[논문]삭마 및 열분해 반응을 고려한 고체 추진기관의 열해석

김연철

[국내논문] 삭마 및 열분해 반응을 고려한 고체 추진기관의 열해석
Thermal Decomposition and Ablation Analysis of Solid Rocket Propulsion 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.14 no.5 = no.60, 2010년, pp.32 - 44

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고체 추진기관 노즐의 2차원 열반응 및 삭마 해석 코드를 활용하여 노즐 부품의 숯 및 삭마현상을 연구하였다. Arrhenius 식을 이용한 내부 열분해 모델 상수는 TGA(열중량분석기) 실험으로 얻었다. 탄소와 $H_2O$, $CO_2$의 산화반응에 의한 화학적 삭마는 Zvyagin이 제안한 삭마모델 과 반응속도 상수를 이용하여 해석을 수행하였다. 삭마에 의한 경계조건 및 격자 이동은 상용해석 프로그램인 MSC-Marc-ATAS에서 적용되는 Rezoning-remeshing 기법을 사용하였다. 해석된 숯 및 삭마 두께는 연소시험 결과 값과 최대 20% 오차를 보였다. 향후 열방호 시스템의 성능을 모사하기 위하여 내부 온도 및 열유속을 실시간 측정하면 3차원 FEM 통합 열구조 해석에 적용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A two-dimensional thermal response and ablation analysis code for predicting charring material ablation and shape change on solid rocket nozzle is presented. The thermogravimetric analysis (TGA) techniques have been used to characterize the thermal decomposition constants for Arrhenius parameters. Two heterogeneous reactions involving carbon and the oxidizing species of $H_2O$ and $CO_2$ are considered and determined by Zvyagin's ablation model and kinetic constants. The moving boundary problem and mesh moving are solved by remeshing-rezoning method in MSC-Marc-ATAS program. The difference between the calculated and experimental value of char and ablation thickness is up to 20%. For the performance prediction of thermal protection systems, this method will be integrated with a three-dimensional finite-element thermal and structure analysis code through the real time sensing of in-depth temperature and heat flux.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

열설계 및 해석의 목적은 체계 요구조건과 연계된 내탄도 성능을 만족시키기 위해서, 노즐 조립체의 삭마 - 숯 층 두께 및 온도 분포를 예측 하여 노즐 조립체의 안전도를 규정하는 것이다. 시험 모타의 분석 위치 및 사용 재료는 Fig.

가설 설정

본 연구는 TGA 장비를 이용하여 탄소/페놀릭 복합재료의 열분해로 인한 숯 형성 반응을 불활성 분위기에서 가열 속도를 변화 시켜 얻은 열중량 곡선으로부터 열분해 현상과 분해 반응 특성 값을 구하였다[4,5]. 또한, 탄소계 재료의 표면 삭마 반응은 추진제 연소가스에 함유된 H₂O 와 CO₂ 에 의한 탄소의 산화반응으로 대표된다고 가정하였으며, 산화반응에 의한 삭마량을 표현하기 위하여 Zvyagins 이론식을 사용하였다[5,6].
그러므로 실험실에서 측정된 열분해에 의한 중량 감소곡선은 온도 상승 속도를 감안한 곡선으로 수정하여 사용하여야 한다. 본 논문 에서는 온도 상승 속도가 3000 K/sec 인 경우로 가정하여 얻어진 결과를 사용하였다. 향후, 열전대 및 열유속 센서를 내열재 내부에 장착하여 실시간으로 온도 및 열유속을 측정하게 되면 온도 상승효과에 따른 밀도 분포 변화를 정밀히 파악 할 것으로 예측된다.

제안 방법

삭마 두께는 Eq. 5 를 기반으로 MSC-Marc의 User Subroutine Option을 이용하여 계산하였으며, 향후 Charring Material Analysis (CMA) 코드[8,9] 에서 제안한 연소 가스의 엔탈피, 경계층 해석, 내열 재료의 엔탈피 및 화학 반응이 연동된 에너지-물질전달 현상을 고려한 코드를 사용하여 숯 및 삭마해석을 하고자 한다. 또한 3차원 해석 을 통한 비대칭 경계 조건이 고려된 열 반응 해석 기법이 확립되면 추진제 그레인 및 Al2O3 입자에 의한 비대칭 삭마해석이 가능하리라 판단된다 (Fig.
고체 추진제의 조성을 기준으로 연소관 압력 및 온도 에서 연소가스의 열역학적 특성 치를 얻는데 사용되는 Aerotherm Chemical Equilibrium (ACE) [10] 및 CEA 코드 [11]를 활용하였으며 대류 열전달계수는 Bartz 식을 근간으로 축소형 시험모타 에서 얻어진 결과를 수정하여 사용하였다 [14].
내열부품의 열분해 경계선을 결정하기 위하여 TGA 실험에서 얻어진 중량 감소 곡선에서 계산된 반응 속도 상수 값을 아용하였다. 고체 추진제를 이용한 연소 시험에서 내열부품의 표면온도 상승 속도는 1000 K/sec가 넘는 비정상 상태이다.
그러나, 대부분의 탄소계 성분은 H₂O 와 CO₂에 의한 산화반응에 의한 화학적 삭마가 대부분을 차지하므로 기계적 삭마는 고려하지 않았다. 다만, 기계적 삭마 및 복사 영향으로, 예측 값보다 증가된 삭마 두께를 보상하기 위하여 계산된 대류열전달 계수 값의 1.3배를 적용하여 입력 자료로 활용하였다.
9]. 또한 열분해 가스의 배출 방향은 유한요소 모서리에 수직한 방향으로 배출되도록 하는 Stream Line 옵션을 사용하였다. 삭마 두께는 Eq.
본 논문에서는 축대칭 2차원 해석이 수행되었으며 삭마 현상을 고려한 내열부품의 과도 열전달 결과는 Fig. 11 에 표현되었으며 시간에 따른 내열부품의 삭마 모양은 Fig. 12와 같다.
열중량법에 의한 열분석 방법은 시료의 중량 변화를 온도 및 시간의 함수로써 기록한 것이다. 본 연구는 TGA 장비를 이용하여 탄소/페놀릭 복합재료의 열분해로 인한 숯 형성 반응을 불활성 분위기에서 가열 속도를 변화 시켜 얻은 열중량 곡선으로부터 열분해 현상과 분해 반응 특성 값을 구하였다[4,5]. 또한, 탄소계 재료의 표면 삭마 반응은 추진제 연소가스에 함유된 H₂O 와 CO₂ 에 의한 탄소의 산화반응으로 대표된다고 가정하였으며, 산화반응에 의한 삭마량을 표현하기 위하여 Zvyagins 이론식을 사용하였다[5,6].
예측된 경계조건을 이용한 노즐 내열 부품의 열반응 해석 결과의 타당성을 확인하기 위하여 실험 후 물로 냉각된 내열부품을 축 방향으로 절개하여 삭마 및 숯 두께를 분석하였다. 삭마 및 열분해 두께를 정확히 예측하기 위해서는 연소 시험 중에 센서를 활용한 실시간 측정이 필요하지만, 본 논문에서는 시험 후 절개하여 측정된 숯 /삭마 깊이 자료만으로 분석하였다. 또한 연소 후에 내열 부품에 존재하는 열에너지의 효과 (Soak out)는 고려하지 않았다.
16에 표시되어 있다. 아래에는 4곳 영역 (유입부, 노즐목 전방부, 노즐목, 확대부 내열재)에 대한 삭마/숯/열분해 두께를 해석 값과 비교하였으며 열분해 구간 (Pyrolysis) 의 범위를 해석 결과와 비교하였다.
예측된 경계조건을 이용한 노즐 내열 부품의 열반응 해석 결과의 타당성을 확인하기 위하여 실험 후 물로 냉각된 내열부품을 축 방향으로 절개하여 삭마 및 숯 두께를 분석하였다. 삭마 및 열분해 두께를 정확히 예측하기 위해서는 연소 시험 중에 센서를 활용한 실시간 측정이 필요하지만, 본 논문에서는 시험 후 절개하여 측정된 숯 /삭마 깊이 자료만으로 분석하였다.
시편의 균일성을 확보하기 위하여 일정한 75~100μm 분말 크기로 제조하여 시험하였다. 온도 상승 속도의 영향을 보기 위하여 5, 10, 15, 30, 50℃/min 으로 질소 분위기에서 실험하였다. 분석 구간은 페놀릭 수지의 분해가 일어나는 600K 부근에서 분해반응이 끝나는 1200K 로 정하였다.
기본 절차의 수립과 탄소계 재료의 표면 삭마 수학적 모델 확립을 위해, 1960년대부터 수많은 연구자들이 여러 그룹으로 나누어 연구를 수행하였다. 탄소의 산화 반응은 순수한 수증기 (H₂O), CO₂ 등을 포함하는 뜨거운 가스 혼합물을 만들어내는 전기적 가열 장치로 실험을 수행하였다. 또한 고체 추진기관을 이용한 연소시험을 통하여 그라파이트 및 탄소/탄소 복합재료의 삭마반응에 대한 연구가 이루어졌으며 실험 및 분석을 통해 Eq.

대상 데이터

TGA(열중량분석기) 실험에 사용된 재료는 페놀릭 수지를 사용한 복합재료이며 열분해 특성은 Table 1에 보이는 바와 같다. 시편의 균일성을 확보하기 위하여 일정한 75~100μm 분말 크기로 제조하여 시험하였다.
시편의 균일성을 확보하기 위하여 일정한 75~100μm 분말 크기로 제조하여 시험하였다.
시험 후 측정 결과는 삭마 두께 15~16 mm, 단열재의 숯 두께는 11±1mm 이다.
산화반응에 결정적으로 작용하는 연소가스의 산화 포텐셜 Bm 값은 알루미늄 입자의 몰분을 기준으로 경계조건을 부여하였으며 유한 요소의 Remeshing 과정 중에도 열경계 조건은 그대로 적용되었다. 해석에 사용된 요소는 축대칭 열해석용 QUAD-4 (40, Full Integration) 이며 모델의 절점 수는 1,935 개, 요소 수는 1,816 개다. 추진제 그레인 형상을 고려한 비대칭 삭마 및 Al₂O₃ 입자에 의한 기계적 삭마는 고려하지 않았다.
확대부내열재는 탄소/페놀릭 재료를 이용하여 20도 Tape wrapping 공법으로 제작되었다. 연소가스 흐름에 거슬리지 않도록 설계되었으며 층 분리 및 부풀음 현상은 발견되지 않았다.

데이터처리

열분해에 의한 밀도 변환 및 삭마 두께를 표현하기 위하여 FEM 모델 격자의 Remeshing 및 Rezoning 기법이 가능한 범용 해석 코드인 MSC-Marc [7,8,9]의 부프로그램을 사용하였으며 해석된 결과는 시험 후 숯 및 삭마 깊이와 비교하였다.

이론/모형

상용해석 코드인 MSC-Marc-ATAS 와 개발된 열분해 및 삭마 모델을 활용하여 노즐내열부품의 2차원 숯 및 삭마 해석을 유한요소 처리 기법을 활용하여 수행하였다. 입자 및 복사에에 의한 효과를 제외하였을 경우 해석 결과는 실험 결과와 비교하여 20% 이내의 오차를 보인다.
숯 및 삭마 현상을 2차원으로 표현하기 위한 유한요소 의 형상 처리기법은 상용해석 코드인 MSC-Marc 에서 제안하고 있는 Shaver, Relax 및 Stretch 기법 중에서 Relax 기법을 사용하였다 [Fig. 9]. 또한 열분해 가스의 배출 방향은 유한요소 모서리에 수직한 방향으로 배출되도록 하는 Stream Line 옵션을 사용하였다.

성능/효과

해석 결과는 삭마두께 16±1mm, 단열재의 열분해 두께는 6±1mm 이다.
해석 결과는 삭마두께 2±1mm, 열분해 두께는 9±1mm 이다.

후속연구

5 를 기반으로 MSC-Marc의 User Subroutine Option을 이용하여 계산하였으며, 향후 Charring Material Analysis (CMA) 코드[8,9] 에서 제안한 연소 가스의 엔탈피, 경계층 해석, 내열 재료의 엔탈피 및 화학 반응이 연동된 에너지-물질전달 현상을 고려한 코드를 사용하여 숯 및 삭마해석을 하고자 한다. 또한 3차원 해석 을 통한 비대칭 경계 조건이 고려된 열 반응 해석 기법이 확립되면 추진제 그레인 및 Al2O3 입자에 의한 비대칭 삭마해석이 가능하리라 판단된다 (Fig. 10)[7].
또한 연소 후에 내열 부품에 존재하는 열에너지의 효과 (Soak out)는 고려하지 않았다. 향후, 센서를 활용한 측정 방법 및 연소 시험 후 소화 및 급냉 방법이 적용되면 분석 방법의 신뢰도가 높아질 것이다.
향후, 실리콘카바이드계 (C/SiC), 내열성 고무계 (Kevlar,Silica,CNT-EPDM), 비삭마 내열강 (Tungsten, Rhenium) 에 대한 화학적 삭마이론을 위해서 가스 동력학과 연계된 해석 방안을 필요로 한다.
본 논문 에서는 온도 상승 속도가 3000 K/sec 인 경우로 가정하여 얻어진 결과를 사용하였다. 향후, 열전대 및 열유속 센서를 내열재 내부에 장착하여 실시간으로 온도 및 열유속을 측정하게 되면 온도 상승효과에 따른 밀도 분포 변화를 정밀히 파악 할 것으로 예측된다. 현재 기술로 예측된 열분해가 일어나는 온도 범위는 약 800~900 K이며 내열 부품에 형성된 열반응 경계는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차폐 물질의 분해 및 삭마 반응 기구에 대한 관심은 어디에서 비롯되는가?	열차폐 물질의 분해 및 삭마 반응 기구에 관한 관심은 60년대에 우주발사체 기술로 대표되는 항공우주공학에서 비롯된다. 특히, 미국과 러시아로 양분되어온 우주 과학 기술은 당시에 존재했던 탄소계 및 유리계 복합재료의 분해 기구를 정립하기 위하여 많은 실험이 진행되었다.
	열중량법에 의한 열분석 방법은 무엇을 어떻게 기록한 것인가?	반응속도 상수를 찾기 위한 이론 및 실험식은 대부분이 Arrhenius 식에 근거한 변형된 식을 이용해 오고 있으며 사용되는 기기 및 방법은 열중량분석기 (Thermal Gravimetry Analyzer)에 의한 열분석 방법을 이용해 오고 있다[4]. 열중량법에 의한 열분석 방법은 시료의 중량 변화를 온도 및 시간의 함수로써 기록한 것이다. 본 연구는 TGA 장비를 이용하여 탄소/페놀릭 복합재료의 열분해로 인한 숯 형성 반응을 불활성 분위기에서 가열 속도를 변화 시켜 얻은 열중량 곡선으로부터 열분해 현상과 분해 반응 특성 값을 구하였다[4,5].
	내열 복합재료가 고온, 고압의 연소가스에 노출될 때 일어나는 열분해 현상으로는 어떤 일들이 일어나는가?	내열 복합재료가 고온, 고압의 연소가스에 노출될 때 일어나는 열분해 현상은 복잡한 반응 기구를 나타낸다. 반응 초기엔 재료내부의 열전도에 의해 온도가 상승하고 작은 부피 팽창을 하게 된다. 재료 내부에 존재하는 수분과 완전히 경화되지 않은 물질의 확산 및 증발이 일어난다. 온도가 600K 이상이 되면 열분해 반응은 재료 내부의 압력증가 및 열전도도 감소를 일으키는 분해가스를 발생시키며 내열재 표면에 결함을 일으키는 원인이 되기도 한다. 분해가스는 외부에 숯 층이 형성되면, 숯 층의 높은 온도 때문에 탄소 증착이 이루어지며 숯 층은 열전도도 와 밀도가 증가하게 된다. 또한 크랙킹(cracking)에 의한 분해 반응이 일어나며 숯 층의 온도 상태에 따라서 H2, CO, CH 등 저분자 물질로 분해가 일어난다. Glass계열 복합재료인 경우에는 1000K 부근부터 액체상태의 SiO2는 탄화가스 (CO, CO2)등과 반응을 하여 유입되는 열에너지를 흡수한다. 이 반응은 전체 화학반응에 의한 열에너지 흡수 중에서 약 70%이상을 차지하게 된다. 2000K 이상에서는 증발이 주요 분해반응이며 탄소성 복합재료는 산소 성분 화합물의 확산에 의한 화학적 삭마 반응이 반응 기구를 결정한다. 숯 층의 삭마는 산화에 의한 침식 및 기계적 요인으로 인한 강도저하로 원재료로부터 떨어져 나가는 과정을 겪는다 (Fig. 1).

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상세보기
Sergey Vyazovkin., "A unified approach to kinetic processing of nonisothermal data", International Journal of Chemical Kinetics, Vol. 28, 1996, pp.95-101

상세보기
김연철, "로켓노즐용 내열재의 열반응 상수 측정기법 연구", 국방과학연구소, MSDC-421-990446, 1999
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MSC.Software Corporation, User Subroutine AND Special Routines, Vol. D, 2008
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Bartz, D. R., A Simple Equation for Rapid Estimation of Rocket Nozzle Convective HeatTransfer Coefficients, Jet Propulsion, Vol. 27, No. 1, pp. 49-51, January 1957

상세보기
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