[논문]압력과 산화몰분율이 그라이트 목삽입재의 삭마율에 미치는 영향

함희철; 강윤구

doi:10.6108/kspe.2014.18.1.008

압력과 산화몰분율이 그라이트 목삽입재의 삭마율에 미치는 영향
The Effect of Pressure and Oxidation Mole Fraction on Ablation Rate of Graphite for Nozzle Throat Insert 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.1, 2014년, pp.8 - 15

함희철 (4-Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defense Development) , 강윤구 (4-Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defense Development)

초록
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고체 로켓 추진기관의 노즐목 삽입재에 적용하는 그라파이트의 삭마율 특성을 분석하였다. 지상연소시험은 3종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다. 즉, De-Laval 형태, 토출관 형태, 내삽 형태이다. 13종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 그라파이트를 적용하여 총 37회의 연소시험을 수행하였다. 분석결과 그라파이트의 삭마율은 연소실 평균압력이 상승함에 따라, 산화몰분율이 증가함에 따라 증가함을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ablation characteristics of graphite nozzle throat insert is analyzed for the use in solid rocket propulsion system. The propulsion system is composed of three types of conventional nozzles, such as De-Laval type, blast tube type, and submerged type. Various kinds of propellants are used in the thirteen kinds of propulsion system that has different shapes of each other. Total thirty seven tests are performed. From the results of the analysis, it is found that the ablation rate is higher for the higher average chamber pressure and the higher concentration of oxidizing species in combustion gas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

비행체 추력의 약 65∼75%는 노즐목까지의 아음속 영역의 가속에 의해 발생하고, 나머지는 초음속 영역의 팽창과정에서 발생한다. 노즐설계의 목적은 제한된 외면모양, 무게 및 비용 조건하에서 비행거리 및 적재 폭발력을 최대화 할 수 있도록 배기가스의 팽창을 조정하는 것이다. 따라서 노즐은 보다 큰 체계인 추진기관의 종합적인 구성요소 중 하나이며, 그 체계를 고려하지 않고는 최적화될 수 없다.
따라서 본 연구에서는 그라파이트의 열반응 특성을 연구함으로써 탄소계 내열재의 열반응 특성을 파악하고, 고체 로켓 추진기관에의 그라파이트의 적용 가능성을 확인하고자 하였다.

가설 설정

연소생성물과 내열재료의 성분 및 분해가스 사이의 삭마에 의한 표면후퇴는 순전히 화학적인 현상으로 가정한다. 입자침적에 의한 기계적 침식, 국부적 쪼개짐(spalling), 그리고 표면마찰에 의한 용융층의 제거 등은 해석적으로 고려하기 어렵고, 이와 같은 영향을 무시할 수 없을 정도가 되면 경험식을 개발하여 적용하는 것이 일반적인 방법이다[1].

제안 방법

지상연소시험은 3종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관, 즉 De-Laval 형태, 토출관(blast tube) 형태, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다. 13종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 그라파이트를 적용하여 총 37회의 연소시험을 수행하였다. 연구 결과에 대한 결론은 다음과 같다.
1 참조). De-Laval 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 7종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였고, 토출관(blast Tube) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였으며, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였다. 총 13종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 그라파이트를 적용하여 37회의 연소시험을 수행하였다.
Table 1은 3종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 11종류의 서로 다른 형상의 추진기관을 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 연소실 평균압력에 따른 노즐목 위치에서의 삭마율 측정 결과를 정리한 것이다.
Table 2는 2종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관을 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 연소가스의 산화몰분율에 따른 노즐목 위치에서의 삭마율 측정 결과를 정리한 것이다. 즉, 연소가스의 산화몰분율이 서로 다른 2종류의 추진제를 동일한 추진기관에 각각 적용하여 시험하였다.
고체 로켓 추진기관의 노즐목 삽입재에 적용하는 그라파이트의 삭마율 특성을 분석하였다. 지상연소시험은 3종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관, 즉 De-Laval 형태, 토출관(blast tube) 형태, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다.
삭마두께는 최소 노즐목(throat) 위치에서 측정한 연소시험 전후 내경의 차이로 계산되며, 3차원 측정 장비를 사용하여 측정하였다. 노즐목 삽입재의 열반응 특성은 단위 시간 당 삭마두께, 즉 삭마율을 사용하여 분석하였다.
노즐표면의 온도가 급격히 상승하는 시기인 연소 초기, 즉 비교적 낮은 표면 온도구간에서는 화학반응(chemical kinetics)이, 그 이후 온도가 높은 구간에서는 노즐표면으로의 산화성분들의 확산이 삭마과정에 지대한 영향을 준다. 또한 삭마율은 추진제의 알루미늄 함량의 감소에 따라, 그리고 압력, 표면 조도의 증가와 더불어 상승하는 결과를 도출하였다. Borie 등[7]는 고체 로켓 추진기관에서 탄소/탄소 복합재료에 영향을 미치는 요인에 대한 열화학분석을 수행하였으며, H₂O에 의한 탄소 화학작용이 노즐 삭마에 영향을 미침을 확인하였다.
분석에 포함된 추진기관은 연소시험 후 분석 자료의 신뢰성 및 재현성을 향상시키기 위하여 20℃의 항온실에서 24시간 이상 보관 후 연소시험을 수행한 추진기관을 선별하여 분석하였다. 항온실 보관온도에 따라 노즐목 삭마율의 차이를 나타내며, 일반적으로 고온＞상온＞저온의 순서로 증가하는 경향을 나타낸다.
삭마두께는 최소 노즐목(throat) 위치에서 측정한 연소시험 전후 내경의 차이로 계산되며, 3차원 측정 장비를 사용하여 측정하였다. 노즐목 삽입재의 열반응 특성은 단위 시간 당 삭마두께, 즉 삭마율을 사용하여 분석하였다.
이러한 상관성 때문에 노즐설계는 공력, 열, 구조, 제작 등을 고려한 반복적인 과정을 거쳐 이루어진다. 설계된 노즐은 먼저 열적 및 구조적으로 상세해석을 통해 평가되고, 그 다음에 전체 비행체 성능에 미치는 영향을 분석하게 된다. 이와 같은 이중의 반복과정은 실질적으로 최적조건이 성립될 때까지 계속된다.
0%)한 추진기관, 노즐목의 삭마를 감소시키기 위하여 노즐목 직경의 1/4크기 이상의 tubular 노즐 형상을 갖는 추진기관 등은 제외하였다. 연소시험 시 추진제 연소시간, 연소실 압력, 추력을 측정하였으며, 연소시험 후 노즐 내면에서의 위치별 삭마두께를 측정하여 단위 시간당 제거된 재료의 두께를 나타내는 삭마율을 구하였다.
Table 2는 2종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관을 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 연소가스의 산화몰분율에 따른 노즐목 위치에서의 삭마율 측정 결과를 정리한 것이다. 즉, 연소가스의 산화몰분율이 서로 다른 2종류의 추진제를 동일한 추진기관에 각각 적용하여 시험하였다.
고체 로켓 추진기관의 노즐목 삽입재에 적용하는 그라파이트의 삭마율 특성을 분석하였다. 지상연소시험은 3종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관, 즉 De-Laval 형태, 토출관(blast tube) 형태, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다. 13종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 그라파이트를 적용하여 총 37회의 연소시험을 수행하였다.
De-Laval 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 7종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였고, 토출관(blast Tube) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였으며, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였다. 총 13종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 그라파이트를 적용하여 37회의 연소시험을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 그라파이트는 밀도가 1.74 g/cm³이고, 미국 Union Carbide사(상품명 ATJ)에서 고압성형 공정으로 제작한 것이다.
지상연소시험은 3종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다(Fig. 1 참조). De-Laval 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 7종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였고, 토출관(blast Tube) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였으며, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였다.

성능/효과

1. 연소실 평균압력이 증가함에 따라 삭마율이 증가하는 경향을 보인다. 동일한 형상을 갖는 추진기관에서는 연소실 평균압력 변화가 크지 않은 경우 유사한 삭마율을 나타내고 있다.
2. 연소가스의 산화몰분율이 증가함에 따라 삭마율이 증가하는 경향을 보인다. 동일한 형상의 추진기관에서는 산화몰분율이 증가함에 따라 유사한 삭마율로 증가하지만 서로 다른 형상의 3종류의 추진기관에서는 삭마율 상승 기울기가 차이를 보이고 있다.
Fig. 2로부터 알 수 있듯이 25회의 시험 결과 연소실 평균압력이 증가함에 따라 삭마율이 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 동일한 형상을 갖는 추진기관에서는 연소실 평균압력 변화가 크지 않은 경우 유사한 삭마율을 나타내고 있다.
또한, 탄소/탄소 복합재료는 페놀재료의 열분해(pyrolysis)시 야기되는 가스 발생을 피할 수 있고, 열팽창계수가 매우 적어 열팽창에 의한 내부 열응력을 줄일 수 있어 설계 단순화를 가져올 수 있으며, 또한 무게를 줄일 수 있어 노즐 효율을 증대시킬 수 있다. 아울러 탄소/탄소 복합재료는 훌륭한 내열재이면서 동시에 훌륭한 구조재 역할을 담당한다.

후속연구

3. 연소실 압력, 연소가스의 산화몰분율 뿐만아니라 추진제 내 금속함유여부, 경계층 발달 길이, 노즐목 반경에 대한 노즐목 곡률반경의 비, 급가속 유동에 의한 층류화, 노즐목 크기 등 삭마율에 영향을 미치는 다양한 인자들에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
2절에서 언급할 연소가스의 산화몰분율, 추진제 내 금속함유여부, 경계층 발달길이, 노즐목 반경에 대한 노즐목 곡률반경의 비, 급가속 유동에 의한 층류화, 노즐목 크기 등이다. 따라서 향후 이러한 다양한 인자들에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
여기에서 De-Laval type(DL2)에서 산화몰분율이 큰 경우의 삭마율 측정치가 1위치뿐이고, blast tube type(BT3)에서는 동일한 산화몰분율에서 삭마율이 서로 차이를 보이고 있다. 이의 원인도 4.1절에서 언급한 다양한 삭마율 영향 인자에 기인하는 것으로 판단되며, 결과적으로 이러한 다양한 영향 인자들을 고려하여 삭마율을 하나의 식으로 표현하는 연구가 지속되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체 로켓 추진기관의 노즐의 역할?	고체 로켓 추진기관의 노즐은 연소실에서 생성된 배기가스를 팽창시켜 운동에너지를 효율적으로 변환시킴으로써 비행체에 추력을 공급하는 기능을 담당한다. 비행체 추력의 약 65∼75%는 노즐목까지의 아음속 영역의 가속에 의해 발생하고, 나머지는 초음속 영역의 팽창과정에서 발생한다.
	비행체 추력의 가속은 무엇에 의해 발생하는가?	고체 로켓 추진기관의 노즐은 연소실에서 생성된 배기가스를 팽창시켜 운동에너지를 효율적으로 변환시킴으로써 비행체에 추력을 공급하는 기능을 담당한다. 비행체 추력의 약 65∼75%는 노즐목까지의 아음속 영역의 가속에 의해 발생하고, 나머지는 초음속 영역의 팽창과정에서 발생한다. 노즐설계의 목적은 제한된 외면모양, 무게 및 비용 조건하에서 비행거리 및 적재 폭발력을 최대화 할 수 있도록 배기가스의 팽창을 조정하는 것이다.
	고체 로켓 추진기관의 노즐 설계 목적은?	비행체 추력의 약 65∼75%는 노즐목까지의 아음속 영역의 가속에 의해 발생하고, 나머지는 초음속 영역의 팽창과정에서 발생한다. 노즐설계의 목적은 제한된 외면모양, 무게 및 비용 조건하에서 비행거리 및 적재 폭발력을 최대화 할 수 있도록 배기가스의 팽창을 조정하는 것이다. 따라서 노즐은 보다 큰 체계인 추진기관의 종합적인 구성요소 중 하나이며, 그 체계를 고려하지 않고는 최적화될 수 없다.

참고문헌 (7)

"Solid Rocket Motor Nozzles Space Vehicle Design Criteria(Chemical Propulsion)," NASA-SP-8115, June 1975.
McDonald, A.J. and Hedman, P.O., "Erosion of Graphite in Solid-Propellant Combustion Gases and Effects on Heat Transfer," AIAA Journal, Vol. 3, pp. 1250-1257, Jul., 1965.

상세보기
Lewis, J.C., Floyd, L.J., and Cowlard, F.C., "A Laboratory Investigation of Carbon-Gas Reactions of Relevance to Rocket Nozzle Erosion," AGARD Conference Proceedings, No. 52, Feb. 1970.
Klager, K., "The interaction of the efflux of solid propellants with nozzle materials," Propellants and Explosives, Vol. 2, pp. 55-63, 1977.

상세보기
Keswani, S.T., Andiroglu, E., Campbell, J.D., and Kuo, K.K., "Recession Behavior of Graphite Nozzles in Simulated Rocket Motors," Journal of Spacecraft, Vol. 22, No. 4, pp. 396-397, 1985.

상세보기
Kuo, K.K. and Keswani, S.T., "A Comprehensive Theoretical model for Carbon-Carbon Composite Nozzle Recession," Combust. Sci. and Tech., Vol. 42, pp. 145-164, 1985.

상세보기
Borie, V., Bruland, J., and Lengelle, G., "An Aerothermochemical Analysis of Carbon-Carbon Nozzle Recession in Solid-Propellant Rocket Motors," AIAA-88-3346, Jul., 1988.

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