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문제 정의
- 입도별로 제조된 HBB를 이용하여 연료과농 추진제를 혼합하였다. HBB를 추진제에 첨가할 경우 HBB의 입도크기에 따른 추진제의 연소특성 변화가 일어나는 지 연구해 보았다. 연료과농 추진제에서 가장 중요한 특성으로 여기고 있는 추진제 연소속도(Burning rate) 및 압력지수 (Pressure exponent, 압력변화에 따른 연소속도 변화)를 고찰해 보았다.
- 금속연료인 붕소가 연소할 때 산화막이 형성되어 연소특성이 떨어지기 때문에 불소화금속(Metal Fluoride)을 첨가해 줌으로서 붕소의 산화막을 제거하여 연소특성을 향상시킬수 있다[6]. 따라서 본 연구에서는 공기흡입형 추진기관인 덕티드 로켓용 1차 연소실인 가스발생기에 적용을 위하여 금속연료로 붕소를 사용하여 입자화(Bead) 형태로 제조하였으며, 제조한 과립화붕소(Boron-bead)를 연료과농 추진제에 적용하여 추진제의 제조 공정성 및 연소특성을 연구하였다. 또한, 과립화붕소의 입도를 분류하여 과립화붕소 입도크기에 따른 추진제 제조 공정성 및 연소특성을 연구하였다.
- HBB를 추진제에 첨가할 경우 HBB의 입도크기에 따른 추진제의 연소특성 변화가 일어나는 지 연구해 보았다. 연료과농 추진제에서 가장 중요한 특성으로 여기고 있는 추진제 연소속도(Burning rate) 및 압력지수 (Pressure exponent, 압력변화에 따른 연소속도 변화)를 고찰해 보았다.
- HBB를 추진제에 첨가할 경우 HBB의 입도크기에 따라 추진제의 입도분포가 변하기 때문에 추진제의 제조 특성 및 공정성에도 변화가 발생한다. 추진제 제조에서 가장 중요한 특성인 추진제 점도 특성을 고찰해 보았다.
제안 방법
- HBB 입도크기를 1,000~1,700 ㎛, 600~1,000㎛, 0~600 ㎛로 크게 세구간으로 분류하여 추진제에 적용하였을 경우 입도크기에 따른 추진제 연소특성을 확인하기 위해 HBB 2, 3, 4를 제조 하여 추진제에 적용하였으며, 전범위(0~1,700 ㎛) 의 입도크기를 적용한 HBB 1과 비교하였다.
- HBB를 이용하여 연료과농 추진제를 혼합하였다. HBB를 추진제에 첨가할 경우 HBB의 입도크기에 따라 추진제의 입도분포가 변하기 때문에 추진제의 제조 특성 및 공정성에도 변화가 발생한다.
- 공기흡입형 추진기관용 가스발생기에 적용 가능한 연료과농 추진제를 개발하기 위해 매우 높은 질량 및 부피당 열량을 갖는 금속연료인 붕소를 Bead형태로 제조하여 추진제에 적용하였으며, 과립화붕소의 입도크기에 따른 추진제 제조공정성 및 연소특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 과립화붕소 입도가 작을수록 추진제 제조 공정에서 초기 점도가 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, 추진제 제조 공정 가능 시간을 확인할 수 있었다.
- 이상의 원료 혼합물을 1차적으로 1,700 ㎛ 격자 크기의 체를 이용하여 1,700 ㎛이 하의 과립화붕소를 채취하여 추진제에 적용하였다. 과립화붕소 입도크기에 따른 추진제 특성을 확인하기 위해 1,700 ㎛, 1,000 ㎛, 600 ㎛ 격자 크기의 체를 이용하여 세구간 0~600 ㎛, 600~1,000 ㎛, 1,000~1,700 ㎛로 과립화붕소의 입도크기를 조절하였다. Table 1은 본 연구에서 사용한 HBB(Hanwha Boron-bead)의 조성이다.
- 따라서, 본 연구에서는 미분체법을 이용하여 0~1,700 ㎛ 전 범위에 대한 입도분포를 확인하여 Fig. 2에 나타내었다.
- 일반적인 추진제와 달리 연료과농 추진제는 산화제 함량이 30% 내외이고 금속연료의 함량이 높기 때문에 추진제의 연소특성이 중요하다. 또한, 공기흡입형 추진기관인 덕티드 로켓용 가스발생기의 추진제 기동중 1차 연소실의 압력변화에 따른 빠른 추진제 응답성을 갖기 위해 높은 압력지수가 요구되기 때문에 연소속도 및 압력지수를 측정하여 연료과농 추진제의 연소특성을 확인하였다. 혼합된 추진제를 60℃에서 7일간 경화시켜 제조한 연료과농 고체 추진제를 직경이6 mm이고 길이가 110 mm인 시료를 만들어서 외부에는 측면 연소를 방지하기 위하여 시료의 외부에 난연제를 도포한 후 건조시킨다.
- 따라서 본 연구에서는 공기흡입형 추진기관인 덕티드 로켓용 1차 연소실인 가스발생기에 적용을 위하여 금속연료로 붕소를 사용하여 입자화(Bead) 형태로 제조하였으며, 제조한 과립화붕소(Boron-bead)를 연료과농 추진제에 적용하여 추진제의 제조 공정성 및 연소특성을 연구하였다. 또한, 과립화붕소의 입도를 분류하여 과립화붕소 입도크기에 따른 추진제 제조 공정성 및 연소특성을 연구하였다.
- 준비된 시료를 연소속도 측정장비(Strand Burner)의 시험 위치에 넣고, 기체 질소로 원하는 압력으로 조절한 후에 연소시켜 기록된 연소시간과 압력으로 연소속도를 측정하였다. 이때 연소실의 조건은 20℃에서 200, 500, 800, 1200, 1500 psia의 5가지 조건에서 연소속도 측정시험을 하였다.
- 3,000배율 확대한 그림을 통해서는 Bead 표면에 다양한 입자가 뭉쳐져 있음을 확인할 수 있다. 이렇게 제조된 입도분포를 갖는 HBB를 연료과농 고체 추진제에 적용하여 추진제 특성을 확인하였으며, HBB의 입도 구간을 세구간 0~600 ㎛, 600~1,000 ㎛, 1,000~1,700㎛으로 세분하여 추진제 적용함으로서 입자크기에 따른 연료과농 고체 추진제 특성을 분석하였다.
- 마지막으로 기타 첨가제를 넣은 다음 10분간 진공 상태에서 혼합하여 잔류 MC를 휘발시킨다. 이상의 원료 혼합물을 1차적으로 1,700 ㎛ 격자 크기의 체를 이용하여 1,700 ㎛이 하의 과립화붕소를 채취하여 추진제에 적용하였다. 과립화붕소 입도크기에 따른 추진제 특성을 확인하기 위해 1,700 ㎛, 1,000 ㎛, 600 ㎛ 격자 크기의 체를 이용하여 세구간 0~600 ㎛, 600~1,000 ㎛, 1,000~1,700 ㎛로 과립화붕소의 입도크기를 조절하였다.
- 일반적인 고체추진제와 달리 연료과농 추진제는 산화제 함량이 적고, 금속연료인 과립화붕소의 함량이 많기 때문에 추진제 혼합후 시료 및 로켓 제조 공정성을 확인하기 위해 혼합된 추진 제의 점도를 측정하였다. Table 2의 조성으로 혼합된 추진제를 시료컵에 담아 시료컵 외부에 온도를 50℃로 유지하여 브룩필드 다이얼 점도측정기로 2.
- 일반적인 추진제에서는 산화제를 평균 60% 이상 사용하는 데, 연료과농한 추진제 조성을 만들기 위해서는 산화제를 30% 내외 포함하는 조성으로 설계하여 실험하였고, Fig. 1과 같이 비정질(Amorphous)한 금속연료인 붕소를 입자화하여 추진제내에 과량 투입하도록 조성을 설계하였다.
- 입도별로 제조된 HBB를 이용하여 연료과농 추진제를 혼합하였다. HBB를 추진제에 첨가할 경우 HBB의 입도크기에 따른 추진제의 연소특성 변화가 일어나는 지 연구해 보았다.
- 5% 사용하였다. 정해진 혼합공정에 따라 혼합기로 제조된 점성을 가진 미경화 추진제는 원하는 형태의 시료 상자에 주조하여 60℃ 항온기에서 7일간 경화시켜 연료과농 고체 추진제를 제조하였다.
- 혼합된 추진제를 60℃에서 7일간 경화시켜 제조한 연료과농 고체 추진제를 직경이6 mm이고 길이가 110 mm인 시료를 만들어서 외부에는 측면 연소를 방지하기 위하여 시료의 외부에 난연제를 도포한 후 건조시킨다. 준비된 시료를 연소속도 측정장비(Strand Burner)의 시험 위치에 넣고, 기체 질소로 원하는 압력으로 조절한 후에 연소시켜 기록된 연소시간과 압력으로 연소속도를 측정하였다. 이때 연소실의 조건은 20℃에서 200, 500, 800, 1200, 1500 psia의 5가지 조건에서 연소속도 측정시험을 하였다.
- 5 rpm으로 측정된 값을 기록하고, 점도 kP값으로 계산하였다. 추진제 제조 공정성 및 추진제 Pot life를 확인하기 위하여 추진제 혼합시 경화제 투입후 1 hr, 2 hr, 3 hr, 4 hr에서 최대 5 hr까지 측정하여 추진제 특성을 확인하였다.
대상 데이터
- 과립화붕소 입도크기에 따른 추진제 특성을 확인하기 위해 1,700 ㎛, 1,000 ㎛, 600 ㎛ 격자 크기의 체를 이용하여 세구간 0~600 ㎛, 600~1,000 ㎛, 1,000~1,700 ㎛로 과립화붕소의 입도크기를 조절하였다. Table 1은 본 연구에서 사용한 HBB(Hanwha Boron-bead)의 조성이다.
- 금속연료를 입자화 하기위해 소량의 바인더로 PMMA(Poly Methyl Meth Acrylate)를 5~15%, 산화제로 AP(Ammonium Perchlorate)를 35~45%, 금속연료인 붕소를 40~50% 사용하였고, 첨가제를 0~5% 혼합하여 Hanwha 과립화붕소(HBB)를 제조하였다.
- 2%이었다. 제조된 HBB를 60.0% 사용하였고, 기타 첨가제로 경화촉매, 연소촉매 등을 9.5% 사용하였다. 정해진 혼합공정에 따라 혼합기로 제조된 점성을 가진 미경화 추진제는 원하는 형태의 시료 상자에 주조하여 60℃ 항온기에서 7일간 경화시켜 연료과농 고체 추진제를 제조하였다.
- 추진제 원료의 기본 구성은 Table 2에 나타낸 바와 같이 산화제로 AP(Ammonium Perchlorate)를 6.8%로 사용하였고, 가소제로 DOA(Di(2-ethylhexyl)adipate)를 5.5%, 금속연료로 Al(Aluminium)을 8.0% 사용하였다. 추진제바인더 역할은 HTPB(Hydroxyl Terminated Poly Butadiene) 폴리머와 아이소시아네이트 반응기(-NCO)를 가진 경화제를 사용하였고, 그 함량은 10.
- 0% 사용하였다. 추진제바인더 역할은 HTPB(Hydroxyl Terminated Poly Butadiene) 폴리머와 아이소시아네이트 반응기(-NCO)를 가진 경화제를 사용하였고, 그 함량은 10.2%이었다. 제조된 HBB를 60.
성능/효과
- 0 mm을 갖는 구형상의 과립화붕소를 확인할 수 있다. 3,000배율 확대한 그림을 통해서는 Bead 표면에 다양한 입자가 뭉쳐져 있음을 확인할 수 있다. 이렇게 제조된 입도분포를 갖는 HBB를 연료과농 고체 추진제에 적용하여 추진제 특성을 확인하였으며, HBB의 입도 구간을 세구간 0~600 ㎛, 600~1,000 ㎛, 1,000~1,700㎛으로 세분하여 추진제 적용함으로서 입자크기에 따른 연료과농 고체 추진제 특성을 분석하였다.
- 과립화붕소 입도 크기에 대한 무게비로 입도분포를 분석한 것으로 제조된 HBB는 큰 입자가 상대적으로 많은 것을 확인할 수 있다.
- 공기흡입형 추진기관용 가스발생기에 적용 가능한 연료과농 추진제를 개발하기 위해 매우 높은 질량 및 부피당 열량을 갖는 금속연료인 붕소를 Bead형태로 제조하여 추진제에 적용하였으며, 과립화붕소의 입도크기에 따른 추진제 제조공정성 및 연소특성에 미치는 영향을 고찰하였다. 과립화붕소 입도가 작을수록 추진제 제조 공정에서 초기 점도가 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, 추진제 제조 공정 가능 시간을 확인할 수 있었다. 추진제 연소특성에서 과립화붕소의입도가 클수록 연소속도 및 압력지수가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 그러나, 본 연구결과 제조된 HBB를 입도별 구분없이 전 범위를 사용하더라도 추진제 제작 공정상 문제가 없는 것으로 확인되었다.
- 이는 공기흡입형 추진기관용 가스발생기의 체계 요구조건에 부합하는 연료과농 추진제를 개발하기 위해 본 연구결과를 바탕으로 과립화붕소 입도를 제어함으로서 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구에서 제조된 과립화붕소를 입도 조절없이 전 범위를 사용하더라도 덕티드 로켓용 가스발생기를 위한 연료과농 추진제로서 제조 공정성, 연소속도 및 압력지수가 만족함을 알 수 있었다.
- 3148이었다. 본 연구에서 HBB의 입도가 클수록 압력지수가 크게 증가하는 경향을 나타내고 있다. 이는 과립화붕소 제조 과정에서 제조된 HBB 입도가 클수록 추진제 혼합시 과립화 붕소 자체 형상을 유지하여 추진제가 제조되고, 제조된 추진제가 연소될 때 과립화붕소가 연소 되면서 과립화붕소내에 있던 산화제가 추진제 내에 충분히 공급되어 연소되면서 연소속도 및 압력지수가 높은 것으로 판단된다.
- 65 mm/s(@450 psia)이 었다. 본 연구에서 HBB의 입도가 클수록 연소속 도가 증가하는 경향을 나타내었다.
- 추진제 연소특성에서 과립화붕소의입도가 클수록 연소속도 및 압력지수가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 공기흡입형 추진기관용 가스발생기의 체계 요구조건에 부합하는 연료과농 추진제를 개발하기 위해 본 연구결과를 바탕으로 과립화붕소 입도를 제어함으로서 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 본 연구에서 제조된 과립화붕소를 입도 조절없이 전 범위를 사용하더라도 덕티드 로켓용 가스발생기를 위한 연료과농 추진제로서 제조 공정성, 연소속도 및 압력지수가 만족함을 알 수 있었다.
- 과립화붕소 입도가 작을수록 추진제 제조 공정에서 초기 점도가 높아지는 것을 확인할 수 있었으며, 추진제 제조 공정 가능 시간을 확인할 수 있었다. 추진제 연소특성에서 과립화붕소의입도가 클수록 연소속도 및 압력지수가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 공기흡입형 추진기관용 가스발생기의 체계 요구조건에 부합하는 연료과농 추진제를 개발하기 위해 본 연구결과를 바탕으로 과립화붕소 입도를 제어함으로서 가능함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 따라서, 본 연구결과를 바탕으로 과립화붕소의입도를 제어함으로서 향후 공기흡입형 추진기관용 1차 연소실인 가스발생기의 체계 요구조건에 맞는 연료과농 추진제 연소속도 및 압력지수(압력변화에 따른 연소속도 변화)를 조절할 수 있을 것으로 기대된다.
- 이는 추진제 내에 산화제, 금속연료 및 HBB와의 충진율(Packing ratio)에 따라 점도 특성이 변화되는 것으로 판단되며, 작은 입자를 많이 사용할수록 추진제의 충진율이 높아져서 추진제 점도가 높아지는 것으로 판단된다. 이는 향후 덕티드 로켓용 가스발생기 제작시 과립화붕소를 작은 입자를 사용할 경우 제작상 제약조건으로 작용할 것으로 판단할 수 있다.
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