[논문]결합제 함량에 따른 HTPB/AP/Al 추진제의 특성 연구

이영우; 하수라; 장명욱; 김태규; 이정준; 손현일

doi:10.15231/jksc.2017.22.3.047

결합제 함량에 따른 HTPB/AP/Al 추진제의 특성 연구
A Study on Properties of HTPB/AP/Al Propellant to Contents of Bonding Agents 원문보기

한국연소학회지 = Journal of the Korean Society of Combustion, v.22 no.3, 2017년, pp.47 - 52

이영우 (국방기술품질원) , 하수라 (국방기술품질원) , 장명욱 ((주)한화 대전사업장 핵심기술품질보증팀) , 김태규 ((주)한화 대전사업장 핵심기술품질보증팀) , 이정준 ((주)한화 대전사업장 핵심기술품질보증팀) , 손현일 ((주)한화 대전사업장 핵심기술품질보증팀)

Abstract ▼ AI-Helper

The propellant tile and crack which account for the greatest proportion of solid rockets are profoundly affected by viscosity and mechanical properties of solid propellant. In this paper HTPB/AP/Al system propellant has been researched for the viscosity, mechanical properties and burning properties with type and contents of bonding agents. The viscosity of propellant was changed significantly depending on the type and contents of bonding agents, and mechanical properties of HTPB/AP/Al system propellant were also varied. Considering both lower viscosity and stable mechanical properties, the optimum type and contents of bonding agents can be identified as the main factors to the HTPB/AP/Al system propellant.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고체 추진제에 통상적으로 사용되는 산화제인 AP와 Amine계 결합제간(HX752, Tepan)의 표면 반응 메커니즘을 해석하고 이에 따른 결합제의 종류와 결합제 함량에 따라 HTPB/AP/Al 계 추진제를 제조하여 이에 따른 제반 특성을 비교 분석하였다. 결합제의 종류는 2종이며, 각 함량에 따른 경시적 점도 변화 및 고체 추진제의 특성을 분석하였다.

제안 방법

이 결과를 바탕으로 추진기관 그레인 내부에 기공이나 균열 등과 같은 결함이 발생할 수 있는 요인인 고체 추진제의 점도를 조절하고 기계적 물성 또한 개선 가능한 방안으로 연구하여 향후 HTPB/AP/Al계 추진제를 사용하여 추진기관 제조 시 적용 가능하도록 인자 분석을 진행하였다.

대상 데이터

실험 변경 인자로 산화제인 AP와 HTPB Prepolymer의 결합력을 증진시키는 결합제인 HX-752(1,1‘-(1,3-Phenylene Dicarbonyl) Bis 2-Methylaziridine) 및 TEPAN(Tetraethylenepentamine/Acrylonitrile 합성물) 2종을 적용하였으며, 사용량은 0.15 ~ 0.4%를 사용하였다. 변경되는 결합제의 사용량은 HTPB/IPDI/DOA를 가감적용하여 추진제 조성을 설계하였다.

이론/모형

추진제의 점도는 혼화 공정이 완료된 직후에 60℃ 온도에서 Brookfield 점도계로 측정하였다. 또한 경화가 완료된 추진제는 JANNAF 시편으로 제조하여 Universal Tensile Tester로 인장시험에 의해 얻어진 신율-응력 곡선을 해석하여 인장 강도를 획득하였다. 인장시험 조건은 50 mm/min.

성능/효과

1) 추진제의 점도는 결합제의 종류에 따라 EOM점도가 상이하며, 결합제의 함량이 증가할수록 EOM점도가 상승하는 것을 확인할수 있었다. TEPAN을결합제로 적용한 추진제는 HX-752를 적용한 추진제에 비해 경시적인 점도 변화의 폭이 낮은 것으로 확인되었다.
2) 추진제의 기계적 물성은 결합제의 종류에 따라 기계적 물성의 차이가 큰 것을 확인할 수 있었고, 인장강도는 HX-752 적용 추진제가 높으며, 연신율은 TEPAN 적용 추진제가 높은 것으로 확인되었다.
3) 추진제의 연소 속도는 고체 입자(산화제/연료)에 의존하는 인자로 결합제의 종류 및 함량을 변경하여도 연소 속도의 변화가 미미함으로 결합제는 추진제의 연속 특성에 미치는 영향이 없는 것으로 확인된다.
4) 결합제의 함량에 따른 추진제 내부 기공 분포를 확인한 결과, TEPAN을 과다하게 적용할 경우(0.4% 이상) 경화 추진제 내부 기공이 다수 발생하는 것으로 확인되었다. 이는 TEPAN과 AP의 결합에 따른 부가 생성물인 Ammonia Gas 발생에 의한 것으로 유추되며, 향후 TEPAN을 결합제로 적용할 시 조성 설계에 반영을 하여 기공 발생 억제에 유의하도록 한다.

후속연구

본 연구에서 수행된 결과를 바탕으로 HTPB/AP/Al계 추진제를 적용한 추진기관 제작 시 불량률 개선에 적용할 수 있으며, 추후 추진제 조성 설계 시 반영할 예정이다.
이는 AP 표면과 TEPAN의 이온 결합 시 발생하는 Ammonia Gas에 의한 기공으로 확인된다. 이러한 결과를 바탕으로 추진제에 TEPAN을 결합제로 사용할 경우, 혼화 공정 시 적절한 진공 혼화를 통해 결합 반응에 의한 부가 생성물인 Ammonia Gas를 제거하며, 적정한 사용량(0.3% 이하)을 적용하는 것이 추진기관 제조 시 결합으로 발생할 수 있는 내부 기공을 억제하는데 도움이 될 것으로 확인된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	바인더 시스템을 구성하는 원료는 무엇으로 구성되어 있는가?	그러나 고체 추진제의 점도 및 기계적 물성은 바인더 시스템의 조성에 따라 크게 변화하는 것으로 알려져 있다. 바인더 시스템을 구성하는 원료들은 Prepolymer, 경화제, 결합제 및 경화 촉매 등으로 구성되어 있으며, 이들의 함량 및 혼합 조성에 따라 고체 추진제의 경시적 점도 변화와 기계적 물성은 크게 차이가 난다.
	고체 추진제의 주요 특성에는 무엇이 있는가?	로켓용 고체 추진제로 가장 많이 사용되고 있는 HTPB/AP/Al(Hydroxyl Terminated Polybutadiene/Ammonium perchlorate/Aluminum)계 추진제는 Urethane 반응이 가능한 Prepolymer와 경화제를 기반으로 한 바인더 시스템을 중심으로 고체입자로 산화제 역할을 하는 AP 및 연료인 Al와 같은 금속 입자의 함량과 입도의 조절로 고체 추진제의 특성을 다양하게 변화시킬 수 있다. 고체 추진제의 주요 특성으로는 비추력, 밀도, 연소 속도, 기계적 특성 및 제조 공정성으로 구분된다. AP와 Al과 같은 고체입자 각각의 함량이 정해지면 이들의 평균 입도가 변경되어도 추진제의 성능을 나타내는 비추력과 밀도는 변하지 않는다[1-3].
	추진기관의 균열이 추진제의 기공에 의해 발생할 확률이 높은 이유는 무엇인가?	추진기관의 균열은 복합적인 요소에 의해 발생할 수 있으나, 추진제의 기공에 의한 발생 확률이 높다. 이는 기공의 장단경비(기공의 장/단축 비)가 3.0 이상일 경우, 추진제 경화 중 발생하는 수축/팽창 과정에서 균열로 연결될 수 있기 때문이다.

참고문헌 (8)

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Sutton, G.P. And Biblarz, O., Rocket Propulsion Elements, 8th ed., John Wiley & Sons Inc., New York, N.Y., USA, 2010.
Yim, Y.J., "A Study on the Burning Rate of Composite Solid Propellant," Ph. D. Thesis, Yonsei University, 1983.
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상세보기
Dorr, A., Sadiki, A. and Mehdizadeh, A., "A Discrete Model for the Apparent Viscosity of Polydisperse Suspensions Including Maximum Packing Fraction," Journal of Rheology, Vol. 57, No. 3, pp. 1-14, 2013.

상세보기
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Fedele, D., Ponti, F, Bertacin R., Ravaglioli,V. and Mancini, G., "Analytical Model and Numerical Simulations for Solid Propellant Using a Random Loose Packing Approach," 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Proplsion Conference, Cleveland, OH,USA, AIAA 2014-4019, July 2014.
C.K. Law, Combustion Physics, Cambridge University Press, Cambridge, 2006, 20-40.

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