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문제 정의
- 본 연구는 무노즐 부스터용 추진제의 적용을 위하여 연소속도 및 압력지수 제어를 위한 추진제의 개발에 관하여 연구를 하였다. 고 연소속도 특성을 위하여 추진제 조성 개발에 UFAP의 사용이 요구되지만 비표면적이 넓어 습한 환경에 취약하며 가격 또한 고가의 원료 중 하나이다.
- 본 연구에서는 위의 선행 연구 결과를 바탕으로 실제 무노즐 부스터에 적용 가능한 30 mm/sec (@1000 psi) 정도의 고 연소속도를 가지는 HTPB/AP 추진제 개발을 목적으로 하였다. 추진제 제조 경제성을 고려하여 연소속도 개선 효과가 크지만 고가 원료인 입경 3 ㎛ 정도의 UFAP (Ultra Fine Ammonium Perchlorate)의 적용을 배제하고, 일반적으로 많이 사용되는 평균 입경 200 ㎛와 9 ㎛를 가지는 이성분 입도모드의 AP만을 적용하였다.
제안 방법
- 2. Al와 Zr의 함량비에 따른 연소특성을 확인하기 위하여 28 ㎛ Al:35 ㎛ Zr의 함량비가23:9, 6:26, 0:32 (%)인 추진제를 제조하여 비교 분석하였다. 35 ㎛ Zr의 함량이 32%일 때가장 높은 연소속도 32 mm/s와 0.
- 그리하여 본 연구에서는 UFAP를 제외하고 AP 200 ㎛:9 ㎛의 입도비율 55:45(%)와 연소촉매제인 Butacene만 적용하여 추진제의 고 연소속도 특성을 보였다. HTPB/AP계 혼합형 추진제에 금속연료로 Al과 Zr을 도입하여 추진제의 연소특성을 비교 분석하였으며 금속연료의 함량비에 따른 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 계산하여 Al과 Zr을 함유하는 추진제들을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- %) 부근에서 최대의 비추력을 나타내게 된다. Zr만 적용된 추진제의 비추력을 높이기 위하여 산화제의 함량을 55% (Solid 87%)에서 58% (Solid 88%)로 조절하고 Zr의 금속연료의 함량도 32%에서 30%로 낮추어 추진제를 제조하여 연소특성을 확인하였으며 Table 2에 정리하였다. 고체함량 88%인 #2의 추진제의 연소속도 36 mm/s와 압력지수 0.
- 추진제 제조 경제성을 고려하여 연소속도 개선 효과가 크지만 고가 원료인 입경 3 ㎛ 정도의 UFAP (Ultra Fine Ammonium Perchlorate)의 적용을 배제하고, 일반적으로 많이 사용되는 평균 입경 200 ㎛와 9 ㎛를 가지는 이성분 입도모드의 AP만을 적용하였다. 고 연소속도 특성을 위한 연소촉매제 및 바인더로서 Butacene을 적용하였으며 금속 연료로는 Al과 Zr을 적용하여 각각의 연소특성을 비교 분석하고 그 결과를 제시하였다. 이러한 결과들은 향후 체계에 직접 적용 가능한 추진제에 대한 기본 정보로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구를 위한 추진제 제조에 있어 기본적인 조성은 산화제로 이성분 모드의 AP (200 ㎛, 9 ㎛)를 적용하였으며 함량비는 55:45% (b:F)로 고체 함량은 87-88% 사이에서 조절하였다. 그리고 금속연료는 Al과 Zr을 적용하였으며 함량은 CEA 프로그램을 이용한 추진제 성능계산 결과 및 Min 등의 선행 연구 결과를 참고하여 23~32%사이에서 조절하였다[8]. 사용된 Al 입자는 레이저 입도 분석 결과 28 ㎛와 10 ㎛를 그리고 Zr입자는 35 ㎛와 13 ㎛의 평균 사이즈를 가진다.
- 5 wt%)을 5% 적용하였으며, 경화제로 IPDI (Isophorone diisocyanate)를 적용하였다. 그리고 나머지 가소제, 결합제, 노화방지제, 경화촉매 등의 첨가제를 3.34%가량 첨가하여 경화 당량비 0.85-0.82인 추진제를 제조하였다. 이들 원료는 정해진 순서에 의해 50-60oC로 온도가 조절되는 혼합기 (4 L)에서 진공 하에 혼화되었으며, 제조된 미경화 추진제는 온도가 일정하게 유지되는 오븐에서 50oC, 7일 동안 경화하여 제조하였다.
- 금속연료에 따른 연소특성을 알아보기 위하여 동일한 조성을 가진 추진제에 Al과 Zr의 연소특성 및 Zr 사이즈에 대한 연소특성을 비교하였다. 금속의 함량은 Al을 함유하는 추진제의 밀도비추력 증가의 Threshold value인 23%로 적용하여 추진제를 제조하였으며 28 ㎛사이즈를 가지는 Al과 35 ㎛와 13 ㎛의 사이즈를 가지는 Zr을 사용하였다.
- 그리고 추진제의 밀도비추력을 비교하기 위하여 혼화 후 7일 동안 50oC 오븐에서 경화된 추진제의 밀도를 측정하였으며 Table 1에 결과 값을 정리하였다. 밀도가 큰 Zr의 함량이 증가할수록 추진제 밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이 값을 이용하여 CEA 프로그램으로 계산된 이론적인 비추력에 측정된 밀도 값을 적용하여 밀도비추력을 계산하였다. 밀도비추력은 Fig.
- 본 연구를 위한 추진제 제조에 있어 기본적인 조성은 산화제로 이성분 모드의 AP (200 ㎛, 9 ㎛)를 적용하였으며 함량비는 55:45% (b:F)로 고체 함량은 87-88% 사이에서 조절하였다. 그리고 금속연료는 Al과 Zr을 적용하였으며 함량은 CEA 프로그램을 이용한 추진제 성능계산 결과 및 Min 등의 선행 연구 결과를 참고하여 23~32%사이에서 조절하였다[8].
- 비추력에 기여하는 Al과 추진제의 밀도를 높이는데 기여하는 Zr의 각각 다른 함량비를 가진 3가지 종류의 추진제를 제조하여 연소특성을 비교 분석하였다. 전체 금속연료 함량은 선행 연구 결과를 참고하여 32%로 적용하고 금속함량의 비율을 조절하였다[8].
- 연소속도는 시편이 일정하게 유지되는 압력 하에서 연소되는 시간을 측정하여 연소된 길이를 시간으로 나누어 계산하였으며 계산식은 Vieille‘s Law로 아래와 같다.
- C, 7일 동안 경화시킨 후 특정 길이의 궐련형 형상을 가진 Strand Burner용 시험시편을 제작하였다. 연소실의 실험 압력조건은 600-2500 psi범위에서 가압한 후 점화시켜 질소분위기 하에서 연소속도 및 압력지수를 측정하였다. 연소속도는 시편이 일정하게 유지되는 압력 하에서 연소되는 시간을 측정하여 연소된 길이를 시간으로 나누어 계산하였으며 계산식은 Vieille‘s Law로 아래와 같다.
- 82인 추진제를 제조하였다. 이들 원료는 정해진 순서에 의해 50-60oC로 온도가 조절되는 혼합기 (4 L)에서 진공 하에 혼화되었으며, 제조된 미경화 추진제는 온도가 일정하게 유지되는 오븐에서 50oC, 7일 동안 경화하여 제조하였다.
- 추진제의 충전공정성 및 Pot life를 확인하기 위하여 혼합 공정이 끝난 후 각 시료의 점도 측정을 실시하였으며 점도 측정에 사용된 점도계는 Brookfield (Model : RVT Type) Viscometer이다. 점도 측정은 Spindle number 03, RPM 2.5의 조건에서 50oC 항온수조안에서 온도를 충분히 안정화시키기 위하여 경화제 투입 후 완전한 항온이 이루어지는 2시간 경과일 때부터 1시간 간격으로 총 3시간 동안의 점도 변화를 확인하였다.
- 그래서 충전공정의 안정성을 확보하기 위하여 점도특성의 확인이 중요하다. 점도특성은 경화제 투입 후 총 4시간 동안의 점도 변화로서 Fig. 2에 나타내었으며 금속연료의 입도에 따른 점도특성을 확인하였다. 입도 사이즈가 가장 작은 13 ㎛ Zr을 함유하는 추진제가 가장 많이 증가하였으며 경화제 투입 후 4시간이 지난 후에 13 kP의 점도를 나타냈다.
- 본 연구에서는 위의 선행 연구 결과를 바탕으로 실제 무노즐 부스터에 적용 가능한 30 mm/sec (@1000 psi) 정도의 고 연소속도를 가지는 HTPB/AP 추진제 개발을 목적으로 하였다. 추진제 제조 경제성을 고려하여 연소속도 개선 효과가 크지만 고가 원료인 입경 3 ㎛ 정도의 UFAP (Ultra Fine Ammonium Perchlorate)의 적용을 배제하고, 일반적으로 많이 사용되는 평균 입경 200 ㎛와 9 ㎛를 가지는 이성분 입도모드의 AP만을 적용하였다. 고 연소속도 특성을 위한 연소촉매제 및 바인더로서 Butacene을 적용하였으며 금속 연료로는 Al과 Zr을 적용하여 각각의 연소특성을 비교 분석하고 그 결과를 제시하였다.
- 추진제의 연소속도는 혼합된 추진제를 온도가 일정하게 유지되는 항온오븐에서 50oC, 7일 동안 경화시킨 후 특정 길이의 궐련형 형상을 가진 Strand Burner용 시험시편을 제작하였다. 연소실의 실험 압력조건은 600-2500 psi범위에서 가압한 후 점화시켜 질소분위기 하에서 연소속도 및 압력지수를 측정하였다.
- 본 연구에 사용된 추진제 조성은 금속연료의 함량이 많고 바인더 및 연소촉매제로 사용되는 Butacene은 점도가 HTPB보다 7-8배 가량 높아서 제조되는 추진제의 점도가 높을 것이라 판단하였다. 추진제의 충전공정성 및 Pot life를 확인하기 위하여 혼합 공정이 끝난 후 각 시료의 점도 측정을 실시하였으며 점도 측정에 사용된 점도계는 Brookfield (Model : RVT Type) Viscometer이다. 점도 측정은 Spindle number 03, RPM 2.
대상 데이터
- 금속연료에 따른 연소특성을 알아보기 위하여 동일한 조성을 가진 추진제에 Al과 Zr의 연소특성 및 Zr 사이즈에 대한 연소특성을 비교하였다. 금속의 함량은 Al을 함유하는 추진제의 밀도비추력 증가의 Threshold value인 23%로 적용하여 추진제를 제조하였으며 28 ㎛사이즈를 가지는 Al과 35 ㎛와 13 ㎛의 사이즈를 가지는 Zr을 사용하였다. Fig.
- 바인더는 HTPB 프리폴리머와 함께 연소촉매제인 Butacene (OH index 0.325 meq/g, Iron 8±0.5 wt%)을 5% 적용하였으며, 경화제로 IPDI (Isophorone diisocyanate)를 적용하였다.
데이터처리
- 실험 전 Al과 Zr을 이용하여 금속연료 종류 및 함량에 따른 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 계산하여 밀도비추력(Solid 87%)을 비교하였다. Al의 함량이 높아질수록 비추력은 증가하는 경향을 나타내며 Threshold value가 약 23%로 그 이상이 되면 밀도비추력이 낮아지는 결과를 나타냈다.
성능/효과
- 1. 28 ㎛ Al, 35 ㎛과 13 ㎛ Zr을 각각 23% 적용한 추진제의 연소특성을 비교한 결과 28 ㎛ Al을 함유하는 추진제의 경우 연소속도 24 mm/s와 압력지수 0.3721을 보였으며 35 ㎛ Zr을 함유하는 추진제는 연소속도 31 mm/s와 압력지수 0.3263을 나타냈다. 또한 13 ㎛ Zr을 함유하는 추진제는 연소속도 35 mm/s와 0.
- 3. Zr을 함유하는 추진제의 비추력을 높이기 위하여 산화제는 58% (Solid 88%)로 금속연료의 함량은 30%로 낮추어 연소특성을 확인하였으며 #2의 추진제의 연소속도는 17% 가량 증가한 36 mm/s로 압력지수는 0.3103을 나타냄으로서 무노즐 부스터용 추진제로서의 가능성을 나타냈다.
- 입도 사이즈가 가장 작은 13 ㎛ Zr을 함유하는 추진제가 가장 많이 증가하였으며 경화제 투입 후 4시간이 지난 후에 13 kP의 점도를 나타냈다. 35 ㎛ Zr과 28 ㎛ Al을 함유하는 추진제들은 4시간 후 각각 9 kP와 8 kP의 점도특성을 보여 28 ㎛이 입도가 작음에도 불구하고 35 ㎛의 입도를 가진 추진제의 고체 충전분율(packing fraction)이 상대적으로 낮아 점도가 오히려 높은 값을 보이는 것으로 판단된다.
- Al와 Zr의 함량비에 따른 연소특성을 확인하기 위하여 28 ㎛ Al:35 ㎛ Zr의 함량비가23:9, 6:26, 0:32 (%)인 추진제를 제조하여 비교 분석하였다. 35 ㎛ Zr의 함량이 32%일 때가장 높은 연소속도 32 mm/s와 0.3077의 압력지수를 보였으며, CEA 프로그램을 이용한 밀도비추력을 계산한 결과 Al:Zr의 함량비가6:26일 때 가장 우수한 값을 나타내었다.
- 4에 나타냈으며 Zr의 함량이 증가할수록 비추력이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. Al:Zr의 함량비가 6:26일 때 가장 높은 밀도비추력을 나타냄으로서 비추력 증가에 기여하는 Al 금속이 같이 적용되어야 추진제의 성능이 높아질 수 있음을 확인하였다. 또한 Al의 도입 함량이 Zr의 함량보다 낮음에도 불구하고 가장 높은 밀도비추력을 나타냄으로서 비추력보다 밀도가 밀도비추력에 대한 기여도가 더 큰 것을 알 수 있었다.
- 실험 전 Al과 Zr을 이용하여 금속연료 종류 및 함량에 따른 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 계산하여 밀도비추력(Solid 87%)을 비교하였다. Al의 함량이 높아질수록 비추력은 증가하는 경향을 나타내며 Threshold value가 약 23%로 그 이상이 되면 밀도비추력이 낮아지는 결과를 나타냈다.
- 3721의 압력지수를 보였다. 그리고 35 ㎛ Zr을 함유하는 추진제는 31 mm/s의 연소속도와 0.3263의 압력지수를 나타냄으로서 Al을 함유하는 추진제와 비교하였을 때 연소속도가 30% 가량 증가하고 압력지수도 낮아졌음을 확인하였다.
- 고 연소속도 특성을 위하여 추진제 조성 개발에 UFAP의 사용이 요구되지만 비표면적이 넓어 습한 환경에 취약하며 가격 또한 고가의 원료 중 하나이다. 그리하여 본 연구에서는 UFAP를 제외하고 AP 200 ㎛:9 ㎛의 입도비율 55:45(%)와 연소촉매제인 Butacene만 적용하여 추진제의 고 연소속도 특성을 보였다. HTPB/AP계 혼합형 추진제에 금속연료로 Al과 Zr을 도입하여 추진제의 연소특성을 비교 분석하였으며 금속연료의 함량비에 따른 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 계산하여 Al과 Zr을 함유하는 추진제들을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- Al:Zr의 함량비가 6:26일 때 가장 높은 밀도비추력을 나타냄으로서 비추력 증가에 기여하는 Al 금속이 같이 적용되어야 추진제의 성능이 높아질 수 있음을 확인하였다. 또한 Al의 도입 함량이 Zr의 함량보다 낮음에도 불구하고 가장 높은 밀도비추력을 나타냄으로서 비추력보다 밀도가 밀도비추력에 대한 기여도가 더 큰 것을 알 수 있었다.
- 이것은 200 ㎛과 9 ㎛ 의 입도를 가진 산화제를 사용함으로써 금속연료의 함량이 줄어든 만큼 고체함량이 증가함에 따라 Fine한 입자의 AP가 소폭 증가하여 나타난 결과로 AP를 사용하는 추진제에서 일반적으로 나타나는 현상이다[13]. 또한 Fine한 AP가 증가함으로서 압력지수도 약간 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 마이크로 사이즈를 가진 Al의 입도에 대한 연소속도 증가는 보이지 않았으며 오히려 연소속도가 낮아지고 압력지수도 높아지는 결과를 보였다.
- 본 연구에 사용된 추진제 조성은 금속연료의 함량이 많고 바인더 및 연소촉매제로 사용되는 Butacene은 점도가 HTPB보다 7-8배 가량 높아서 제조되는 추진제의 점도가 높을 것이라 판단하였다. 추진제의 충전공정성 및 Pot life를 확인하기 위하여 혼합 공정이 끝난 후 각 시료의 점도 측정을 실시하였으며 점도 측정에 사용된 점도계는 Brookfield (Model : RVT Type) Viscometer이다.
- Min 등이 35 ㎛ Zr과 5 ㎛ Al를 함유하는 추진제의 연소특성 연구에서 각각 비슷한 연소특성을 나타내는 것을 확인하였으며 Al를 포함하는 추진제는 금속연료의 함량이 높아질수록 연소속도가 낮아지는 결과를 나타냈다[8]. 비록 완전히 동일한 사이즈를 가진 금속은 아니지만 28 ㎛ Al과 35 ㎛ Zr 추진제들의 연소속도를 비교하였을 때 Zr을 함유하는 추진제의 연소속도의 개선 효과가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 나노 사이즈를 가지는 Al을 적용할 경우에는 연소속도가 급격하게 증가하는 것으로 알려져 있다[11].
- 2에 나타내었으며 금속연료의 입도에 따른 점도특성을 확인하였다. 입도 사이즈가 가장 작은 13 ㎛ Zr을 함유하는 추진제가 가장 많이 증가하였으며 경화제 투입 후 4시간이 지난 후에 13 kP의 점도를 나타냈다. 35 ㎛ Zr과 28 ㎛ Al을 함유하는 추진제들은 4시간 후 각각 9 kP와 8 kP의 점도특성을 보여 28 ㎛이 입도가 작음에도 불구하고 35 ㎛의 입도를 가진 추진제의 고체 충전분율(packing fraction)이 상대적으로 낮아 점도가 오히려 높은 값을 보이는 것으로 판단된다.
- 또한 Fine한 AP가 증가함으로서 압력지수도 약간 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 마이크로 사이즈를 가진 Al의 입도에 대한 연소속도 증가는 보이지 않았으며 오히려 연소속도가 낮아지고 압력지수도 높아지는 결과를 보였다.
후속연구
- 반대로 Zr은 높은 밀도로 인하여 밀도비추력은 증가하지만 Al보다 매우 낮은 화염온도 증가율을 가지며 연소 시 생성되는 ZrO2 (123 g/mol)의 증가영향이 화염온도보다 높아 Zr이 증가할수록 비추력은 낮아지는 결과를 보인다고 알려져 있다[12]. 또한 Zr을 사용한 추진제의 성능을 CEA 프로그램으로 계산한 결과 threshold value가 약 40% 이상에서 나타나지만 추진제의 기계적인 물성특성도 고려해야 하므로 금속연료의 함량을 높이는데 제한이 따른다.
- 고 연소속도 특성을 위한 연소촉매제 및 바인더로서 Butacene을 적용하였으며 금속 연료로는 Al과 Zr을 적용하여 각각의 연소특성을 비교 분석하고 그 결과를 제시하였다. 이러한 결과들은 향후 체계에 직접 적용 가능한 추진제에 대한 기본 정보로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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