[논문]기체발생기용 질산암모늄 산화제 기반 복합고체추진제의 조성 및 기계적 물성

박정; 김정수

초록
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로켓시스템의 에너지원으로 적용할 수 있는 기체발생기용 복합 고체추진제의 개발과정을 기술한다. 80%의 고체입자 부하율과 양호한 유동성, 그리고 $-50^{\circ}{\sim}70^{\circ}C$에서 경화에 적절한 추진제 물성을 갖는 HTPB를 바인더로 하여, 낮은 화염온도, 적은 고체입자 잔사, 무독성 생성물의 추진제 제조가 가능한 AN을 제1종 산화제로, 탄도특성 제어에 필요한 AP를 제2종 산화제로 추진제 주요 조성이 구성된다. 기본조성을 근거로 하여 일련의 물성개선 시험이 수행되었으며 최대응력 8 bar 및 최대응력점 변형율 30%, 그리고 탄성계수 1000 psi 수준의 물성을 갖는 추진제 조성을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A development of a composite solid propellant is carried out for an application to gas generators as an energy source of rocket system. With HTPB as a propellant binder which has 80% of particle loading ratio, a favorable rheology, and moderate curing properties at the range of $-50^{\circ}{\si...

A development of a composite solid propellant is carried out for an application to gas generators as an energy source of rocket system. With HTPB as a propellant binder which has 80% of particle loading ratio, a favorable rheology, and moderate curing properties at the range of $-50^{\circ}{\sim}70^{\circ}C$, AN is selected as the first kind of oxidizer having the characteristics of a low flame temperature, minimal particle residual as well as nontoxic products. AP is the second oxidant for ballistic property control. A series of experiments for the improvement of physical properties were conducted and resulted in the propellant formulation having 30% of strain rate at 8 bar of max. stress.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 때, 기체발생기(gas generator)는 고온에 견딜 수 없는 재료로 이루어진 제어밸브나 가동부의 전기, 혹은 유압시스템과 접속하기 마련이므로 발생기에서 배출되는 구동용 기체는 화염온도가 낮고 고체입자 잔사가 적어야할 뿐만 아니라 친환경적 운용 측면에서 독성 또한 적은 것이 바람직할 것이다[1]. 본 연구는 이상과 같은 요구 조건 외에 기체발생기의 작동성능에 직접 관계하는 추진제의 물성 및 연소속도 등에 관한 한도를 규정하면서 주조형(castable) 제조방식의 HTPB/AN(Hydroxy-terminated polybutadiene/ Ammonium nitrate) 추진제를 테일러링 (tailoring)하는 과정에 주목하기로 한다.

제안 방법

상대적으로 낮은 화염온도 및 연소율을 갖는 기체발생기용 HTPB/AN 복합 고체추진제의 조성연구로 1.76 mm/s (1000 psi)의 연소속도와 단열화염온도 1268℃의 탄도성능을 갖고, 실제의 모터 테스트에서 성공적인 결과를 나타내는 주조형의 추진제 그레인을 설계, 제작할 수 있었다. 기계적 성질의 개선을 위하여 경화비 및 결합제를 매개변수로 하여 시험을 수행했던 바, 최대 인장응력 8 bar 이상 및 변형율 30% 이상의 물성을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

추진제 조성에서 80%의 고체입자 부하율을 허용하고, 주조공정 중의 유동성이 양호하며 -50℃ ~ 70℃에서 경화에 적절한 추진제 물성을 갖는 Hydroxy-terminated Polybutadiene(HTPB)을 바인더로 선정한다. 또, 1200℃ 내외의 낮은 화염온도와 함께 본질적으로 고체입자 잔사가 적고 이론적으로 무독성 연소생성물을 낳는 추진제 제조가 가능한 질산암모늄(Ammonium Nitrate)을 제 1종 산화제로, 그리고 탄도특성 제어를 고려하여 암모늄과염소산(Ammponium Perchlorate)을 제 2종 산화제로 선택함으로써 추진제 주성분이 구성된다.

성능/효과

4 wt% 결합제(bonding agent)의 첨가가 추진제 물성에 미치는 영향을 나타낸 것이다. TEA(Triethanol Amine)을 결합제로 사용한 경우, 8.34 bar 및 31%의 최대응력과 최대응력점의 변형률을 얻을 수 있었으며 Silane이나 HX-752에 비해 보다 효과적인 것으로 나타났다.
76 mm/s (1000 psi)의 연소속도와 단열화염온도 1268℃의 탄도성능을 갖고, 실제의 모터 테스트에서 성공적인 결과를 나타내는 주조형의 추진제 그레인을 설계, 제작할 수 있었다. 기계적 성질의 개선을 위하여 경화비 및 결합제를 매개변수로 하여 시험을 수행했던 바, 최대 인장응력 8 bar 이상 및 변형율 30% 이상의 물성을 얻을 수 있었다. 산화제 혼합(blending)에 있어 AP의 증감은 연소속도에 직접 관계하는데 그 감량이 압력지수의 감소와 함께 현저한 연소율 저하를 수반함을 관찰할 수 있었으며 추진제의 연소특성 정립을 위하여는 산화제 입도 변경의 영향 등에 관하여 지속적인 연구가 필요하다.
또, 1200℃ 내외의 낮은 화염온도와 함께 본질적으로 고체입자 잔사가 적고 이론적으로 무독성 연소생성물을 낳는 추진제 제조가 가능한 질산암모늄(Ammonium Nitrate)을 제 1종 산화제로, 그리고 탄도특성 제어를 고려하여 암모늄과염소산(Ammponium Perchlorate)을 제 2종 산화제로 선택함으로써 추진제 주성분이 구성된다. 기본조성을 근거로 하여 일련의 물성개선시험이 수행되었으며 기체발생기 적용에 타당성을 갖는 수준의 최대응력과 최대응력점 변형율등의 기계적 물성을 갖는 추진제 조성을 얻을 수 있었다. 설계된 조성으로 주조된 추진제 그레인을 시험용 모터케이스에 장착하여 얻은 성능시험 결과도 부가적으로 제시된다.
또, 경화비에 따른 영향은 미미하지만 AN 입자를 기본조성인 262 μ에서 143 μ으로 입도를 낮춘 경우, 혼화직후의 경화초기부터 점도가 현저히 크다는 것을 알 수 있으며 그 값은 물성향상을 위해 결합제를 첨가했을 때의 점도보다도 높다는 사실이 확인되었다.

후속연구

기계적 성질의 개선을 위하여 경화비 및 결합제를 매개변수로 하여 시험을 수행했던 바, 최대 인장응력 8 bar 이상 및 변형율 30% 이상의 물성을 얻을 수 있었다. 산화제 혼합(blending)에 있어 AP의 증감은 연소속도에 직접 관계하는데 그 감량이 압력지수의 감소와 함께 현저한 연소율 저하를 수반함을 관찰할 수 있었으며 추진제의 연소특성 정립을 위하여는 산화제 입도 변경의 영향 등에 관하여 지속적인 연구가 필요하다. 지금까지 언급한 모든 종류의 추진제 tailoring에는 유동성, 즉 추진제 제조공정상의 리올로지를 함께 고려하여야 하며 장기간 저장해야하는 그레인으로 개발하기 위해서는 추진제의 온도주기(thermal cycling) 시험, 노화시험, 고온-저온 극한시험 등이 추가로 수행되어야 할 것이다.
산화제 혼합(blending)에 있어 AP의 증감은 연소속도에 직접 관계하는데 그 감량이 압력지수의 감소와 함께 현저한 연소율 저하를 수반함을 관찰할 수 있었으며 추진제의 연소특성 정립을 위하여는 산화제 입도 변경의 영향 등에 관하여 지속적인 연구가 필요하다. 지금까지 언급한 모든 종류의 추진제 tailoring에는 유동성, 즉 추진제 제조공정상의 리올로지를 함께 고려하여야 하며 장기간 저장해야하는 그레인으로 개발하기 위해서는 추진제의 온도주기(thermal cycling) 시험, 노화시험, 고온-저온 극한시험 등이 추가로 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기체발생기가 가져야할 조건은?	기체에너지원(gas energy source)은 로켓, 혹은 비행무기체계의 유도와 관련된 여러 종류의 비행조정장치 작동에 있어 필연적으로 요구된다. 이 때, 기체발생기(gas generator)는 고온에 견딜 수 없는 재료로 이루어진 제어밸브나 가동부의 전기, 혹은 유압시스템과 접속하기 마련이므로 발생기에서 배출되는 구동용 기체는 화염온도가 낮고 고체입자 잔사가 적어야할 뿐만 아니라 친환경적 운용 측면에서 독성 또한 적은 것이 바람직할 것이다[1]. 본 연구는 이상과 같은 요구 조건 외에 기체발생기의 작동성능에 직접 관계하는 추진제의 물성 및 연소속도 등에 관한 한도를 규정하면서 주조형(castable) 제조방식의 HTPB/AN(Hydroxy-terminated polybutadiene/ Ammonium nitrate) 추진제를 테일러링 (tailoring)하는 과정에 주목하기로 한다.
	바인더는 어떤 부분에 영향을 미치는가?	바인더는 연료로서의 역할뿐만 아니라 추진제 제조의 공정성(processibility)과 탄도성능 등에 영향을 미친다는 점에 있어서 추진제 조성의 중요한 부분을 차지한다. 바인더의 유동특성은, 최종적인 추진제 리올로지(rheology)에서 조성에 함유될 수 있는 고체입자의 총량에 영향을 주고, 경화 후 구조적 물성을 결정한다.
	질산암모늄의 장점은?	산화제는 낮은 화염온도 및 저연소율을 고려하여 질산암모늄(AN)을 사용한다. AN은 가격이 저렴하고 취급이 용이하며 추진제 제조에서 주조형 공정을 택할 수 있다. 또 +20%의 oxygen balance를 가지므로 산소함량이 적은 바인더와 공용할 수 있다. 그러나 AN을 함유한 추진제 그레인은 온도사이클링에 노출되었을 때 AN 결정의 상변화에서 유발되는 밀도감소 및 체적증가 현상 등 (dimensional instability)이 흡습성과 함께 오랜 동안 단점으로 알려져 왔다.

참고문헌 (8)

Sutton, G. P., Rocket Propulsion Elements, 6th ed., John Wiley & Sons, Inc., 1992
Davenas, A., Solid Rocket Propulsion Technology, Pergamon Press, 1992
Li, J. and Xu, Y., 'Some Recent Investigation in Solid Propellant Technology For Gas Generator,' AIAA 90-2335, 1990
추원 풍 등, '초산암모니움/HTPB계 콤포지트 추진약의 연소속도에 미치는 크롬과 코발트 화합물의 영향,' 공업화학(일본), Vol. 52, No. 6, 1991
백국현, 임유진, '가스발생기용 추진제에 대한 냉각제 효과,' 한국추진공학회지, 제9권, 제2호, 2005, pp.1-8

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김정수, 김창기, 고현진, 황준식, 전상락, 박봉엽, '기체발생기 개발에 관한 연구(？),' 국방과학연구소 연구보고서 GWSD-419-940433, 1994
김정수, 고현진, 김창기, 황준식, 전상락, 박봉엽, '기체발생기 개발에 관한 연구(ll),' 국방과학연구소 연구보고서 GWSD-419-940434, 1994
Kim, J. S. and Hwang, J. S., 'Demonstration of Gas Generator Utilizing

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