[논문]침식연소가 방지되는 사출용 다발 원통형 그레인 가스발생기 개발

오석진; 차홍석; 장승교

doi:10.6108/kspe.2012.16.3.069

초록
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본 논문에는 유도탄 사출시스템의 사출성능 향상을 위해 침식연소 현상이 발생하지 않는 상태에서 가스발생기의 압력 기울기를 증가시키는 방법에 대해 기술하였다. 안정연소를 얻기 위해 그레인에 반경방향홀을 뚫는 방법과 그레인의 길이대 직경비를 줄이는 방법을 고안하여 이를 적용, 연소시험을 실시하였다. 시험결과 반경방향홀 그레인을 적용했을 경우 침식연소 방지효과는 좋았으나 사출성능을 저하시키는 쪽으로 성능이 변화하였다. 반면에, 다열형 그레인을 적용시 침식연소 방지효과와 함께 사출성능을 향상시키는데 유용한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

An achieving method of highly progressive pressure gradient is presented to enhance the missile ejection system's performance by using a gas generator in the condition of preventing erosive burning. To obtain and confirm a stable burning, a ground burning test was performed to evaluate the new metho...

An achieving method of highly progressive pressure gradient is presented to enhance the missile ejection system's performance by using a gas generator in the condition of preventing erosive burning. To obtain and confirm a stable burning, a ground burning test was performed to evaluate the new methods of a radial-hole and a multi-row propellant grain. The test results show that a radial-hole grain takes good effect on erosive burning and not on ejection performance. On the other hand, a multi-row grain which reduces the length-to-diameter ratio(L/D) of grain is very effective to prevent the erosive burning and to enhance the ejection performance simultaneously.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 사출용 가스발생기에서 발생되기 쉬운 침식연소 현상을 해결하기 위해 추진제 그레인의 형상을 변경해주는 방법을 고안 적용하여 시험한 결과들을 정리하였다. 추진제 그레인에 반경방향홀을 뚫어주는 방법과 추진제 그레인의 길이대 직경비를 감소시키기 위해 그레인을 다열형으로 제작하여 배치해주는 두 가지 방법이 제시되었다.
길이대 직경비를 줄여줌으로써 그레인은 상대적으로 적어진 연소면적으로 이에 따라 발생되는 연소가스 역시 감소함으로 양단면에서 나오는 연소가스 유속을 줄여주는데 역할을 하게 된다. 본 연구에서는 이 두 가지 설계인자의 변화가 질량유량 발생특성에 미치는 영향을 각각의 시험조건들로 설정하여 조사하였다.
안정연소가 아닌 이상연소 중 하나인 침식연소(erosive burning) 현상은 일반적으로 추진제 그레인 표면에 연소가스가 빠른 속도로 이동해 감으로 인해 추진제 연소속도에서 급격한 증가가 발생하는 것을 의미한다[1]. 본 연구에서는 이러한 침식연소 방지와 함께 사출성능의 향상을 위해 새로운 방식의 그레인을 설계 제작한 후 가스발생기에 적용하여 그 개선정도를 지상 연소시험을 통해 조사하였다.

제안 방법

고안된 방법은 첫번째 Fig. 5의 (a)에서 보듯이 그레인 내경면부터 외경면까지 관통될 수 있는 홀을 뚫어서 그레인 내부에서 발생되는 연소가스가 양단면으로 빠져나가는 속도를 줄일 수 있도록 즉 그레인 반경방향으로도 발생된 연소가스의 통로를 만들어주는 방법을 사용하였다. 두번째 Fig.
3에 도시하였다. 그레인은 Fig. 3에서 보듯이 양 단면과 외경면이 불활성 테잎과 엔드캡으로 각각 단열처리되어, 점화기로부터의 화염에 의해 추진제의 단열처리된 면이 연소되는 것을 막을 수 있도록 설계, 제작하였다. 작동중에 단열처리 부분이 소실되지 않도록 제작시 많은 주의 및 노하우가 필요하다.
복기형 추진제가 사용된 가스발생기에서 발생되는 침식연소 현상은 그레인 내부의 유속이 연소초기 그레인 내경이 작을 때 특히 빨라져서 연소속도가 증가하다가 특정속도를 초과할 때 발생하기 때문에 그레인 내부의 속도를 느리게 해 줄 수 있는 방법을 고안하여 적용하였다. 고안된 방법은 첫번째 Fig.
이 경우 반경방향 홀이 각 그레인에 8개가 있게 하였다. 시험조건 1은 시험결과가 사용할 수 없는 수준으로 나온 상황이어서 시험조건 2의 경우를 기준모델로 설정하여 사출성능 향상정도를 비교하였다. 시험조건 3은 시험조건 2에서와 같은 그레인 2열형에서 반경방향홀의 개수를 반으로 줄였을 때의 영향을 조사하기 위함이다.
이러한 연소형태가 나타난 이유를 해석적으로 분석해 보았다. Fig.
본 연구에서는 사출용 가스발생기에서 발생되기 쉬운 침식연소 현상을 해결하기 위해 추진제 그레인의 형상을 변경해주는 방법을 고안 적용하여 시험한 결과들을 정리하였다. 추진제 그레인에 반경방향홀을 뚫어주는 방법과 추진제 그레인의 길이대 직경비를 감소시키기 위해 그레인을 다열형으로 제작하여 배치해주는 두 가지 방법이 제시되었다.
참고로 그레인 1열형의 경우 가스발생기 내에 추진제 그레인의 수는 19개이고, 그레인 2열형의 경우는 19×2인 38개 그리고 그레인 3열형은 19×3인 57개가 사용된다. 타당한 비교를 위해 모든 경우 한 가스발생기안에 들어가는 추진제의 총 무게는 가급적 동일하게 설정하였고, 모든 연소시험은 추진제 그레인 온도조건을 20℃로 조절한 후에 실시하였다.

대상 데이터

물론 그레인의 길이도 열의 수로 나눈만큼 짧아지게 된다. 추진제의 조성은 복기형(double base) 추진제로 NC(nitrocellulose), NG(nitroglycerin)가 주성분으로 구성되며, 추진제의 연소속도는 20℃, 1000 psia에서 약 25 mm/s인 추진제를 선정하여 적용하였다.

성능/효과

반경방향홀 그레인은 침식연소 방지에 탁월한 역할을 하였지만 사출용 가스발생기의 근본 목적인 사출성능이 저하되는 관계로 체계적용시 문제가 있음을 알 수 있었다. 그러나 그레인의 길이대 직경비를 감소시키기 위하여 다열형 그레인으로 만들어 배치해주는 경우 침식연소 방지에도 효과가 있었고, 가장 중요한 사출성능 중 하나인 최대가속도를 저감하는 측면에서도 매우 긍정적인 결과를 나타내었다.
본 연구에서 제시된 기준모델과의 비교시 그레인 3열형의 경우 최대가속도가 16.5 G에서 11.0 G로 감소하여 유도탄에서 많은 부품의 내구성 설계한도로 사용되는 최대가속도를 약 33% 감소시킬 수 있음을 최종 확인하였다.
이와 같은 효과를 확인하고 시험조건 5와 같이 길이대 직경비를 기존에 비해 1/3로 줄여서 시험한 경우 다른 모든 시험조건에 비해 이상적인 선도와 가장 유사하게 나타나고 있음을 볼 수 있다. 실제로 이렇게 얻어진 압력선도를 근거로 사출성능을 예측시 유사한 종말속도를 갖는 상태에서도 최대가속도를 많이 낮출 수 있는 것으로 확인되었다. Fig.
최종적으로 사출성능 비교를 위해 각각의 시험조건에서 얻어진 가스발생기 시간-압력 선도를 가스동역학 해석[6]시 입력조건으로 사용하여 계산을 수행한 결과가 Table 2에 정리되어 있다. 적용이 불가능한 시험조건 1을 제외한 기준모델인 시험조건 2와 비교시 모든 경우 유사한 종말 속도를 갖는 것으로 예측되었고, 최대가속도는 반경방향홀이 없이 상대적으로 안정연소를 나타낸 시험조건 5에서 가장 최소화되어 기준모델에 비해 약 33%의 감소효과를 얻을 수 있었다. 시험조건 4의 경우 기준모델에 비해 이상적인 선도와 유사한 경향을 나타냈지만 초반에 기준모델에 비해 압력수준이 낮아지는 효과가 크지 않아서 최대가속도는 약 7% 감소하는 것에 그치고 말았다.
9에는 내면연소형 실린더 그레인의 경우 반경방향홀의 유무에 따라 추진제 그레인 연소거리에 따른 연소면적이 해석적으로 계산되어 있다. 큰 영향을 미치지 않을 것 같은 반경방향홀은 그 수가 증가할수록 반경방향홀이 뚫린 홀의 내경면이 모두 연소시 추가 연소면이 되기 때문에 이상적으로 급격히 증가하는 선도에 비해 배가 볼록한 일정압력 유지형을 낼 수 밖에 없게 됨을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도탄 발사 방식은 어떤 방식이 있는가?	유도탄 발사 방식은 비행시 사용되는 추진기관 곧 로켓모터의 추진력을 일부 이용하는 부스터 발사방식(hot launch)과 별도의 사출장치를 이용하는 사출 발사방식(cold launch)이 있다. 사출 발사방식은 부스터외에 별도의 가스발생기 등이 요구되는 번거로움이 있으나 발사초기 발사관 이탈에 소요되는 추진기관의 에너지를 절감할 수 있으므로 이에 상응하는 유도탄 사거리 증가, 가스발생기의 화염이 거의 없으므로 발사시 위치노출 가능성 감소로 플랫폼 및 유도탄의 생존성 증가, 함정탑재시 화염처리 장치의 불필요에 의한 발사대 설치공간 감소 및 발사장치 재사용 가능 등의 장점을 갖는다.
	유도탄 발사 방식 중 사출발사방식은 어떤 장단점을 갖는가?	유도탄 발사 방식은 비행시 사용되는 추진기관 곧 로켓모터의 추진력을 일부 이용하는 부스터 발사방식(hot launch)과 별도의 사출장치를 이용하는 사출 발사방식(cold launch)이 있다. 사출 발사방식은 부스터외에 별도의 가스발생기 등이 요구되는 번거로움이 있으나 발사초기 발사관 이탈에 소요되는 추진기관의 에너지를 절감할 수 있으므로 이에 상응하는 유도탄 사거리 증가, 가스발생기의 화염이 거의 없으므로 발사시 위치노출 가능성 감소로 플랫폼 및 유도탄의 생존성 증가, 함정탑재시 화염처리 장치의 불필요에 의한 발사대 설치공간 감소 및 발사장치 재사용 가능 등의 장점을 갖는다.
	사출 발사방식은 에너지원으로 어떤 것을 쓰는 가스발생기가 사용되는가?	사출 발사방식을 적용한 유도탄 발사체계에서 에너지원으로 고체 추진제가 적용된 가스발생기가 주로 사용되고 있다. 유도탄의 안전하고 정확한 사출조건은 일정수준 이상의 사출종말속도와 함께 최대가속도 허용수준 이하의 두 조건을 동시에 만족시켜야 한다.

참고문헌 (8)

K. K. Kuo and M. Summerfield, Fundamental of Solid-Propellant Combustion, AIAA Inc., 1984
오석진 "침식연소가 방지되는 가스발생기," 특허출원번호 10-2010-138410, 2010
H. S. Mukunda and P. J. Paul, "Universal Behaviour in Erosive Burning of Solid Propellant," Combustion and Flame, Vol. 109, Issues 1-2, 1997, pp.224-236

상세보기
J. Moss, S. Heuster, and K. Linke, "Experimental Program to Assess Erosive Burning in Segmented Solid Rocket Motors," AIAA 2007-5782, 2007
조민경, 허준영, 성홍계, "침식연소를 고려한 고체로켓의 비정상 내탄도 해석 기법," 한국추진공학회지, 제13권, 제2호, 2009, pp.17-25
T. Yang, W. Xun-bo, and C. Xiao-qian, "Design of a Micro Solid Rocket Motor," AIAA 97-2864, 1997
차홍석, 오석진, 이응조, "가스발생기 점화초기 압력 저감화 연구," 한국추진공학회 춘계학술대회 논문집, 2010, pp.138-141
차홍석, 오석진, 박재범, 이응조, "가스발생기용 노즐마개 파열압력 저감화에 따른 점화특성," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2010, pp.217-220

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