젤 추진제는 젤 추진 시스템에서 액체 추진 시스템과 같이 제어의 용이성, 저장성, 취급성, 비누설성 등과 같은 장점을 포함한다. 또한, 젤 추진제는 액체 추진제와 비교했을 때 보다 높은 발열량 특성을 나타내며, 금속 입자(알루미늄, 보론)의 첨가로 높은 비추력을 얻을 수 있다. 미립화 특성과 관련하여 젤 추진제는 젤화제의 다양한 점도와 금속 입자의 첨가 정도에 따라 저조한 미립화 특성을 나타낸다. 젤 추진제의 미립화 특성 향상과 연소 효율을 증대 시키기 위해 젤화제의 함유량 변화와 금속 입자의 첨가 정도에 따른 젤 추진제 제조 기술을 바탕으로 동적 분무 특성, 연소 특성 연구를 수행하고 있으며, 이에 대한 연구동향을 소개한다.
젤 추진제는 젤 추진 시스템에서 액체 추진 시스템과 같이 제어의 용이성, 저장성, 취급성, 비누설성 등과 같은 장점을 포함한다. 또한, 젤 추진제는 액체 추진제와 비교했을 때 보다 높은 발열량 특성을 나타내며, 금속 입자(알루미늄, 보론)의 첨가로 높은 비추력을 얻을 수 있다. 미립화 특성과 관련하여 젤 추진제는 젤화제의 다양한 점도와 금속 입자의 첨가 정도에 따라 저조한 미립화 특성을 나타낸다. 젤 추진제의 미립화 특성 향상과 연소 효율을 증대 시키기 위해 젤화제의 함유량 변화와 금속 입자의 첨가 정도에 따른 젤 추진제 제조 기술을 바탕으로 동적 분무 특성, 연소 특성 연구를 수행하고 있으며, 이에 대한 연구동향을 소개한다.
There are many advantages in applying gel propellant to a gel propulsion system. These include higher performances, the energy management of liquid propulsion system, reliable storability and low leakage characteristics. Additionally, gel propulsion system are preferable to the high density impulse ...
There are many advantages in applying gel propellant to a gel propulsion system. These include higher performances, the energy management of liquid propulsion system, reliable storability and low leakage characteristics. Additionally, gel propulsion system are preferable to the high density impulse of propulsion system. Also, when compared to liquid propellants, the gel propellants acquire greater heat energy. Gel propellants achieve a high specific impulse when metal particles with aluminum and boron are added. With respect to atomization, an inactive process occurs due to the variable viscosity of the metal particles and gelling agents. To improve the defect of atomization and combustion characteristics of gel propellant, a variety of issues related to spray and combustion is introduced here.
There are many advantages in applying gel propellant to a gel propulsion system. These include higher performances, the energy management of liquid propulsion system, reliable storability and low leakage characteristics. Additionally, gel propulsion system are preferable to the high density impulse of propulsion system. Also, when compared to liquid propellants, the gel propellants acquire greater heat energy. Gel propellants achieve a high specific impulse when metal particles with aluminum and boron are added. With respect to atomization, an inactive process occurs due to the variable viscosity of the metal particles and gelling agents. To improve the defect of atomization and combustion characteristics of gel propellant, a variety of issues related to spray and combustion is introduced here.
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제안 방법
오리피스 수축각은 SMD에 영향을 미치지 못하며 단지 FN(flow number)에 영향을 준다고 나타내었다. 또한 과다한 젤화제의 함유는 미립화를 저해하며, 특히 Fig. 13과 같이 기체 대 액체 비(ALR, air to liquid ratio)에 따른 SMD 변화 특성을 나타내어 다양한 젤 모사 추진제의 점도 변화에 따른 분무 특성을 제시하였다.
17과 같이 RP-1 액체 추진제의 특성속도 효율이 65~69%이며, 알루미늄 입자가 5% 첨가된 RP-1 젤 추진제의 경우 특성속도 효율이 65~67%로 나타남을 확인하였다. 또한 알루미늄 입자가 추진제 총 중량에 대해 각각 5%, 55% 포함된 RP-1 젤 추진제를 사용하여 연소시험을 수행하였다. 알루미늄 입자가 첨가된 젤 추진제는 높은 연소실의 열유속 특성을 나타내었으며, 특히 연소실과 노즐에서 젤 추진제의 층(layer) 형성으로 5%의 알루미늄 입자가 첨가된 경우 가장 높은 열유속 특성이 나타난다는 결과를 도출하였다.
충돌 분무시 나타나는 파장의 변화는 고점도의 젤 모사 추진제가 저점도 젤 모사 추진제보다 더 긴 표면 파장의 특성을 나타내며, 미립화 특성과 유변학적 특성을 연계하여 비점탄성 물질에 대하여 SMD는 확장성 점도의 효과가 분열을 억제한다. 연소 특성 연구는 젤 추진제의 액적을 대상으로 액적 기화 특성, 화염 발달 특성, 연소속도, 점화지연 등의 연소 특성을 연구한 후 실제 시스템에 적용하여 연소 특성을 파악하는 방식으로 연구가 진행되었다. 젤 액적의 연소 과정을 표면 퇴행과정, 기포 생성, 공극 건조, 건조 입자 가열, 금속 입자 응집의 총 5단계로 분류할 수 있으며, 미립화된 젤 추진제의 액적은 비등점과 점성의 차이로 인해 피막이 형성되고 기화시 액체 연료가 젤 층을 통해 외부로 나오지 못하여 내부에서 기포가 형성되게 된다.
젤 추진제의 연료로는 Hydrazine, UDMH, MMH, N2H4 RP-1, JP-10 Kerosene 등이 사용되고 산화제로는 IRFNA, CIF2, H2O2, O2 등이 사용되지만 화기성과 유독성이 있는 추진제를 사용하여 실험하기에는 난제가 많기 때문에 분무특성 연구를 위해서는 Carbopol 940, 941, Aqupec HV, HPC(Hydroxypropylcelluose) 등의 젤화제가 혼합된 젤 모사 추진제를 사용하도록 한다. Carbopol 941은 non-Newtonian 젤 모사 추진제를 만들기 위한 젤화 작용제로서, 백색의 분말상으로 물과 혼합되었을 때 요변 특성을 나타내고 낮은 항복응력을 나타내어 항복응력인자를 무시할 수 있다.
성능/효과
또한 알루미늄 입자가 추진제 총 중량에 대해 각각 5%, 55% 포함된 RP-1 젤 추진제를 사용하여 연소시험을 수행하였다. 알루미늄 입자가 첨가된 젤 추진제는 높은 연소실의 열유속 특성을 나타내었으며, 특히 연소실과 노즐에서 젤 추진제의 층(layer) 형성으로 5%의 알루미늄 입자가 첨가된 경우 가장 높은 열유속 특성이 나타난다는 결과를 도출하였다. 또한 55% 알루미늄 금속입자를 첨가했을 경우 추진제 뭉침 현상을 노즐에서 관찰할 수 있었다.
[7]은 삼중 충돌형과 동축형 인젝터를 사용하여 젤 모사 추진제에 대한 미립화 특성을 보고하였다. 인젝터 출구에서 일정한 전단률의 상수로서 분사된 젤 추진제는 높은 전단력에 의존하여 분사되고 미립화되며, 일반적인 물보다는 미립화 특성이 동일 압력에 비해 저조하다는 특징을 발견하였다. Chojnacki and Feikema[8]는 이중 충돌형 인젝터를 사용하여 젤 추진제의 분무 특성을 연구하였으며, 일반적으로 충돌 효과에 의하여 액막(liquid sheet)이 발달하며, Weber number 증가에 따라 분무각이 증가한다는 연구 결과를 도출하여 비뉴튼 유체의 거동 효과를 고려한 선형 안정성 해석 기법으로 젤 추진제의 액막의 분열 현상을 예측할 수 있는 연구를 수행하였다.
또한 추력 제어의 용이성, 비누설성, 취급성, 저장성, 비독성 등과 같은 장점을 지녀 차세대 추진 시스템으로 적용하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 미국과 독일에서는 이미 젤 추진 시스템의 비행 시험에 성공하였다. 젤 추진제 분사 시 점도가 분무 특성에 가장 큰 영향을 미치는 인자가 되며, 오리피스 수축각은 액적 크기를 줄이는데 영향을 주지 못하고 FN에만 영향을 주는 인자임을 나타내었다. 더불어 고점도 젤 추진제를 분열시키는 가장 효과적인 방법으로 기체를 전단 또는 충돌식으로 동시에 분사시켜 미립화 시키는 방법이 연구되었다.
12에 나타내었다. 젤 추진제의 가장 중요한 특성은 점성이 전단률에 의존한다는 것이며, 이러한 의존성은 유동장과 유체의 특성과 매우 밀접한 관계를 나타냄을 발견하였다. Mansour and Chiger[13]는 동축 이중 미립화기를 사용하였고 전단력, 인장 점도를 die-swell 측정 방법을 사용하여 나타내었으며, 특히 미립화 특성과 유변학적 특성을 연계하여 비점탄성(viscoinelastic) 물질에 대하여 SMD가 전단력에 의한 점성보다 점탄성 같은 확장 점성(extensional viscosity)의 효과가 분열을 억제한다는 유변학적 메커니즘을 보고하였다.
젤 액적의 연소 과정을 표면 퇴행과정, 기포 생성, 공극 건조, 건조 입자 가열, 금속 입자 응집의 총 5단계로 분류할 수 있으며, 미립화된 젤 추진제의 액적은 비등점과 점성의 차이로 인해 피막이 형성되고 기화시 액체 연료가 젤 층을 통해 외부로 나오지 못하여 내부에서 기포가 형성되게 된다. 탄소계열의 액체 추진제는 젤 추진제에 알루미늄 금속입자를 첨가했을 경우보다 약 5% 이상 높은 연소 효율을 나타내었으며, 알루미늄 입자를 55 wt%(weight precent)첨가했을 경우 연소 효율이 20% 이상 감소하는 비효율적인 특성을 나타내었다. 또한 과다한 알루미늄 입자의 첨가는 노즐 또는 연소실 벽면에 금속 덩어리의 뭉침 현상을 발생시켜 낮은 열유속 특성을 나타나게 한다.
후속연구
이러한 낮은 연소 특성 연구 결과에도 불구하고 1999년과 2009년 미국과 독일에서는 젤 추진제를 사용한 추진체의 비행시험을 성공하였으며, 최근에는 이스라엘에서 램제트 엔진에 젤 추진제를 적용하기 위한 연구를 수행하고 있다. 분무와 연소특성 연구 동향을 살펴 본 바와 같이 젤 추진제의 미립화와 연소 특성 효율 개선에 대한 문제는 아직까지 풀어야 할 과제로 남아있으며, 이러한 단점을 개선시킨다면 향후 차세대 추진 시스템으로서의 고성능 젤 추진시스템을 개발하여 사용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
젤 추진제의 특장점은 무엇인가?
젤 추진제는 젤 추진 시스템에서 액체 추진 시스템과 같이 제어의 용이성, 저장성, 취급성, 비누설성 등과 같은 장점을 포함한다. 또한, 젤 추진제는 액체 추진제와 비교했을 때 보다 높은 발열량 특성을 나타내며, 금속 입자(알루미늄, 보론)의 첨가로 높은 비추력을 얻을 수 있다.
젤 추진제가 차세대 추진 시스템으로 적용 될 수 있는 이유는 무엇인가?
젤 추진제는 미립화 성능이 기존 액체 추진제보다 저조하다는 단점에도 불구하고 금속입자(알루미늄, 보론, 마그네슘)의 분산이 가능하며, 제한된 체적에서 금속 입자로 인한 더 높은 비추력 특성을 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 추력 제어의 용이성, 비누설성, 취급성, 저장성, 비독성 등과 같은 장점을 지녀 차세대 추진 시스템으로 적용하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있으며, 미국과 독일에서는 이미 젤 추진 시스템의 비행 시험에 성공하였다. 젤 추진제 분사 시 점도가 분무 특성에 가장 큰 영향을 미치는 인자가 되며, 오리피스 수축각은 액적 크기를 줄이는데 영향을 주지 못하고 FN에만 영향을 주는 인자임을 나타내었다.
젤 추진제는 액체 추진제와 비교했을 때 어떤 차이점이 있는가?
젤 추진제는 젤 추진 시스템에서 액체 추진 시스템과 같이 제어의 용이성, 저장성, 취급성, 비누설성 등과 같은 장점을 포함한다. 또한, 젤 추진제는 액체 추진제와 비교했을 때 보다 높은 발열량 특성을 나타내며, 금속 입자(알루미늄, 보론)의 첨가로 높은 비추력을 얻을 수 있다. 미립화 특성과 관련하여 젤 추진제는 젤화제의 다양한 점도와 금속 입자의 첨가 정도에 따라 저조한 미립화 특성을 나타낸다.
참고문헌 (27)
Palaszewski, Bryan A., "Advanced Launch Vehicle Upper Stages Using Liquid Propulsion and Metallized Propellants," NASA TM 103622, October, 1990
Hodge, K., Crofoot, T., and Nelson, S., "Gelled Propellants for Tactical Missile Applications," AIAA 99-2976, 1999
Kuznetsov, A., Solomonm Y., Natan, B., "Development of a Lab-Scale Gel Fuel Ramjet Combustor," AIAA 2010-7124, 2010
Rahimi, S., Hasan, D., Peretz, A., Benenson, Y and Welner, S., "Preparation and Characterization of Gel Propellants and Simulants," AIAA 2001-3264, 2001
Madlener, K., Frey, B and Ciezki, H.J., "General Reynolds Number for Non-Newtonian Fluids," EUCASS 2007, Paper No. 5.11.07, Brussels, Belgium, July 1-6, 2007
Heislbeta, B., Madlener, K and Ciezki H.K., "Breakup Chracteristics of a Newtonian Liquid Sheet formaed by a Doublet Impingi-ng Jet Injector," AIAA 2007-5694, 2007
Green, M.J., Rapp, D.C. and Roncace, J., "F-low Visualization of a Rocket Injector Spray Using Gelled Propellant Simulants," June 1991, AIAA 91-2198, 1991
Chojnacki, K.T. and Feikema, D.A., "Atomiztion Studies of Gelled Liquids," AIAA 94-2773, 1994
Guglielmi, J.D., "Atomization of JP-10/B2C Gelled Slurry Fuel," M.Sc. Thesis, Naval Postgraduate School, Monetery, California, June 1992
Lee, I. C., Kim, J. H. and Koo, J.Y, "Breakup Process and Wave Develpoment Characteristics of Gel Propellant Simulants with Various Gelling Agent Contensts," ILASS-Asia, 2010, pp.276-282
Kempen, J.V., Madlener, K. and Ciezki, H.K, "Characteristic Flow and Spray Properties of Gelled Fuels with Regard to the Impinging Jet Injector Type," AIAA 2006-4573, 2006
Madlener, K., Ciezki, H.K., Kampen, J.v., Feinauer, A., "Characterization of Various Properties of Gel Fuels with Regard to Propulsion Application," AIAA/ASME/SAE /ASEE 44th Joint Propulsion Conference & Exhibit, Hartford, CT, AIAA 2008-4870, 21-23 July, 2008
Mansor, A and Chigier, N., "Air-blast Atomization of Non-Newtonian Liquids," Journal of Non-Newtonian Fluid mechanics, Vol. 58, 1995, pp.161-194
Dexter, R.W., "Measurement of extensional viscosity of polymer solutions and its effects on atomization from a spray nozzle," J. of Atomization and Sprays, Vol. 6, 1996, pp.167-191
Rahimi, S. and Natan, B., "Numerical Solution of The Flow of Power Law Gel Propellants in Converging injectors," Propellants, Explosives, Pyrotechnics, Vol. 25, No. 4, 2000, pp.203-212
Rahimi S., "The Injection Process of Gel Fuels," M.Sc. Thesis, Technion - Israel Institute of Technology, Haifa, Israel, Dec, 1999
Kunin. A., Natan. B. and Greenberg. J., "Theoretical Model of the Transient Combustion of Organic-Gellant-Based Gel Fuel Droplets," Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 4, 2010
Palaszewski, B. and Zakany, J.S., "Metallized Gelled Propellants: Oxygen / RP-1 / Aluminum Rocket Heat Transfer and Combustion Measurements," AIAA 96-2622, July 1996
Lee, A. and Law, C.K., "Gasification and Shell Characteristics in Slurry Droplet Burning," Combustion and Flame, Vol. 85, 1991, pp.77-93
Bhatia, R. and Sirignano, W.A., "Liquid Vaporization from Metal Slurry Droplets," in "Dynamics of Heterogeneous Combustion and Reacting Systems," AIAA Progress in Astronautics and Aeronautics, Vol. 152, 1992, pp.235-262
Muller, D.C. and Turns, S.R., "Some Aspects of the Secondary Atomization of Aluminum/Hydrocarbon Phase II," Annual Report, NASA-CR-195107, 1993
Clausen, L.C., Li, T.X. and Law, C.K., "Effect of Additives in the Microexplosion of Carbon Slurry Droplets," Journal of Propulsion and Power, Vol. 4, No. 3, 1988, pp.217-221
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