[논문]노즐 내열재 열반응에 미치는 고체 추진제 연소가스의 영향

황기영; 임유진; 함희철; 강윤구; 배주찬

노즐 내열재 열반응에 미치는 고체 추진제 연소가스의 영향
Effects of Solid Propellant Cases on the Thermal Response of Nozzle Liner 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.11 no.2 = no.39, 2007년, pp.26 - 36

황기영 (국방과학연구소 추진기관부) , 임유진 (국방과학연구소 추진기관부) , 함희철 (국방과학연구소 추진기관부) , 강윤구 (국방과학연구소 추진기관부) , 배주찬 (국방과학연구소 추진기관부)

초록
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슬랏이 있는 튜브형 그레인 형상의 알루미늄 함유 PCP계 또는 HTPB계 추진제를 충전한 고체 추진기관에 대해 노즐 내열재의 열반응 특성을 분석하였다. 노즐 내열재에서 채취한 산화알루미늄 입자의 SEM 사진을 통해 상대적으로 크기가 작고 저 함량의 산화제를 포함한 PCP계 추진제는 HTPB계 추진제보다 알루미늄 분말들이 응집될 가능성이 크다는 것을 확인할 수 있었다. PCP계 추진제를 적용한 경우에는 그레인 슬랏과 일치하는 노즐 축소부 내열재의 원주방향 4개 영역에서 큰 입자의 산화알루미늄 충돌로 인해 국부적으로 삭마가 많았지만 HTPB계 추진제는 연소가스내 $H_2O$ 및 $CO_2$의 몰분율이 상대적으로 많음으로 인해 노즐 토출관, 목삽입재 및 확대부 내열재에서 화학반응으로 인한 삭마가 많았다.

Abstract ▼ AI-Helper

The thermal response characteristics of nozzle liner for a solid rocket motor applying highly aluminized PCP or HTPB propellant with slotted tube grain have been investigated. The SEM photographs of aluminum oxide particles taken from nozzle liner show that the PCP propellant with the finer and less contents of oxidizer can offer greater possibility for increasing aluminum agglomeration than the HTPB propellant. The PCP propellant shows locally greater mechanical erosion at 4 circumferential areas of the nozzle entrance in line with grain slot due to the impingement of large particles, but the HTPB propellant shows greater thermochemical ablation at the nozzle blast tube, the throat insert and the exit cone because of relatively much more mole fraction of $H_2O\;and\;CO_2$ in combustion gases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고 함량의 알루미늄 분말을 함유한 2종류의 고체 추진제에 대해 추진제 원료 성분, 연소시험후 산화알루미늄의 입자크기 및 연소 가스의 물성치를 비교하였다. 또한 이들 추진제를 원주방향 90° 간격으로 슬랏(slot)이 있는 튜브형 그레인 형상을 가진 고체 추진기관에 각각 적용하였을 때, 연소관 후방돔과 연결되는 노즐 축소부 내열재에서 산화알루미늄 입자 충돌로 인한 국부적 삭마현상과 노즐 내열재에서 연소 가스와의 화학반응에 의한 열반응특성 차이에 대해 비교 분석하였다.

제안 방법

Table 1에서는 2종류의 혼합형 고체 추진제 (Composite Solid Propellant), 즉 HTPB (Hydroxy Terminated Polybutadiene) 계 추진제인 H 추진제와 PCP (Polycaprolacton)계 추진제인 P 추진제에 대한 주요 원료성분, 분말 직경, 중량비 및 체적비를 비교하였다. 추진제 원료에서 알루미늄(A1) 분말의 크기는 25 iim로 서로 같고 함량(중량비)은 19대20으로 1%의 미소한 차이를 나타낸다.
물성치를 비교하였다. 또한 이들 추진제를 원주방향 90° 간격으로 슬랏(slot)이 있는 튜브형 그레인 형상을 가진 고체 추진기관에 각각 적용하였을 때, 연소관 후방돔과 연결되는 노즐 축소부 내열재에서 산화알루미늄 입자 충돌로 인한 국부적 삭마현상과 노즐 내열재에서 연소 가스와의 화학반응에 의한 열반응특성 차이에 대해 비교 분석하였다.
슬랏이 있는 튜브형 그레인 형상의 고체 추진기관에 고 함량의 알루미늄을 내포한 H와 P의 2종류 혼합형 추진제를 각각 적용하였을 때 노즐 내열재에서 산화알루미늄 입자 충돌과 연소 가스와의 화학반응에 의한 열반응 특성을 서로 비교하였으며, 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 추진기관의 단면 형상은 Fig. 2와 같으며, 연소관 후방돔 부근에는 추진제의 연소면적을 증가시키기 위해 90° 간격으로 슬랏이 있는 튜브형 그레인으로 설계되어 있다. Fig.
토출관내열재 소재는 PAN계 탄소/페놀릭이고테이프 래핑 각도가 크기(노즐 중심선 기준 30°) 때문에 제작시 주름현상 (wrinkling)이 발생하였고, 이로 인해 Fig. 4에서 보듯이 삭마두께와 숯 깊이는 내열재 내면과 평행하지 못하고 약간 굴곡이 져있다. H 추진제의 경우(Fig.

성능/효과

(1) 산화제 부피 분율이 47%인 PCP계 추진제는 산화제 부피 분율이 64%인 HTPB계 추진제보다 추진제 연소시에 알루미늄 응집이 더 많이 발생하여 입자가 큰 산화알루미늄이 생성됨을 확인하였다. 그러나 연소가스와의 화학반응에 의한 노즐 내열재 삭마에 크게 영향을 미치는 연소 생성물중 HjQ와 CO₂ 몰분율은 HTPB계 추진제가 2.
(2) 축소부 내열재의 경우 HTPB계 추진제 적용 시에는 삭마두께와 숲 깊이는 원주 방향으로 비교적 균일하였지만 PCP계 추진제는 추진제 슬랏 방향과 일치하는 원주방향 4개 부위에서 국부적으로 많이 삭마되었고, 내열재 표면에 산화알루미늄 입자가 많이 침적되었다. HTPB계 추진제는 추진기관 연소 시간에 상관없이 내열재 무게 감소량은 일정하였지만, PCP계 추진제인 경우에는 산화알루미늄 입자 충돌로 인해 추진기관 연소시간이 길수록 내열재 무게 감소량이 증가하였다.
(3) 토출관내열재는 연소가스와의 화학반응에 의한 삭마가 지배적이므로 축소부 내열재의 경우와는 반대로 C₆와 HQ로 인한 연소 가스 산화 포텐셜이 많은 HTPB계 추진제가 PCP 계 추진제 보다 내열재 삭마가 더 많았고, 삭마량 차이는 산화 포텐셜 차이와 거의 일치하였다.
(4) 목삽입재 전방에서 HTPB계 추진제가 PCP계 추진제 보다 내열재 삭마가 많았고 후방으로 갈수록 삭마는 급격히 줄어들었다. 그러나 PCP계 추진제의 경우에는 산화알루미늄 입자 충돌로 슬랏 부위와 슬랏 사이 부위에서 삭마 차이는 크게 나타났다.
(5) 연소시험 전, 후의 추진제별 내열재 무게변화량을 비교하면, 축소부 내열재는 산화알루미늄 입자 충돌의 영향으로 PCP계 추진 제적용 시 무게감소량이 더 많았다. 그러나 토출관 내열재, 목삽입재 및 확대부 내열재는 연소가스와의 화학반응에 의한 삭마/숯의 영향으로 HTPB계 추진제인 경우에 무게가 더 많이 감소하였다.
H 추진제의 경우(Fig. 4(a)) 슬랏부위 단면과 슬랏 사이 단면에서 삭마두께와 숯 깊이는 서로 비슷하였으며, 토출관 가운데 부위 (10~14번)에서 삭마두께는 2.5~3.0 mm이었다. 그러나 P 추진제의 경우(Fig.
H 추진제인 경우에는 추진제 초기온도(-40, +20, +60 ℃) 차이로 야기된 추진기관 연소시간 변화에 상관없이 축소부 내열재 무게 감소량은 6개 추진기관에서 비슷하며 평균값은 333 g 으로 초기무게의 19% 감소하였다. 그러나 P 추진제는 연소시간이 길수록 축소부 내열재 무게 감소량이 증가하였으며, 추진기관 연소 시간이 8.5초(초기온도 +60 ℃)인 경우에는 478 g 감소한 반면에, 연소시간이 11.38초(초기온도 -40 ℃)인 경우에는 624 g 감소하였으며 이는 약 30% 더 감소하였다. 따라서 P 추진제인 경우에는 추진기관 연소시간이 삭마에 크게 영향을 미침을 알 수 있다.
어려움이 있다. 그러나 상기에 기술된 연구 결과를 종합해 보면 산화제 분말의 크기가 작을수록, 그리고비활성 바인더 (inert binder) 인보다 자체적으로 연소하는 활성 HTPB 바인더바인더(active binder)인 PCP 바인더 적용시 산화알루미늄 입자 크기가 크게 됨을 알 수 있다.
g이었다. 동일한 추진제에서는 추진기관의 연소 시간에 상관없이 내열재의 무게 감소량은 비슷하였으며, H 추진제인 경우에는 222 g 으로초기무게의 17% 감소하였고, P 추진제인 경우에는 176 g 으로 초기무게의 13% 감소하였다. 상기에서 보듯이 P 추진제 보다 H 추진제 적용 시 숯이 더 많고 내열재 무게가 더 감소되었는데, 이는 H 추진제의 연소가스 내에는 내열재 화학반응을 야기시키는 CCh와 HQ의 몰분율이 상대적으로 많아 내열재 열반응이 더 촉진되었기 때문이다.
0 mm 이었다. 따라서 H 추진제의 평균 삭마두께는 약 2.75 nun이고, P 추진제는 약 1.25 mm이므로 이들 간의 차이는 약 2.2배이며 이는 3.2항에서 연소가스의 산화 포텐셜로 계산된 삭마 예측치(2.3배)와 거의 일치함 을 알 수 있다.
그리고 산화알루미늄 부근에 다양한 물질로 된 슬래그도 많이 존재하였다. 상기의 SEM 사진을 이용한 개략적인 입자 크기 분석을 통해 P 추진제 적용 시 연소가스에 포함된 산화알루미늄의 입자크기는 H 추진제 적용시 보다 더 큼을 확인할 수 있었다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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