[논문]열가소성 추진제의 특성 및 발전 전망

김경무; 김인철

열가소성 추진제의 특성 및 발전 전망
The Characteristics and its Development Trends of Thermoplastic Propellants 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.3 = no.64, 2011년, pp.47 - 57

김경무 ((주)LIG넥스원 연구개발본부 PGM센터) , 김인철 ((주)풍산 개발실)

초록
AI-Helper

모든 고체로켓 추진제들은 화학적 상태에 따라 균질(복기)과 비균질(혼합형)의 2가지 기본 종류로 나뉜다. 오늘날 혼합형 추진제는 가스발생기와 소형 로켓으로부터 우주개발을 위한 거대 발사체까지 동력원으로써 광범위하게 사용된다. 과거에 혼합형 로켓 추진제의 개발은 주로 열경화성 폴리머에 국한되었다. 그러나 열경화성 혼합형 추진제는 로켓 체계조건에 부합하기 위해 조성과 제조공정에 있어 복잡성을 갖는다. 열경화성 추진제와 대조해서, 개량된 PVC 및 TPE 계열 열가소성 추진제는 중간 정도의 성능과 기계적 성질을 갖지만 제조공정에서의 손실, 원재료의 저가와 취급 공정의 안정성을 갖는다. 이런 장점으로 인해 향후, 열가소성 추진제가 여타 추진제보다 폭넓게 사용될 것이라 예측된다.

Abstract ▼ AI-Helper

All solid rocket propellants are divided in two basic classes according to chemical state: homogeneous(double base) and heterogeneous (composite). Today, composite propellants are extensively used as power sources covering the range from gas generators and small rocket systems to large launch vehicles in space programs. The development of composite rocket propellants in the past was mainly directed to thermoset polymers. But, the thermoset composite propellants have the complication in formulation and fabricating process to adapt to rocket system requirements. In contrast to the thermoset propellant, the PVC plastisols composite propellants have the advantages in the view of loss in manufacturing process, low cost of raw material, and stability of the handling process even though moderate ballistic and mechanical properties. It is predicted that the application field of this class will be used more widely than any other classes.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 체계에 광범위하게 적용할 수 있고, 아울러 공정상 함축적이며 비용의 경제성을 가지고 있는 열가소성 추진제의 소개와 더불어 연구경향 및 향후 발전방향에 대하여 분석하였다.

가설 설정

1) 이는 두 단계 제조공정으로 구성되는데, 첫 단계는 무용제 DB 추진제와 유사하다. 차이점은 물을 매체로 하지 않고, 열가소성 바인더를 고온에서 녹인(melt or softening) 상태에서 산화제 등의 원료들과 혼합하여 2-롤 밀링에서 혼사(blend) 과정을 거쳐 젤 화된 쉬트(gelatinized-sheet) 형태로 만든다.

제안 방법

당시에 새로운 polyurethane 바인더를 사용한 열경화성(thermo-sets) 혼합형 추진제가 개발되어 주조(cast)의 우수한 기술 및 에너지 특성이 활용되었는데, 소형 추진제 그레인 제작에서는 많은 공정과 제조과정이 느린 단점이 있었다. 또한, 동시대에 산업용으로 새로운 열가소성 생산품과 공정 개발에 힘입어 로켓 모터 설계자들이 성능 향상과 새로운 개념으로 설계할 수 있는 열가소성 혼합형(TCP, Thermo-plastic Composite Propellant) 추진제들을 개발하게 되었다.
현재 개발된 추진제들을 연기 및 플룸 신호 관점에서 유연, 저연 그리고 무연 계열로 분류하여 6개 그룹(six family)의 혼합형 및 개량 복기 추진제들의 성능을 Fig. 2에 비교하여 나타내었다.
현재까지 로켓모터에 충전하고 있는 추진제의 제조공정을 간략하게 조사하였다.

대상 데이터

로켓 모터에 사용하는 고체 추진제는 복기(DB, Double base) 및 혼합형(composite) 추진제로서 현재 개발이 진행된 추진제들의 family tree를 Fig. 1에 나타내었다.

성능/효과

1) 첫 단계 공정에서 추진제 특성을 시험분석 할 수 있으며, 중간에 재 혼합과정이 가능하다.
2) 기존 복기추진제의 압출 공정을 사용하지 않으므로 그레인 구경의 제한을 확대할 수 있으며, 그레인 구경이 작은 경우 (주조공정의 단점)에도 제작이 용이하다. 특히, 다양한 형태의 free grain에 적합하며, 이중 추력 및 금속선 삽입 추진제 그레인 제작에도 장점이 있다.
3) 추진제 내 가소제의 물질이동(migration) 문제가 거의 없기 때문에 장기노화 및 저장 수명도 유리하다.
고체 충전율(Al 10% 포함)이 80%∼84%의 PVC 바인더 추진제의 비추력 값은 250 sec, 고체 충전율이 83%인 TPE 바인더 추진제는 256 sec, 고체 충전율이 86∼88%인 HTPB 추진제의 비추력 값은 261 sec 로 약간의 차이를 보였다.
1970년대 이후 현재까지 HTPB 혼합형 추진제가 주류를 이루고 있는데, 이는 바인더 가교결합(cross-linked)으로 낮은 점도 특성과 고체 연료를 고 충전함으로서 상대적으로 높은 밀도-비추력(density-impulse)이 가능하기 때문이다. 이 추진제 조성은 고체 충전율이 ~88% 정도이며, 추진제 연소속도 조절범위가 넓고, 물성이 우수하다. 모터 제조공정은 Fig.

후속연구

새로운 TPE 바인더는 기존의 PVC 바인더 보다 용융점(95∼130℃)과 점도 특성이 상당히 낮은 성질로 인해 다양한 공정기술 적용에 보다 유리할 것으로 추정된다.
새로운 TPE 바인더에서는 앞서 언급한 장점을 가지고 있어 Fig. 11처럼 로켓 무기 체계에 case bonded와 free-standing grain이 모두 적용 가능할 것으로 사료된다.
새로운 공정개발인 TEPVAC Process (규정된 진공, 온도, 압력 chamber)와 twin screw extruder 등도 검토할 필요가 있을 것이다. TPC 추진제의 용융 온도는 HTPB에 비해 높지만, 경화시간(curing time)이 매우 짧고(1/6 수준), 다양한 그레인 형상이 가능한 장점이 있다.
하지만 공정상의 단순함과 저가의 추진제로서 위 적용성을 감안하면 장점이 더 많이 존재한다고 볼 수 있다. 특히 바인더의 조성 개발에 보다 심도 있는 연구가 진행되어 에너지성 바인더와 결합될 경우 성능면에서 일반 혼합형 추진제의 능력 우위에 있을 것으로도 판단된다. 즉, 기본적인 열가소성 특징에 체계 요구조건에 맞는 바인더와 첨가물의 조성개발을 할 경우 공정의 단순성과 체계적용의 다양성과 용이성, 저장수명의 장기화, 적절한 기계적 성질, 화학적 안전성, 그리고 무엇보다 제조비용의 저가화의 장점으로 그 전망은 밝다고 할 수 있으며, 이에 깊은 관심과 연구투자 배경을 확충하는 것이 필요하다.
또한, 에너지 물질을 재순환할 수 있는 장점으로 인해 유럽 등에서도 새로운 차기 고체 로켓 추진제로 둔감 특성과 에너지 증가 등의 연구가 진행되고 있다. 향후, 저렴하며, 원료의 상용성이 우수하고 HTPB 추진제의 단점을 보완한 새로운 대체 추진제로서 활발한 연구 개발이 진행될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열가소성 추진제의 단점은 무엇인가?	열가소성 추진제의 단점은 추진제 제조 공정 중에 점도가 높고(high viscosity) 또한, 경화온도가 높기 때문에 소형 모터와 가스발생기 등에 제한적으로 적용되어져 왔는데, 중 대형 로켓 모터에 열가소성 추진제를 적용할 경우에는 설계자들이 제한 사항들을 고려하여야 할 것이다.
	추진제에 사용되는 고분자 물질은 무엇으로 나눌 수 있는가?	추진제에 사용되는 고분자 물질은 추진제 공정에 따라 1) 열가소성(plastisols polymers) 추진제, 2) oxygen-rich 바인더(복기추진제), 3) 열경화성(HTPB:Hydroxyl-Terminated PolyButadiene) 추진제, 4) polymers based on rubber gum stocks 등의 4그룹으로 나눌 수 있다[1, 2].
	열가소성 PVC (Polyvinyl Chloride) 바인더는 어떤 공정이 유리한가?	초기에 개발된 열가소성 PVC (Polyvinyl Chloride) 바인더는 첫 번째 그룹인 plastisols 추진제로 분류되는데, 이는 추진제 제조 공정이 산화제와 미세한 plastisols PVC 입자들과 슬러리 상태로 혼합 및 주조하기 때문이다. 혼합(mixing) 공정 온도는 163∼177℃로 1시간 정도 가온하는데, 이때에 혼합된 젤(gel) 상태가 탄성 질량(elastomeric mass) 상태가 되므로, 주로 압출(extrude) 공정이 유리하다.

참고문헌 (18)

Solid Propellant Selection and Characteriztion, NASA-SP8064, 1971
Solid Propellant Processing Factors in Rocket Motor Design, NASA-SP8075, 1971
J.D.Hunley, "The history of solid propellant rocketry," AIAA 99-2925, 1999
V. S. Bozic, B. S. Jankovski, M. V. Milos, "Production of Gas Generators in Air bag Inflaters using Propellants of Thermoplastic Binders," Europyro, 2003, pp.688-695
A. Davenas, "Development of modern solid propellants," Journal of propulsion and power, Vol.19, No.16, 2003
Anon, "Key Technologies for Future Missile Propulsion Systems," BAE System. 2002
M.B. Talawar, R. Sivabalan, "Environ -mentally compatible next generation green energetic material(GEMs)," High energy materials research laboratory, pure 411021, India
Aparecida M. Kawamoto, et. al., "Synthesis and characterization of energetic thermoplastic elastomers for propellant formulations," Journal of aerospace technology and management, Vol. 1, 2009 No. 1, Jan.-Jun., pp.35-42
M. Wanhatalo, "Energetic TPE as binders in solid propellants," Swedish 2003
A. P. Denisjuk, Y. G. Shepeley, D. L. Rusin, "The combustion of composite propellants at high pressure," ICT2002
V. Bozic, "Production of high-energy propellants using TPE binders," 9th. In't workshop on combustion and propulsion, Italy, 2003
http://www.energetic-materials.com/PDF/ en/An-introduction-to-energetic-materials.pdf
V. Bozic, B. Jankovski, M. Milos, B. J. Lee, "Composite Rocket Propellants Based on Thermoplastic Elastomer Binders," 한국추진 공학회 2010년도 추계학술대회 논문집,pp.199-204
V. Bozic, B. Jankovski, M. Milos, B. J. Lee, "Application of thermoplastic composite propellant in production pdf propellant grain and rocket motors," 한국추진공학회 2010년도 추계학술대회 논문집, pp.205-209
Dorde Blagojevic, Vladica Bozic, "Mechanical Properties of Thermoplastic Composite Rocket Propellants Flexolite Series," Proceedings of the Third International Conference on Intrachamber Processes and Combustion, Izhevsk, Russia, 1999
V. S. B, and M. V. Milos, "Effects of oxidizer particle size on propellants based on modified polyvinyl chloride", Vol. 17 No. 5, 2001, pp.1012-1016

상세보기
Solid propellant manual CPIA/M2, 1964.
Dorde Blagojevic, Vladica Bozic, "Processing Technique of Rocket Propellants Based on Modified Polyvinyl Chloride," Paper No. 102, Proceedings of the Second International High Energy Material Conference and Exhibit, Chennai, India, 1998

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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].

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