJ 흑연의 시험 결과도 비교 정리하였다.

대상 데이터

TPEM 모터는 연소관 직경 10 inch 급과 16 inch 급의 두 종류로 개발되었으며, TPEM-10은 가용 압력이 200~600 psia, 연소시 간이 15~25초 정도의 후미연소(End Burning) 그레인의 소형 시험모터이다. TPEM-10me 연소관 및 앞마개는 기존 사용 중인 TPEM-10을 그대로 사용하고 노즐만 교체하여 시험한다. 가용압력은 최대 1200 psia, 연소시간은 최대 30초, 노즐목 직경은 10.
psia이다. 두 모터 모두 동일한 ADP-304 추진제(산화몰분율 0.16)를 사용하였으며, 연소 형태도 후미연소로 동일하다. 앞의 Fig.
탄화공정은 프로판 가스를 사용하여 기상함침법 (CVI)으로 탄소를 1차 함침, 탄화시킨 후 2차로핏치를 함침, 가압탄화(HIP) 한다. 보강 섬유로 사용한 탄소섬유는 PAN계 고강도 섬유로 태광산업(주)에서 제조한 TZ-307 3K 또는 12K, 그리고 일본 Toray에서 제조한 T-700S이다. 핏치는정우석탄화학(주)의 석탄계 핏치를 사용하였다 [8].
본 연구에 사용된 탄소/탄소 복합재료 제작에 사용된 매트릭스는 열분해 탄소 (pyrolytic carbon)와 콜타르 핏치(coal-tar pitch)이다. 탄화공정은 프로판 가스를 사용하여 기상함침법 (CVI)으로 탄소를 1차 함침, 탄화시킨 후 2차로핏치를 함침, 가압탄화(HIP) 한다.
지상연소시험은 TPEM(Thermal Protector Evaluation Motor) 모터를 사용하여 수행하였으며, 2종류의 추진제를 사용하여 시험하였다 (Table 1 참조). 노즐목 위치에 탄소/탄소 복합재료 및 ATJ 흑연을 적용하여 연소시험을 수행하였다.
추진제는 ADP-304를 기본으로 사용하였으며, ADP-302 추진제를 사용한 ATJ 흑연의 시험 결과도 비교하였다. 평가 소재는 모두 탄소/탄소 복합재료이며, 프리폼 구조는 동일하고 밀도차이에 따라 3종류(CC1, CC₂, CC₃)를 시험하였다. 무차원밀도는 소재 밀도를 2.
보강 섬유로 사용한 탄소섬유는 PAN계 고강도 섬유로 태광산업(주)에서 제조한 TZ-307 3K 또는 12K, 그리고 일본 Toray에서 제조한 T-700S이다. 핏치는정우석탄화학(주)의 석탄계 핏치를 사용하였다 [8].

성능/효과

1. 산화몰분율이 0.16일 때 연소실 압력이 상승함에 따라 탄소/탄소 복합재료(CC₁)의 경우 100 psia 당 0.008 mm/sec로 삭마율이 증가하였다.
2. 산화몰분율이 증가함에 따라 ATJ 흑연의 경우 삭마율 기울기가 모터의 형상과 노즐목내경 차이에 의해 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 노즐목 내경이 37.
3. 산화몰분율이 0.16일 때 소재 밀도가 증가함에 따라 탄소/탄소 복합재료의 경우 0.1 g/cre 당 0.076 mm/sec로 삭마율이 감소하였다.
4. 따라서 국산 탄소/탄소 복합재료와 ATJ 흑연의 열반응 특성을 상호 비교한 결과 국산재료의 개발 가능성을 확인하였다.
앞에서도 언급하였듯이 TPEM-10m과 TPEM-16의 연소실 설계 평균압력은 1000 psia로 동일하다. 그림에서 알 수 있듯이 산화몰분율이 증가함에 따라 두 모 터 모두 삭마율이 유사한 기울기로 증가하였으며, 모터의 형상과 노즐목 내경 차이에 의해 기울기가 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 노즐목 내경이 37.
노즐목에서의 삭마과정은 연소생성물에 함유된 h2o a)2와 같은 산화성 가스에 의한 화학적 침식이 중요한 원인이라는 것을 확인할 수 있다. 즉, 탄소구조물에 대한 열반응 메커니즘은 H成) CO₂ 등의 산화성 가스가 탄소 구조물의 탄소와 결합하여 c。로 되는 과정을 거치게 된다.
또한, 탄소/탄소 복합재료는 페놀재료의 열분해 (pyrolysis)시 야기되는 가스 발생을 피할 수 있고, 열팽창계수가 매우 적어 열팽창에 의한 내부 열응력을 줄일 수 있어 설계 단순화를 가져올 수 있으며, 또한 무게를 줄일 수 있어 노즐 효율을 증대시킬 수 있다. 아울러 탄소/탄소복합재료는 훌륭한 내열재이면서 동시에 훌륭한 구조재 역할을 담당한다.

후속연구

076 mm/sec 로 삭마율이 감소한다. 그러나 ATT 흑연의 삭마율 측정치가 2위치뿐이고, 그 차이도 크게 나타나고 있어 이에 대한 추가적인 시험이 요구된다.
085 mm/sec로 삭마율이 증가한다. 그러나 TPEM-16, 산화몰분율 0.49인 경우삭마율 측정치가 1위치뿐이고, 산화몰분율이 0.16인 경우 측정치도 서로 차이를 보이고 있어 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
008 mm/sec로 삭마율이 증가한다. 그러나 평균압력이 1000 psia인 경우 탄소/탄소복합재료(CC1)의 삭마율 측정치가 1위치뿐이고, ATJ 흑연의 삭마율 측정치도 서로 큰 차이를 보이고 있어 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

노즐목 적용 탄소/탄소 복합재료의 열반응 특성 연구
A Study on the Thermal Response Characteristics of Carbon/Carbon Composites for Nozzle Throat Insert 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

노즐목 적용 탄소/탄소 복합재료의 열반응 특성 연구 A Study on the Thermal Response Characteristics of Carbon/Carbon Composites for Nozzle Throat Insert 원문보기

초록 AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

후속연구

참고문헌 (8)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

함희철 (14)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

노즐목 적용 탄소/탄소 복합재료의 열반응 특성 연구
A Study on the Thermal Response Characteristics of Carbon/Carbon Composites for Nozzle Throat Insert 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper