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문제 정의
- 본 논문에서는 사출용 가스발생기의 사출성능 중 가스발생기에 의해 발생되는 충격 곧 최대가 속도를 감소시키기 위해 설계인자 변경에 따른 연구결과를 정리하였다. 최대가속도를 저감하기 위해 설계변수로 점화제의 종류 및 형상 그리고 노즐마개 노치부 형상을 설정하였다.
- 본 연구에서는 기본적인 사출성능, 즉 유도탄 사출종말 속도를 충족시키는 가스발생기에 대하여 유도탄에 걸리는 충격(가속도)의 크기를 최소화시킬 수 있는 방법을 고안하여 실험적으로 설계인자의 영향 연구를 수행하였으며, 최대가속도의 저감 효과를 가스발생기 지상연소시험을 통해 간접적으로 확인하였다.
제안 방법
- 최대가속도를 저감하기 위해 설계변수로 점화제의 종류 및 형상 그리고 노즐마개 노치부 형상을 설정하였다. 가스발생기를 사용한 육상사출시험의 분석결과 가스발생기 작동 후 0.1 s까지의 가스발생기 내부 압력적분 값이 발생가속도에 비례하는 것을 확인하고, 각각의 설계인자 변경시 지상연소시험을 통한 연소 압력값 분석으로 최대가속도 저감효과를 평가하였다. 그 결과 점화제 종류 및 형상 변경을 통해약 49%, 노즐마개 노치부 설계변경을 통해 약 39%의 최대가속도 감소효과를 확인하였다.
- 가스발생기의 점화기 및 노즐마개에 대해 설계 인자 변경 후 단품 성능시험을 실시하기 위해 각각의 경우에 대해 시험장치를 제작하였다. 이와 같은 단품 성능시험은 그 변화 정도를 사전에 검토하지 않고 모든 경우에 대해 가스발생기에 직접 적용할 경우, 가스발생기 제작수량 증가에 따른 제작일정 문제 및 비용적인 측면에 낭비가 많아질 수 밖에 없게 되기 때문에 필수적인 과정이다.
- MTV 점화제는 동일한 압력조건에서 BKNO3 점화제에 비해 현저히 느린 연소속도를 갖는데(약 18% 수준), 이는 유연 점화에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대되었다. 각각의 점화제는 그 연소특성을 극대화할 수 있는 점화제 형상을 고려하여, BKNO3 점화제의 경우 pellet 형태로 MTV 점화제의 경우 cylinder 형태로 설계하여 준비하였다.
- 4 (c)에 도시되어 있다. 공압을 이용 하여 미리 설정된 압력을 압력챔버에 걸어주게되고 압력을 서서히 증가시키면서 노즐마개의 파열 유무를 관찰하여 파열압을 측정하였다.
- 노즐마개의 단품시험시에서는 Fig. 4 (a)와 같이 외경 28.0 mm, 두께 0.15 mm의 금속 박판에 노치의 폭과 깊이를 변화시키면서 파열압력을 측정하였다. 이 때 노치의 길이는 24.
- 결과에서 보듯이 노치폭에 따른 파열압의 변화는 크지 않았고, 또한 특별한 경향성도 나타나지 않았다. 노치폭의 치수가 파열압 변화에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타나, 다음으로 노치깊이를 변화 시키면서 파열압 변화를 관찰하였다. Fig.
- . 동시점화성은 설계된 점화기를 가스발생기에 직접 적용하여 가스발생기 지상연소시험으로 최종 확인하였다.
- 60 mm까지 변화시키면서 시험을 진행하였다. 또한 노치의 깊이가 파열압력에 미치는 영향을 조사하기 위하여 노치의 폭은 0.60 mm로 설정한 후 노치의 깊이를 0.08~0.14 mm 로 변경시키면서 파열압력을 조사하였다.
- 1 s까지의 가스발생기 내부 압력의 시간에 대한 적분값이 커지면 그에 따라 최대가속도가 증가하고, 이 압력적분값이 작아지면 최대가속도 역시 그에 비례하여 작아지게 됨을 확인하였다. 발생 가속도의 크기와 가스발생기 내부압력과의 관계를 간단한 관계식으로 정리하였다.
- 그 이유는 사출순간에 발사관 하부 밀폐공간의 크기가 가장 작기 때문에 적은 연소가스의 양으로도 상대적으로 큰 사출압력이 생성되기 때문이다. 본 시험에 적용된 가스발생기의 경우 점화 후 0.1 s 근방에서 최대가속도가 발생하는 것으로 여러번의 유도탄 모의체 육상사출시험을 통해 분석되었다. 또한 사출시험결과 분석을 통해 가스발생기 0.
- 연소속도 및 형상을 조절한 점화제 적용 및 노즐마개 파열압 저감을 통한 최대가속도 감소효과를 최종적으로 확인하기 위하여 Fig. 10과 같이 가스발생기 지상연소시험을 실시하였다. 성능개선 정도를 정량적으로 판단하기 위하여 기준모델로 점화제의 경우 BKNO3 점화제 적용 점화기, 노즐마개의 경우 노치부 형상은 노치폭 0.
- 0 mm로 두 노치는 서로 직교하도록 제작되었다. 우선 노치의 폭이 파열압력에 미치는 영향을 조사하기 위하여 노치깊이는 0.10 mm로 설정한 후 노치의 폭을 0.15~0.60 mm까지 변화시키면서 시험을 진행하였다. 또한 노치의 깊이가 파열압력에 미치는 영향을 조사하기 위하여 노치의 폭은 0.
- 이 중 비교적 쉽게 변경 및 적용이 가능한 점화기와 노즐마개를 선정(Fig. 1 참조)하여 이 두 설계인자들이 가스발생기 최대가속도 저감에 기여를 할 수 있는지를 조사하였다. 점화기의 경우 유연 점화(soft ignition)에 초점을 맞추어 점화제종류 및 형상을 변경해 가스발생기에 적용해 보았고, 노즐마개의 경우 초기 연소가스의 유연 유출(soft discharge)을 위해 파열압을 낮출 수 있는 방법을 고안하여 적용하였다.
- 점화기 단품시험시 점화제의 종류와 형상을 변경하는 것을 설계인자로 설정하였다. 점화제로는 로켓추진기관이나 가스발생기에 주로 사용되는 BKNO3(Boron/Potassium Nitrate)와 주로 조명탄에 사용되는 MTV(Magnesium, Teflon, Viton)를 선정하였다.
- 1 참조)하여 이 두 설계인자들이 가스발생기 최대가속도 저감에 기여를 할 수 있는지를 조사하였다. 점화기의 경우 유연 점화(soft ignition)에 초점을 맞추어 점화제종류 및 형상을 변경해 가스발생기에 적용해 보았고, 노즐마개의 경우 초기 연소가스의 유연 유출(soft discharge)을 위해 파열압을 낮출 수 있는 방법을 고안하여 적용하였다. 구속조건 (constraint condition)으로 점화기의 경우 과하게 유연 점화에 초점을 맞추면 복수의 추진제 그레인 동시점화 측면 즉 노즐마개가 너무 일찍 파열 후 개방되어 초기 압력형성에서 문제가 발생하게 되고, 노즐마개의 경우 과하게 유연 유출에 치중하면 가스발생기 조립 및 운반과 같은 취급시 노즐마개가 파손되어 추진제 그레인이 대기중의 수분과 반응하는 문제가 발생된다.
- 점화기의 경우 점화제의 재료와 형상에 따른 연소특성을 알아보기 위해 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 작은 시험용 압력챔버를 만들어서 점화기에서 발생하는 점화제 연소가스에 의해 챔버내에 형성되는 압력을 계측하였다. 압력형성 패턴은 점화제의 종류 및 형상에 따라 다르게 나타나게 되는데 압력이 가능한 천천히 증가하고 또 오래 유지되도록 하는 것이 유연 점화에 유리하다.
- 점화제의 연소특성을 알아보기 위하여 점화기 단품에 대한 성능시험을 실시하였다. 각 점화기에 적용된 첨장약 및 주장약의 구성과 점화제 형상을 Table 2에 정리하였다.
- 준비된 공압파열시험 장치들을 사용하여 노즐마개의 노치형상 변화에 따른 파열압 변화를 조사하였다. Fig.
- 본 논문에서는 사출용 가스발생기의 사출성능 중 가스발생기에 의해 발생되는 충격 곧 최대가 속도를 감소시키기 위해 설계인자 변경에 따른 연구결과를 정리하였다. 최대가속도를 저감하기 위해 설계변수로 점화제의 종류 및 형상 그리고 노즐마개 노치부 형상을 설정하였다. 가스발생기를 사용한 육상사출시험의 분석결과 가스발생기 작동 후 0.
대상 데이터
- 따라서 노치가 있는 노즐마개를 제작하는 경우, 노치깊이에 대한 정밀 제어가 요구될 것으로 생각된다. 노즐 마개 노치깊이는 가스발생기 제작 후 기밀확인을 위한 기밀시험과 조립, 운송 등의 취급과정에서 문제가 없는 0.14 mm를 최적값(노치폭은 0.60 mm)으로 선정하였다.
- 본 연구에 사용된 사출용 가스발생기의 형상은 Fig. 1에 나타낸바와 같이 점화장치(Igniter), 연소관 (Case) 및 내부 지지구조물, 추진제 그레인 (Propellant Grain), 노즐조립체(Nozzle Assembly) 및 노즐마개(Nozzle Closure)로 구성되어 있다. 점 화기로부터 생성된 화염이 추진제 그레인의 연소를 유발시키고, 연소관 내부에서 생성된 고온고압의 추진제 연소가스는 노즐조립체의 노즐을 통해 배출되어 발사관 하부의 공간을 채워, 탄을 사출시키기 위한 에너지원으로 사용된다.
- 각 점화기에 적용된 첨장약 및 주장약의 구성과 점화제 형상을 Table 2에 정리하였다. 시험에 사용된 압력 챔버의 자유체적은 약 3 L이고, 점화기 연소시험에 의해 얻어진 압력선도를 Fig. 5에 나타내었다. 각각의 점화기 시험결과 점화제별로 재현성이 좋은 것으로 나타났다.
- 결국 탄에 미치는 최대가속도는 발사관 내부에 자유공간이 적을 때 발생되어, 가스발생기의 작동 초기에 탄에 최대 충격(가속도)이 발생하게 된다. 이러한 사실에 근거하여 가스발생기 작동중 연소초기에 영향을 미치는 설계인자들을 선정하였다. 가스발생기 작동초기에 영향을 미치는 설계인자들은 점화기, 추진제 그레인 연소면적, 노즐마개 등이 있다.
- 점화기 단품시험시 점화제의 종류와 형상을 변경하는 것을 설계인자로 설정하였다. 점화제로는 로켓추진기관이나 가스발생기에 주로 사용되는 BKNO3(Boron/Potassium Nitrate)와 주로 조명탄에 사용되는 MTV(Magnesium, Teflon, Viton)를 선정하였다. 두 점화제의 특성은 Table 1에 요약하였다.
데이터처리
- Static fire test to evaluate a gas gen-erator였다. 이 기준모델을 사출성능의 향상정도 확인을 위해 설계인자 변경 모델과 성능 비교시 기준으로 사용하였다. 유도탄의 최대가속도는 탄이 발사관안에서 사출을 위하여 막 이동하는 시점에 발생한다.
이론/모형
- 추정된 원인을 확인하고 점화제양에 따른 연소 압력을 예측하기 위하여 이론적 모델을 사용하였다. 노즐마개가 설치되어 있는 경우 점화제는 노즐마개가 내부 압력에 의해 파열되기 전까지 밀폐용기내에서의 연소특성을 따르게 된다.
성능/효과
- 7 s 내외이지만 그림에는 최대가속도에 직접적인 영향을 미치는 일부 구간의 내부 압력만을 나타내었다. BKNO3 점화제 적용시 가스발생기 압력은 추진제 점화를 통한 추진제 연소가스와 함께 점 화제에서 나오는 질량유량이 더해져서 연소초기에 상대적으로 높은 수준의 압력이 발생되는 것으로 나타났다. 반대로 MTV 점화제 적용시 BKNO3 점화제를 사용한 경우에 비해 상대적으로 낮은 수준의 압력을 보여주고 있다.
- 각각의 점화기 시험결과 점화제별로 재현성이 좋은 것으로 나타났다. BKNO3 점화제를 적용하여 점화기 성능시험을 수행한 결과 최대압력은 370 psi 수준이었고, MTV 점화제를 적용한 점화기의 경우 최대압력은 80 psi 수준으로 나타났다. MTV 점화제 적용시 최대 압력이 이렇게 낮아지는 현상은 유연 점화에 매우 긍정적인 역할을 하게 된다.
- 사출성능 중 최대가속도 관점에서 보면 초기 가스발생기 압력형성에 가장 큰 영향을 미치는 점화제의 연소물성은 연소속도이다. MTV 점화제는 동일한 압력조건에서 BKNO3 점화제에 비해 현저히 느린 연소속도를 갖는데(약 18% 수준), 이는 유연 점화에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대되었다. 각각의 점화제는 그 연소특성을 극대화할 수 있는 점화제 형상을 고려하여, BKNO3 점화제의 경우 pellet 형태로 MTV 점화제의 경우 cylinder 형태로 설계하여 준비하였다.
- 5에 나타내었다. 각각의 점화기 시험결과 점화제별로 재현성이 좋은 것으로 나타났다. BKNO3 점화제를 적용하여 점화기 성능시험을 수행한 결과 최대압력은 370 psi 수준이었고, MTV 점화제를 적용한 점화기의 경우 최대압력은 80 psi 수준으로 나타났다.
- 이후 추진제 그레인 연소시 발생되는 추진제 연소가스와 함께 가스발생기의 압력을 상승시키게 된다. 개선모델의 경우 기준모델에 비해 가스발생기 압력적이 52.25 psia-s에서 16.88 psia-s로 최대가속도를 약 68% 감소시킬 수 있는 것으로 나타나 점화기 및 노즐마개의 종합적인 개선효과를 최종 확인할 수 있었다.
- 60 mm까지 변화시키면서 파열압을 조사한 결과를 나타내었다. 결과에서 보듯이 노치폭에 따른 파열압의 변화는 크지 않았고, 또한 특별한 경향성도 나타나지 않았다. 노치폭의 치수가 파열압 변화에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타나, 다음으로 노치깊이를 변화 시키면서 파열압 변화를 관찰하였다.
- 지상연소시험시 추진제의 연소로 노즐을 통해 나오는 연소가스는2400K 수준으로 굉장히 고온임에도 불구하고, 공압파열시험시 상온인 상태와 파열압력이 유사함은 노즐마개 파열이 비교적 짧은 시간인 50 ms 이내에 완료되기 때문에 열에 의한 금속 박판의 구조적 물성변화가 크지 않기 때문인 것으로 판단된다. 결과적으로 개선 노즐마개 적용시 0.1 s 까지의 압력적은 16.88 psia-s(2기 평균)이고, 기준 노즐마개 적용시 0.1 s까지의 압력적이 27.52 psia-s(2기 평균)으로 약 39%의 최대가속도 저감 효과가 있는 것으로 분석되었다. 노즐마개 파열 압이 낮으면 발사관 하부 공간에 추진제 연소가스가 적은 질량유량으로 분출되어 모여지고, 노즐마개 파열압이 높으면 반대로 큰 질량유량으로 발사관 하부의 공간을 채우기 때문에, 파열압력이 낮으면 최대가속도 저감에도 긍정적인 역할을 하게 되는 것으로 생각된다.
- 1 s까지의 가스발생기 내부 압력적분 값이 발생가속도에 비례하는 것을 확인하고, 각각의 설계인자 변경시 지상연소시험을 통한 연소 압력값 분석으로 최대가속도 저감효과를 평가하였다. 그 결과 점화제 종류 및 형상 변경을 통해약 49%, 노즐마개 노치부 설계변경을 통해 약 39%의 최대가속도 감소효과를 확인하였다. 두 설계인자의 최적값들을 모두 적용한 개선모델의 경우 기준모델에 비해 약 68%의 최대가속도 감소효과를 나타내었다.
- 모든 경우 점화제는 MTV를 사용하였다. 기준 노즐마개 적용시 노즐마개의 파열압은 압력-시간선도에서 관측되는 첫번째 변곡점인 약 390 psia 수준에서 파열되는 것으로 분석되었다. 개선 노즐마개 적용시 파열압력은 130 psia 수준으로 나타났다.
- 13에 도시하였다. 노즐마개 파열압 및 점화기에 적용된 점화제의 종류와 형상에 따라 점화기에서 생성되는 질량유량에 의한 압력이 0.1 s까지의 압력생성에 큰 역할을 하고 있음을 해석적으로 확인할 수 있었다. 이후 추진제 그레인 연소시 발생되는 추진제 연소가스와 함께 가스발생기의 압력을 상승시키게 된다.
- 이를 통해 점화제 종류 및 형상 변경이 최대가속도 저감에 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 동일하게 제작된 사출용 가스발생기에서 점화제의 종류와 형상만을 최적화해도 사출성능 향상, 즉 최대가속도 저감효과를 얻을 수 있었다.
- 그 결과 점화제 종류 및 형상 변경을 통해약 49%, 노즐마개 노치부 설계변경을 통해 약 39%의 최대가속도 감소효과를 확인하였다. 두 설계인자의 최적값들을 모두 적용한 개선모델의 경우 기준모델에 비해 약 68%의 최대가속도 감소효과를 나타내었다. 이를 통해 사출용 가스발생기에서 점화기와 노즐마개에 대한 비교적 간단한 설계변경만으로 사출성능이 크게 개선될 수있음을 확인하였고, 향후 개발되는 고성능 사출용 가스발생기 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 1 s 근방에서 최대가속도가 발생하는 것으로 여러번의 유도탄 모의체 육상사출시험을 통해 분석되었다. 또한 사출시험결과 분석을 통해 가스발생기 0.1 s까지의 가스발생기 내부 압력의 시간에 대한 적분값이 커지면 그에 따라 최대가속도가 증가하고, 이 압력적분값이 작아지면 최대가속도 역시 그에 비례하여 작아지게 됨을 확인하였다. 발생 가속도의 크기와 가스발생기 내부압력과의 관계를 간단한 관계식으로 정리하였다.
- 6에 나타내었다. 시험결과와 비교시 최대값에서 약간의 차이가 있지만 전반적으로 점화기 연소시험 결과와 큰 차이가 없었고, 이러한 압력적의 차이는 질식이 유지되지 못했기 때문인 것으로 확인되었다. 실제로 점화기 성능시험시 고속카메라 촬영으로 연소시간을 분석해 보면 BKNO3 점화제 적용시 연소시간은 약 200 ms였고, MTV 점화제 적용시 약 1150 ms로서 MTV 점화제가 이론적인 연소속도 차이와 유사하게 5~6배 정도 오래 연소됨을 확인할 수 있었다.
- 시험결과와 비교시 최대값에서 약간의 차이가 있지만 전반적으로 점화기 연소시험 결과와 큰 차이가 없었고, 이러한 압력적의 차이는 질식이 유지되지 못했기 때문인 것으로 확인되었다. 실제로 점화기 성능시험시 고속카메라 촬영으로 연소시간을 분석해 보면 BKNO3 점화제 적용시 연소시간은 약 200 ms였고, MTV 점화제 적용시 약 1150 ms로서 MTV 점화제가 이론적인 연소속도 차이와 유사하게 5~6배 정도 오래 연소됨을 확인할 수 있었다.
- 25 psia-s에 비해 약 49%였다. 이를 통해 점화제 종류 및 형상 변경이 최대가속도 저감에 효과가 있는 것을 확인할 수 있었다. 동일하게 제작된 사출용 가스발생기에서 점화제의 종류와 형상만을 최적화해도 사출성능 향상, 즉 최대가속도 저감효과를 얻을 수 있었다.
후속연구
- 두 설계인자의 최적값들을 모두 적용한 개선모델의 경우 기준모델에 비해 약 68%의 최대가속도 감소효과를 나타내었다. 이를 통해 사출용 가스발생기에서 점화기와 노즐마개에 대한 비교적 간단한 설계변경만으로 사출성능이 크게 개선될 수있음을 확인하였고, 향후 개발되는 고성능 사출용 가스발생기 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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