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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 압력에 따른 연소속도변화가 추진기관 성능에 미치는 영향이 줄이기 위해, 낮은 압력지수와 연소속도 개선을 위한 고체 추진제의 연소 특성을 연구하였다. 그리고 밀도를 높이기 위하여 HTPB/AP계 고체 추진제에 금속연료로서 최대 함량의 Al를 도입하였다.
- 본 연구는 HTPB/AP/Al계 혼합형 추진제의 연소속도 및 압력지수 제어를 위한 연구로서 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 밀도비추력 값을 계산하여 Al의 최대함량인 23%을 도입하였다. 점도 및 연속속도 개선을 위한 방안으로 AP 입자 사이즈비율에 따른 점도 및 연소 특성과 연소촉매제로 Butacene을 적용하여 함량에 따른 연소 특성을 비교 분석하였다.
제안 방법
- 5 wt%)을 3-6%까지 적용하였으며, 경화제로IPDI를 적용하였다. 그리고 나머지 가소제, 결합제, 노화방지제, 경화촉매 등의 첨가제를 3.34% 가량 첨가하여 추진제를 제조하였다. 각 원료들의 함량은 추진제 조성의 질량백분율로 나타내었다.
- 따라서 본 연구에서는 압력에 따른 연소속도변화가 추진기관 성능에 미치는 영향이 줄이기 위해, 낮은 압력지수와 연소속도 개선을 위한 고체 추진제의 연소 특성을 연구하였다. 그리고 밀도를 높이기 위하여 HTPB/AP계 고체 추진제에 금속연료로서 최대 함량의 Al를 도입하였다. 마지막으로 연소속도 증가를 위한 촉매제로서 Butacene을 적용하여 함량변화에 따른 연소 특성 및 AP입자 사이즈 비율에 따른 점도 특성을 비교 평가하였다.
- 금속의 입자 사이즈에 따른 연소속도 특성을 확인하기 위하여 Al 28 ㎛과 10 ㎛의 연소 특성을 비교하였으며 Table 2에 정리하여 나타내었다. 동일한 조성을 가진 추진제에서 사이즈가 작은 10 ㎛의 도입에도 불구하고 연소속도 개선에 크게 영향을 주지 않았으며 비슷한 수준의 연소 속도를 나타냈다.
- 등과 같은 금속 산화물들로 구성된 화학적 연소촉매제의 경우 연소 표면에서 활성화 에너지의 감소로 화학 반응의 속도를 높이게 된다[3,11]. 따라서 동일한 HTPB/AP/Al계 추진제에서 Butacene의 함량에 따른 연소속도 특성을 비교하였다. Fig.
- 그리고 밀도를 높이기 위하여 HTPB/AP계 고체 추진제에 금속연료로서 최대 함량의 Al를 도입하였다. 마지막으로 연소속도 증가를 위한 촉매제로서 Butacene을 적용하여 함량변화에 따른 연소 특성 및 AP입자 사이즈 비율에 따른 점도 특성을 비교 평가하였다.
- 바인더는 HTPB 프리폴리머와 함께 연소촉매제인 Butacene (OH index 0.325 meq/g, Iron 8±0.5 wt%)을 3-6%까지 적용하였으며, 경화제로IPDI를 적용하였다.
- 8 kP로 가장 안정한 점도 특성을 보였지만 연소속도는 가장 낮았다. 본 연구에서 추진제 혼화과정이 끝난 후의 점도(End-of-mix viscosity)분석은 실험실 환경 상 제작된 추진제의 완전한 항온이 되지 않아 완전한 항온이 이루어지는 2시간일 때의 점도 값을 제시하였다.
- 추진제 개발에서 연소속도 증가가 요구될 경우 작은 사이즈를 가지는 AP와 금속의 함량이 감소할수록 향상되나 추진제의 점도가 높아져 공정성이 나빠지는 단점도 발생하여 미세분말 입자를 도입하는데 한계를 가진다. 본 연구에서는 AP 입도의 비율을 변화시키면서 점도 변화를 확인하였으며, Al 함량이 23%일 때 연소촉매제인 Butacene을 적용하여 함량 증가에 따른 점도 및 연소속도의 특성을 비교 분석하였다. 또한 입자 사이즈가 다른 Al을 첨가한 몇 종의 추진제를 제조하여 연소 특성을 비교하였으며, 나노사이즈가 아닌 마이크로-사이즈를 가진 Al를 도입하였을 경우 연소속도 향상 효과가 크게 나타나지 않았다.
- 각 원료들의 함량은 추진제 조성의 질량백분율로 나타내었다. 이들 원료는 정해진 순서에 의해 50-60℃로 온도가 조절되는 혼합기(Vertical planetary mixer, 4 L)에서 진공 하에 혼화되었으며, 제조된 미경화 추진제는 온도가 일정하게 유지되는 오븐에서 50℃, 7일 동안 경화하여 제조하였다.
- 본 연구는 HTPB/AP/Al계 혼합형 추진제의 연소속도 및 압력지수 제어를 위한 연구로서 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 밀도비추력 값을 계산하여 Al의 최대함량인 23%을 도입하였다. 점도 및 연속속도 개선을 위한 방안으로 AP 입자 사이즈비율에 따른 점도 및 연소 특성과 연소촉매제로 Butacene을 적용하여 함량에 따른 연소 특성을 비교 분석하였다. HTPB/AP계 추진제에 23%의 Al 28 ㎛와 3% Butacene을 동일하게 적용하였을 때 AP 9 ㎛의 함량이 커질수록 연소속도가 증가하였지만 압력지수도 함께 증가하는 경향을 보였다.
- 추진제의 충전 공정성을 확인하기 위하여 추진제 혼합이 끝난 후 각 시료의 점도 측정을 실시하였다. 점도 측정에 사용된 점도계는 Brookfield (Model: RVT Type) viscometer이며 spindle number 03, RPM 2.5의 조건으로 50℃ 항온 수조안에서 온도를 충분히 안정화시키기 위하여 경화제 투입 후 2시간부터 1시간 간격으로 총 3시간 동안의 점도 변화를 확인하였다. 추진제의 연소속도는 최대 압력이 5000 psi까지 가능한 strand burner 장비를 이용하여 경화된 추진제의 연소속도 변화를 확인하였다.
- 추진제의 연소속도는 최대 압력이 5000 psi까지 가능한 strand burner 장비를 이용하여 경화된 추진제의 연소속도 변화를 확인하였다. 추진제로 특정 길이의 궐련형 형상을 가진 strand burner용 시험시편을 제작하여 600-2500 psi범위에서 실험 압력조건까지 가압한 후 점화시켜 질소분위기 하에서 연소속도 및 압력지수를 측정하였다. 연소속도는 시편이 일정하게 유지되는 압력 하에서 연소되는 시간을 측정하여 연소된 길이를 시간으로 나누어 계산하였으며 계산식은Vieille의 경험식으로 아래와 같다.
- 5의 조건으로 50℃ 항온 수조안에서 온도를 충분히 안정화시키기 위하여 경화제 투입 후 2시간부터 1시간 간격으로 총 3시간 동안의 점도 변화를 확인하였다. 추진제의 연소속도는 최대 압력이 5000 psi까지 가능한 strand burner 장비를 이용하여 경화된 추진제의 연소속도 변화를 확인하였다. 추진제로 특정 길이의 궐련형 형상을 가진 strand burner용 시험시편을 제작하여 600-2500 psi범위에서 실험 압력조건까지 가압한 후 점화시켜 질소분위기 하에서 연소속도 및 압력지수를 측정하였다.
- 추진제의 충전 공정성을 확인하기 위하여 추진제 혼합이 끝난 후 각 시료의 점도 측정을 실시하였다. 점도 측정에 사용된 점도계는 Brookfield (Model: RVT Type) viscometer이며 spindle number 03, RPM 2.
대상 데이터
- 본 연구를 위한 추진제 제조에 있어 기본적인 조성은 산화제로서 200 ㎛과 9 ㎛의 입자 사이즈를 가지는 AP를 무게비로 64% 적용하였으며 추진제내의 고체함량은 87%이다. 그리고 금속연료인 Al 함량은 Al을 함유한 HTPB/AP 기반의 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 계산하여 고체함량 87%일 때 밀도비추력을 계산한 결과 무게비로 가장 높은 값인 23%를 적용하였으며, 사용된 원료의 Al의 입도 분석은 혼화공정 전 레이저 입도 분석으로 측정한 결과 28 ㎛과10 ㎛의 입자 사이즈 값을 나타냈다.
이론/모형
- 추진제로 특정 길이의 궐련형 형상을 가진 strand burner용 시험시편을 제작하여 600-2500 psi범위에서 실험 압력조건까지 가압한 후 점화시켜 질소분위기 하에서 연소속도 및 압력지수를 측정하였다. 연소속도는 시편이 일정하게 유지되는 압력 하에서 연소되는 시간을 측정하여 연소된 길이를 시간으로 나누어 계산하였으며 계산식은Vieille의 경험식으로 아래와 같다.
성능/효과
- 5비율을 가진 추진제에서 우수한 점도 특성을 보여 적절한 비율임을 나타냈다. AP 200 ㎛:9 ㎛의 입도 5.5:4.5비율을 가진 추진제의 Butacene 함량에 따른 연소 특성을 비교 분석하였으며, 6% Butacene을 도입하였을 때 가장 높은 연소속도 값을 보였다. 이러한 결과를 바탕으로 고연소속도 특성을 가진 추진제의 개발은 동시에 저연소 속도 특성을 가지는 추진제의 개발로 직결된다.
- 점도 특성은 경화제 투입 후 총 4시간 동안의 점도 변화로서 Butacene의 함량이 높아짐에 따라 추진제의 점도가 약간씩 증가하졌음을 확인하였다. Butacene의 최대 함량인 6%를 도입하였을 때 경화제 투입 4시간 후 점도는 9.6 kP로 2시간일 때 8.4 kP 보다 1.1배의 점도 상승률을 보였으며 나머지 추진제의 점도 상승률도 1.1배 내외의 결과를 보였다. 추진제의 종류 및 추진기관에 따라 달라질 수 있지만, 일반적으로 추진제의 충전 가능한 정도를 점도로 판단할 때 약 30 kP미만으로 보고 있으며 점도 특성이 우수할수록 공정 시간이 줄어들어 공정 실패를 최소화 할 수 있다[13,14].
- Butacene의 함량을 0, 3, 4, 5, 6%까지 높였을 때 추진제의 연소속도가 선형적으로 증가하고 있음을 볼 수 있으며 최대 6%를 도입하였을 때 26 mm/s의 값을 나타냈다. 이것은 전이 금속인 철이 AP가 기체로 분해되는 화염과 일차 화염의 반응속도를 촉진시키는 화학적 촉매작용으로 인한 효과이며 철 함량이 높아질수록 그리고 고체 금속연료의 함량이 낮을수록 이러한 효과는 증대된다[3,12].
- 점도 및 연속속도 개선을 위한 방안으로 AP 입자 사이즈비율에 따른 점도 및 연소 특성과 연소촉매제로 Butacene을 적용하여 함량에 따른 연소 특성을 비교 분석하였다. HTPB/AP계 추진제에 23%의 Al 28 ㎛와 3% Butacene을 동일하게 적용하였을 때 AP 9 ㎛의 함량이 커질수록 연소속도가 증가하였지만 압력지수도 함께 증가하는 경향을 보였다. 연소특성을 고려하였을 때 AP 200 ㎛:9 ㎛의 입도 5.
- 9 kP보다 두 배 가량 높은 값의 점도 특성을 보였다. 그리고 AP 200:9의 사이즈 비율이 7:3인 추진제는 3.8 kP로 가장 안정한 점도 특성을 보였지만 연소속도는 가장 낮았다. 본 연구에서 추진제 혼화과정이 끝난 후의 점도(End-of-mix viscosity)분석은 실험실 환경 상 제작된 추진제의 완전한 항온이 되지 않아 완전한 항온이 이루어지는 2시간일 때의 점도 값을 제시하였다.
- 본 연구를 위한 추진제 제조에 있어 기본적인 조성은 산화제로서 200 ㎛과 9 ㎛의 입자 사이즈를 가지는 AP를 무게비로 64% 적용하였으며 추진제내의 고체함량은 87%이다. 그리고 금속연료인 Al 함량은 Al을 함유한 HTPB/AP 기반의 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 계산하여 고체함량 87%일 때 밀도비추력을 계산한 결과 무게비로 가장 높은 값인 23%를 적용하였으며, 사용된 원료의 Al의 입도 분석은 혼화공정 전 레이저 입도 분석으로 측정한 결과 28 ㎛과10 ㎛의 입자 사이즈 값을 나타냈다. 입도 분석에 사용된 장비는 Laser diffraction particle size analyzers (Model: LS 13 320, Beckman Coulter, Inc.
- 1은 추진제에 23%의 Al 28 ㎛과, 3%의 Butacene을 동일하게 적용하여 AP 200 ㎛와 9㎛의 입도 비율을 변화시키면서 제조한 추진제의 연소속도 및 압력지수 변화를 보여주고 있다. 동일 함량의 금소연료 및 연소촉매제를 적용하였을 때 AP의 입도가 작은 9 ㎛의 비율이 커질수록 연소속도와 압력지수가 함께 증가하는 것을 확인하였다. AP 200 ㎛:9 ㎛의 혼합 비율이 4:6을 가진 추진제가 26 mm/s로 가장 높은 연소속도를 나타냈지만 압력지수도 0.
- 287의 값을 나타내어 28㎛일 때보다 30%가량 감소한 압력지수를 보였다. 또한 Butacene의 유무에 의한 효과에서도 Butacene을 최대 6% 적용하였을 때 압력지수가 29%가량 감소하였음을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 AP 입도의 비율을 변화시키면서 점도 변화를 확인하였으며, Al 함량이 23%일 때 연소촉매제인 Butacene을 적용하여 함량 증가에 따른 점도 및 연소속도의 특성을 비교 분석하였다. 또한 입자 사이즈가 다른 Al을 첨가한 몇 종의 추진제를 제조하여 연소 특성을 비교하였으며, 나노사이즈가 아닌 마이크로-사이즈를 가진 Al를 도입하였을 경우 연소속도 향상 효과가 크게 나타나지 않았다. 하지만 입자 사이즈에 따른 압력지수의 감소 효과는 뚜렷하게 나타났으며 Al 입자사이즈가 10 ㎛일 때 0.
- HTPB/AP계 추진제에 23%의 Al 28 ㎛와 3% Butacene을 동일하게 적용하였을 때 AP 9 ㎛의 함량이 커질수록 연소속도가 증가하였지만 압력지수도 함께 증가하는 경향을 보였다. 연소특성을 고려하였을 때 AP 200 ㎛:9 ㎛의 입도 5.5:4.5비율을 가진 추진제에서 우수한 점도 특성을 보여 적절한 비율임을 나타냈다. AP 200 ㎛:9 ㎛의 입도 5.
- 추진제의 종류 및 추진기관에 따라 달라질 수 있지만, 일반적으로 추진제의 충전 가능한 정도를 점도로 판단할 때 약 30 kP미만으로 보고 있으며 점도 특성이 우수할수록 공정 시간이 줄어들어 공정 실패를 최소화 할 수 있다[13,14]. 위 결과들을 비교하였을 때 양호한 점도 상승 특성을 보였음을 알 수 있다.
- 일반적인 추진제와는 달리 본 연구에 사용된 추진제 조성은 금속 함량이 많고 연소촉매제 및 바인더로 사용된 Butacene의 점도가 고체 추진제 개발에 많이 사용되는 HTPB에 비교하여 7-8배가량 높은 편이다. 그래서 추진제 혼화 후 시료 및 제조 공정성을 확인하기 위하여 Butacene 함량에 따른 점도 변화를 확인하였으며 Fig.
- 점도 특성은 경화제 투입 후 2시간일 때 점도 값으로 입자 사이즈가 작은 10 ㎛를 적용한 추진제는 28 ㎛보다 약 1.7배 상승하는 결과를 보였다.
- 3에 점도 분석 결과를 나타내었다. 점도 특성은 경화제 투입 후 총 4시간 동안의 점도 변화로서 Butacene의 함량이 높아짐에 따라 추진제의 점도가 약간씩 증가하졌음을 확인하였다. Butacene의 최대 함량인 6%를 도입하였을 때 경화제 투입 4시간 후 점도는 9.
후속연구
- 연소 특성 조절기술을 확보하면 추진제 원료 및 제조 공정상의 특성으로 인하여 저연소속도를 가진 추진제의 기술도 확보될 수 있다. 그리하여 추진제의 요구 성능을 만족시키기 위하여 추진제의 연소 특성 조절연구는 지속되어야 할 것이다.
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