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초록
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고체추진제 내부의 균열은 연소면적을 증가시키기 때문에 과연소를 발생시키며 로켓의 기능을 상실하거나 파손되는 문제로 이어질 수 있다. 따라서 고체추진제의 설계에서 균열진전에 대한 저항력인 파괴인성의 평가가 요구된다. 하지만 고체추진제의 특성상 복잡하고 심한 비선형 거동을 나타내기 때문에 파괴인성을 측정하는 데에는 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 고체추진제를 선형점탄성 재료로 가정하여 파괴인성을 평가하였다. CCT(Center-cracked Tension) 시험편을 이용한 파괴인성시험을 수행하였으며 점탄성재료에서 나타나는 응력완화현상을 이용한 가상탄성변위를 계산하여 ASTM E399 규격을 통해 파괴인성을 평가하였다. 또한 파괴인성에 대한 시험온도, 시험 속도의 영향에 대한 결과를 고찰하였다.

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A crack in a solid propellant increases the area of burning surface, which leads to excessive burning that causes motor failure. Therefore, it is necessary to evaluate fracture toughness of solid propellants. However, it is very difficult to measure fracture toughness of solid propellants because of...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문은 고체추진제 CCT 시험편을 사용한 파괴인성시험을 수행한 뒤 응력완화를 고려하여 가상탄성변위를 계산하는 방법을 제시할 것이다. 또한 그 결과를 사용하여 ASTM E399규격에 따라 파괴인성을 평가하고, 파괴인성에 대한 시험 온도와 시험 속도의 대한 영향을 고찰하고자 한다.
  • 본 논문은 고체추진제 CCT 시험편을 사용한 파괴인성시험을 수행한 뒤 응력완화를 고려하여 가상탄성변위를 계산하는 방법을 제시할 것이다. 또한 그 결과를 사용하여 ASTM E399규격에 따라 파괴인성을 평가하고, 파괴인성에 대한 시험 온도와 시험 속도의 대한 영향을 고찰하고자 한다.
  • 본 논문은 고체추진제의 응력완화특성을 고려하여 파괴인성을 평가하고, 파괴인성에 대한 시험온도 및 시험 속도의 영향을 확인하였으며 주된 결과는 다음과 같다.

가설 설정

  • 또한 파괴인성결과에서 강성감소(stiffness drop)에 기인한 점성변형을 구분하기 위해 사용유한요소 코드를 사용하였으며, 그 결과를 통해 파괴인성을 평가하였다[3]. 이러한 연구동향에서 볼 수 있듯이 고체추진제의 파괴인성을 평가하기 위해 선형점 탄성 재료를 가정하여 연구를 수행하고 있다. 하지만 실제 고체추진제의 점탄성 특성인 응력완화를 고려한 파괴인성 평가에 대한 연구는 부족한 실정이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체추진제의 문제점은? 고체추진제는 경화반응 중의 열응력, 저장 시 발생하는 온도변화, 이동 중에 발생하는 진동하중, 점화 시 발생하는 급격한 연소압력 등에 의해 표면 또는 내부에 균열이 발생할 수 있다. 또한, 요구되는 추력양상에 따라 다양하고 복잡한 형상의 단면으로 설계되기 때문에[1] 응력집중이 발생하는 기하학적 불연속부에서 균열이 발생할 수 있다. 이러한 고체추진제 균열은 구조적 문제를 야기할 수 있다.
본 논문은 고체추진제의 응력완화특성을 고려하여 파괴인성을 평가하고, 파괴인성에 대한 시험온도 및 시험 속도의 영향을 확인하였는데 주된 결과는? (1) 가상탄성변위를 계산한 결과, 시험 속도가 증가할 경우 응력완화의 진행 시간이 감소하기 때문에 시험편의 완화정도는 감소하고 가상탄성변위는 증가한다. (2) 파괴인성은 온도가 감소함에 따라 증가하며, 저온에서는 연성-취성전이에 의해 급격히 증가한다. (3) 파괴인성은 시험 속도의 증가에 따라 증가한다. 이는 점탄성의 특성상 변형속도가 빠를수록 변형에 대한 저항이 증가하기 때문이다. 또한 온도가 낮아짐에 따라 시험 속도의 영향은 증가한다.
응력 완화란? 점탄성 재료의 특징적인 역학적 거동 중에는 응력완화가 있다. 응력 완화라는 것은 순간적으로 일정한 변형률을 주고 이를 일정하게 유지할 때 점탄성 재료 내부의 응력이 시간의 경과에 따라 감소하는 현상이다. Fig.
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참고문헌 (8)

  1. 고태식, 심진호, 용승주, 이병길, "소형 고체 로켓 추진제의 그레인의 형상 변화에 따른 추력 특성 연구," 한국추진공학회 제30회 춘계학술대회 논문집, 2008, pp.349-352 

  2. Rao, S., Krishna, Y., and Rao, B. N., "Fracture Toughness of Nitramine and Composite Solid Propellants," Material Science and Engineering A, Vol. 403, Issues 1-2, 2005, pp.125-133 

  3. Tussiwand, G. S., Saouma, V. E., Terzenbach, R., and De Luca, R. E., "Fracture Mechanics of Composite Solid Rocket Propellant Grains: Material Testing," Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, No. 1, 2009, pp.60-73 

  4. ASTM, "Standard Test Method for Linear -Elastic Plane-strain Fracture Toughness $K_{IC}$ of Metallic Materials," Annual Book of ASTM Standards, ASTM E399, 2009, pp.1-33 

  5. Anderson, T. L., Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications, 3rd edition, CRC Press, 2005 

  6. Christensen, R. M., Theory of Viscoelasticity: An Introduction, 2nd edition, Academic Press, 1982 

  7. Bencher, C. D., Dauskardt, R. H., and Ritchie, R. O., "Microstructural Damage and Fracture Processes in a Composite solid Rocket Propellant," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 32, No 2, 1995, pp.328-334 

  8. Bohn, M. A. and Elsner, P., "Aging of the binders GAP-N100 and HTPB-IPDI Investigated by Torsion-DMA," Propellants, Explosives, Pyrotechincs 24, 1999, pp.199-205 

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