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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 최대화할 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 흑연의 열반응 특성을 연구함으로써 탄소계 내열재의 열반응 특성을 파악하고, 고체 로켓 추진기관에의 흑연의 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 3 종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관, 즉 De-Laval 형태, 토출관(blast tube) 형태, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다. 10 종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 흑연을 적용하여 총 48회의 연소시험을 수행하였다. 연구 결과에 대한 결론은 다음과 같다.
- 1 참조). De-Laval 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였고, 토출관(blast tube) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였으며, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 4 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였다. 총 10 종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 흑연을 적용하여 48회의 연소시험을 수행하였다.
- Table 1은 3 종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 10 종류의 서로 다른 형상의 추진기관을 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 연소실 평균압력에 따른 노즐목 위치에서의 삭마율 측정 결과를 정리한 것이다.
- Table 2는 2 종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 2 종류의 서로 다른 형상의 추진기관을 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 연소가스의 산화제 몰분율에 따른 노즐목 위치에서의 삭마율 측정 결과를 정리한 것이다. 즉, 연소가스의 산화제 몰분율이 서로 다른 2 종류의 추진제를 동일한 추진기관에 적용하여 시험하였다.
- Table 3은 3 종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 10 종류의 서로 다른 형상의 추진기관을 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 산화제 몰분율(X)에 따라 노즐목 위치에서의 삭마율 측정 결과와 유도된 삭마율 관계식으로부터 계산된 결과를 정리한 것이다.
- 고체 로켓 추진기관의 노즐목 삽입재에 적용하는 흑연의 삭마율 특성을 분석하였다. 지상연소시험은 3 종류의 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 단위시간당 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, 표면조도의 증가와 더불어 상승하는 결과를 도출하였다. Borie 등[7]은 고체 로켓 추진기관에서 탄소/탄소 복합재료에 영향을 미치는 요인에 대한 열화학분석을 수행하였으며, H2O에 의한 탄소 화학작용이 노즐 삭마에 영향을 미침을 확인하였다.
- 삭마율에 영향을 미치는 인자는 앞에서 분석한 연소실 압력과 산화제 몰분율 이외에 다양하게 존재한다. 본 연구에서는 상기 2 가지 영향 인자 이외에 노즐목 크기를 포함하여 3 가지의 영향 인자를 고려하였다. 노즐목 소재의 밀도는 중요한 영향 인자 중 한가지이나 적용 소재가 흑연 1 종류로 한정되므로 본 연구에서는 분석에서 제외하였다.
- 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 저온＜상온＜고온의 순서로 증가하는 경향을 나타낸다.
- 삭마두께는 최소 노즐목(throat) 위치에서 측정한 연소시험 전후 내경의 차이로 계산되며, 3차원 측정 장비를 사용하여 측정하였다. 노즐목 삽입재의 열반응 특성은 단위시간당 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.
- 8 mm (DL1)이다. 연소시험 시 추진제 연소시간, 연소실 압력, 추력을 측정하였으며, 연소시험 후 노즐 내면에서의 위치별 삭마두께를 측정하여 단위 시간당 제거된 재료의 두께를 나타내는 삭마율을 구하였다.
- 유효 산화제 질량분율, 연소실 압력, 유효 Re수, 2 종류 노즐의 기하학적 파라미터의 항으로 노즐목 삭마율에 대한 유용한 관계식을 유도하였으며, 실험 자료와 ±15%(0.05 mm/s)이내로 일치하였다.
- Table 2는 2 종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 2 종류의 서로 다른 형상의 추진기관을 사용하여 지상연소시험을 수행한 후 연소가스의 산화제 몰분율에 따른 노즐목 위치에서의 삭마율 측정 결과를 정리한 것이다. 즉, 연소가스의 산화제 몰분율이 서로 다른 2 종류의 추진제를 동일한 추진기관에 적용하여 시험하였다.
- 고체 로켓 추진기관의 노즐목 삽입재에 적용하는 흑연의 삭마율 특성을 분석하였다. 지상연소시험은 3 종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관, 즉 De-Laval 형태, 토출관(blast tube) 형태, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다. 10 종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 흑연을 적용하여 총 48회의 연소시험을 수행하였다.
- De-Laval 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였고, 토출관(blast tube) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였으며, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 4 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였다. 총 10 종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 다양한 추진제를 적용하였고, 노즐목 위치에 흑연을 적용하여 48회의 연소시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 흑연은 밀도가 1.74 g/cm3 이고, 미국 Union Carbide사(상품명 ATJ)에서 고압성형 공정으로 제작한 것이다.
- 지상연소시험은 3 종류의 일반적인 노즐형태를 갖는 추진기관을 사용하여 수행하였다(Fig. 1 참조). De-Laval 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였고, 토출관(blast tube) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 3 종류의 서로 다른 형상의 추진기관으로 시험하였으며, 내삽(submerged) 형태의 노즐을 갖는 추진기관은 4 종류의 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 산화제 몰분율이 증가함에 따라 삭마율이 증가하는 경향을 보인다. 동일한 형상의 추진기관에서는 산화제 몰분율이 증가함에 따라 유사한 삭마율로 증가하지만 서로 다른 형상의 2 종류의 추진기관에서는 삭마율 상승 기울기가 차이를 보이고 있다.
- 동일한 형상을 갖는 추진기관에서는 연소실 평균압력 변화가 크지 않은 경우 유사한 삭마율을 나타내고 있다. 3 종류의 서로 다른 노즐형태의 추진기관에서도 전체적인 경향과 마찬가지로 연소실 평균압력이 증가함에 따라 삭마율이 증가함을 보인다.
- 3. 연소실 압력, 연소가스의 산화제 몰분율, 노즐목 크기 등 3 가지의 영향인자를 고려한 삭마율 관계식을 유도하였으며, 측정 결과와 비교하여 ±25%(0.10 mm/s) 이내로 일치하였다.
- Fig. 2로부터 알 수 있듯이 48회의 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.
- Fig. 3으로부터 알 수 있듯이 2 종류의 서로 다른 형상의 추진기관에 대한 시험 결과 산화제 몰분율이 증가함에 따라 삭마율이 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 동일한 형상의 추진기관에서는 산화제 몰분율이 증가함에 따라 유사한 삭마율로 증가하지만 서로 다른 형상의 2 종류의 추진기관에서는 산화제 몰분율이 증가함에 따라 삭마율 상승 기울기가 차이를 보이고 있다.
- Klager[4]는 흑연 삭마(recession)의 주원인을 H2O,CO2 가스들의 화학작용(chemical attack)임을 연소시험을 통하여 규명하였다. 또한, 연소압력은 삭마율에 지대한 영향을 주는 반면, 연소가스 온도는 삭마율에 직접적인 영향이 없었다. 즉, 연소 초기 흑연 표면의 온도가 1600 K 이하 일 때 삭마율은 재료 표면에서의 화학반응 속도에 의해 결정되며, 온도에 크게 의존한다.
- 탄소/탄소 복합재료는 열안정성, 높은 열전도도와 낮은 열팽창 거동 등으로 인하여 열충격에 대한 저항성이 매우 우수하여 노즐재료로서 요구되는 특성에 가장 근접된 재료이다. 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
- 2절에서 언급할 연소가스의 산화제 몰분율, 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.
- 10 mm/s) 이내로 일치하였다. 또한, 노즐목 소재의 밀도, 추진제 내 금속함유여부, 경계층 발달길이, 노즐목 반경에 대한 노즐목 곡률반경의 비, 급가속 유동에 의한 층류화 등 삭마율에 영향을 미치는 다양한 인자들에 대한 추가적인 연구를 수행하여 삭마율을 하나의 식으로 표현하는 연구가 지속되어야 할 것이다.
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