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문제 정의
- 본 연구에서는 반응성구조체의 고속충돌에 따른 발열특성을 살펴보기 위해서, 탄자형상의 반응성구조체를 1600 m/s의 속도로 고속 충돌시켜, 이에 따라 발생하는 온도분포를 분석하였다. 온도분포를 ms 수준에서 분석하기 위해서, 고속카메라에 700 nm 와 900 nm 의 필터를 장착하여 두 파장대의 복사강도 비를 측정하는 두 파장 파이로메터 방법으로 온도를 추정하였다.
가설 설정
- 1. 흑체 방사원으로부터 나온 전 파장영역의 빛이 광 분리기로 입사한다.
제안 방법
- 1. 두 개의 위치별 복사강도 (m,n)행렬을 이용하여 각 행렬 내에 상응 원소간의 비( Ii,k700 nm/ Ii,k900 nm)를 각각 계산, 위치별 복사강도 비( Ri,kI ) 행렬을 (m,n)크기로 만든다.
- 1. 두 파장 이미지로부터 위치별(픽셀별) 복사강도(Ix,y700 nm, Ix,y900 nm)를 매트랩 프로그램을 통해 행렬화 한다.
- 4. 필터링된 700 nm와 900 nm 협대역 파장의 빛을 광학거울을 이용하여 고속 카메라 내 CCD의 다른 위치에 맺히게 하여 두 파장 이미지를 획득한다.
- 반응에 따른 온도변화를 계측하기 위해 2개의 광학필터가 장착된 스펙트럼 분리기를 초고속 카메라와 연동시켜, 두 파장 파이로메터(two color pyrometer) 해석을 통해 반응성 구조 물질의 반응온도 변화를 250 ms 수준으로 분석하였다. 그리고 Al 탄자의 반응온도 변화는 반응성이 비교적 낮은 금속물질인 니켈(Ni) 탄자의 반응온도 변화와 비교분석 하였다.
- 반응현상 관찰챔버 내에서 발생하는 복사 스펙트럼을 카메라로 온전히 획득하기 위해 챔버의 우측면(탄자 비행방향 우측)은 투명한 폴리카보네이트 판(두께: 25 mm)으로 보호하였다. 금속 파편의 비산에 따른 폴리카보네이트 판의 파손이나 오염을 방지하기 위해 투명 아크릴 판(두께: 2 mm)을 챔버 안쪽에 추가적으로 부착하고 시험편마다 교체하며 시험하였다.
- 고속 카메라(high speed camera)는 초당 20만 프레임으로 촬영이 가능한 모델을 사용하였으며, 광원으로는 흑체 방사원(black body source; 오메가사, BB-4A 모델)을 이용하여 고속충돌 시험 전에 우선적으로 적용하고 보정하여 사용하였다. 또한 두 파장 대역의 영상으로 영상을 분리시키기 위해 광 분리기(spectral splitter) 및 광학필터(optical filter)를 이용하였다. 본 실험에 사용된 두 파장 파이로메터 장치의 광학적 배치도는 Fig.
- 반응성 금속물질의 충돌 시 반응특성을 분석하기 위해서 Al과 Ni 분말로 제조한 탄자시편에 대하여 충돌시험을 진행하였다. 상기 설명한 충돌시험 장치에서 실험을 진행하고 반응에 따라 변화하는 공간상의 온도 분포 변화를 두 파장 파이로메터를 사용하여 측정하였다.
- 본 연구에서는 대표적인 반응성 금속물질로 알려진 알루미늄(Al) 분말을 탄자 형상으로 구조화하여 1600 m/s 이상의 속도로 목표물에 고속 충돌, Al 탄자에 충격파를 전파, 반응을 유도하여, 이로 부터 발생한 순간적인 온도 변화를 계측하였다. 반응에 따른 온도변화를 계측하기 위해 2개의 광학필터가 장착된 스펙트럼 분리기를 초고속 카메라와 연동시켜, 두 파장 파이로메터(two color pyrometer) 해석을 통해 반응성 구조 물질의 반응온도 변화를 250 ms 수준으로 분석하였다. 그리고 Al 탄자의 반응온도 변화는 반응성이 비교적 낮은 금속물질인 니켈(Ni) 탄자의 반응온도 변화와 비교분석 하였다.
- 금속탄자가 반응현상 관찰챔버로 입사됨과 동시에 충격파를 전달받게 하기 위해 반응현상 관찰챔버 앞에는 두께 5 mm의 스틸판을 대었으며, 반응현상 관찰챔버를 보호하면서 금속탄자에 충격파의 완전전파를 유도하기 위해 챔버의 끝에는 RHA(Rolled Homogeneous Armour) 강을 위치시켰다. 반응현상 관찰챔버 내에서 발생하는 복사 스펙트럼을 카메라로 온전히 획득하기 위해 챔버의 우측면(탄자 비행방향 우측)은 투명한 폴리카보네이트 판(두께: 25 mm)으로 보호하였다. 금속 파편의 비산에 따른 폴리카보네이트 판의 파손이나 오염을 방지하기 위해 투명 아크릴 판(두께: 2 mm)을 챔버 안쪽에 추가적으로 부착하고 시험편마다 교체하며 시험하였다.
- 복사강도 비의 계산은 각 온도에서 파장별 이미지의 중심부에 해당하는 동일면적의 가장 밝은 영역(Fig. 5의 적색 사각형)을 선택한 뒤 그 영역의 밝기 비교를 통해 수행하였다. 실제 측정시스템에서 얻은 1073, 1173, 1255 K에서 밝기 비는 각각 0.
- 8과 같다. 본 연구에서는 250 ms 주기로 획득한 두 파장 이미지를 이용하여 반응성물질들의 고속충돌에 따른 순간적인 공간적/시간적 온도분포 변화를 추적하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 측정환경에서 금속탄 자의 충돌에 의해 형성된 화염의 두 파장 이미지(Fig. 7)를 얻고, 각각의 파장 이미지로부터 가장 높은 복사 강도를 보이는 위치를 일치시키는 방법으로 위치를 교정하였다. 위치교정 과정은 아래 과정과 같이 진행하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 측정환경에서 금속탄 자의 충돌에 의해 형성된 화염의 두 파장 이미지(Fig. 7)를 얻고, 각각의 파장 이미지로부터 가장 높은 복사 강도를 보이는 위치를 일치시키는 방법으로 위치를 교정하였다. 위치교정 과정은 아래 과정과 같이 진행하였다.
- 본 연구에서는 대표적인 반응성 금속물질로 알려진 알루미늄(Al) 분말을 탄자 형상으로 구조화하여 1600 m/s 이상의 속도로 목표물에 고속 충돌, Al 탄자에 충격파를 전파, 반응을 유도하여, 이로 부터 발생한 순간적인 온도 변화를 계측하였다. 반응에 따른 온도변화를 계측하기 위해 2개의 광학필터가 장착된 스펙트럼 분리기를 초고속 카메라와 연동시켜, 두 파장 파이로메터(two color pyrometer) 해석을 통해 반응성 구조 물질의 반응온도 변화를 250 ms 수준으로 분석하였다.
- 본 연구에서는 상기한 최종 보정식 (8)에 두 파장 이미지에서 획득한 복사강도 비 R1(λ1,2 )을 대입하여 금속탄자의 고속충돌에 따른 미지의 온도 T 를 계산하였다.
- 방사율이 같은 비율로 증감하는 경우에는 두 협대역 파장에서의 방사율 비를 흑체와 동일하게 적용할 수 있기 때문이다. 본 연구에서도 두 파장 파이로메터를 이용하여 금속탄자의 반응에 따른 온도분포를 분석하였다.
- 반응성 금속물질의 충돌 시 반응특성을 분석하기 위해서 Al과 Ni 분말로 제조한 탄자시편에 대하여 충돌시험을 진행하였다. 상기 설명한 충돌시험 장치에서 실험을 진행하고 반응에 따라 변화하는 공간상의 온도 분포 변화를 두 파장 파이로메터를 사용하여 측정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 반응성구조체의 고속충돌에 따른 발열특성을 살펴보기 위해서, 탄자형상의 반응성구조체를 1600 m/s의 속도로 고속 충돌시켜, 이에 따라 발생하는 온도분포를 분석하였다. 온도분포를 ms 수준에서 분석하기 위해서, 고속카메라에 700 nm 와 900 nm 의 필터를 장착하여 두 파장대의 복사강도 비를 측정하는 두 파장 파이로메터 방법으로 온도를 추정하였다. 극단적인 비교를 위해서 탄자시편은 반응성이 높은 Al 시편과 비교적 비활성적인 Ni 시편을 이용하여 시험하였다.
- 를 같은 크기로 얻을 수 있다. 이 두 개의 행렬로부터 위치별 온도를 도출하고 이미지화하는 작업은 매트랩 소프트웨어를 사용하여 수행하였다. 그 방법은 다음과 같다.
- 광획득 효율 비의 보정을 위해서는 실제 측정시스템을 통해 얻어진 두 파장 이미지에서 두 파장에 대한 복사강도 비의 비교가 필요하다. 이를 위해 흑체 방사원을 1073, 1173, 1255 K의 온도로 설정하고 2.3.2절에서 소개한 두 파장 이미지 획득과정을 통해 1073, 1173, 1255 K 온도에서의 두 파장 이미지를 획득한 후(Fig. 5(a), (b), (c)참조), 각각의 온도에서 복사강도 비를 계산하였다.
대상 데이터
- Al 분말과 Ni 분말은 별다른 전처리 공정 없이 냉간정수압성형(Cold Isostatic Pressure, CIP)을 통해 400 MPa의 압력으로 성형한 후, 절단 및 면 가공을 통해 직경 14.3 mm, 높이 14.3 mm의 환봉형 탄자로 제조하였다. 제조된 Al 탄자의 무게는 약 5.
- 두 파장 파이로메터 영상을 획득하기 위해 사용된 장비는 Table 1과 같다. 고속 카메라(high speed camera)는 초당 20만 프레임으로 촬영이 가능한 모델을 사용하였으며, 광원으로는 흑체 방사원(black body source; 오메가사, BB-4A 모델)을 이용하여 고속충돌 시험 전에 우선적으로 적용하고 보정하여 사용하였다. 또한 두 파장 대역의 영상으로 영상을 분리시키기 위해 광 분리기(spectral splitter) 및 광학필터(optical filter)를 이용하였다.
- 고속충돌 시험은 Fig. 1에 도시한 형태의 시험장치를 사용하여 진행하였다. 충돌시험 장치계는 금속탄자를 고속으로 추진시키는 탄도 건(ballistic gun), 금속탄자의 비행 직진성을 향상시키는 사보(sabot), 사보의 분리를 돕고 금속탄자의 속도를 계측하는 속도측정판 (speedometer), 금속탄자의 충돌에 따른 반응현상이 발생하는 관찰챔버(observation chamber), 반응온도를 고속으로 계측하는 두 파장 파이로메터 측정장치로 구성되어 있다.
- 온도분포를 ms 수준에서 분석하기 위해서, 고속카메라에 700 nm 와 900 nm 의 필터를 장착하여 두 파장대의 복사강도 비를 측정하는 두 파장 파이로메터 방법으로 온도를 추정하였다. 극단적인 비교를 위해서 탄자시편은 반응성이 높은 Al 시편과 비교적 비활성적인 Ni 시편을 이용하여 시험하였다.
- 두 파장 파이로메터를 이용하여 온도를 측정하기 위해서는 우선 방사원으로부터 나온 전체 파장의 빛에서 두 파장대역에 해당되는 이미지로 분리하는 작업이 필요하다. 본 시험에서 이용된 두 파장대역은 각각 700 nm와 900 nm 영역으로, 이 파장대역을 선택한 이유는 크게 두 가지다. 첫째, 본 시험에서 관측하고자 하는 온도구간(1000 ~ 3500 K)에서, 온도 변화에 따라 두 파장의 복사강도 비는 일정하게 증감한다[15].
- 시험에 사용된 반응성, 비활성 금속탄자는 각각 대표적인 반응성 금속분말인 Al 분말((주)창성 제품)과 비활성인 Ni 분말(Vale사 제품)을 이용하여 제조하였다. Al 분말의 평균입도는 10 mm, 순도는 99.
- 둘째, CCD 내 실리콘 감지기의 광획득 효율은 900 nm 이상에서 급격하게 감소한다[16]. 이런 이유들로 많은 연구자들이 700 nm와 900 nm를 선정하여 시험을 수행하였으며, 본 연구에서도 이들 두 파장을 이용하여 실험을 진행하였다.
- Al 탄자에 비해 Ni 탄자의 상대밀도가 상대적으로 낮은 이유는 400 MPa의 성형압력 하에서 Al 분말은 충분히 소성변형을 하는데 반해, Ni 분말은 소성변형을 하지 못해 분말 사이의 공극을 충분히 메우지 못하기 때문으로 생각되었다. 제조된 반응성 Al 탄자와 비활성 Ni 탄자는 추진보조물인 사보에 끼워 고속충돌 시험에 사용하였다(Fig. 3 참조).
데이터처리
- Fig. 6의 y절편 값 A의 보정오차를 최소화하기 위해각 온도에서 얻어진 3개의 계산점을 바탕으로 선형 회귀분석 과정을 거쳐 기울기를 구하였다. 그 결과 계산된 기울기는 -4.
이론/모형
- 4. 위치별 온도분포 행렬, (m,n)T로부터 얻은 온도정보를 이용하여 온도구간별 픽셀 수를 도출하고 온도 구간별 도수분포표(histogram)를 획득한다.
- 비접촉식 고온 측정 방안의 원리는 플랑크 법칙(Planck’s law)에 기인한다.
- 온도보정 과정은 두 파장 이미지 측정시스템의 효율에 의해 바뀔 수 있는 변수를 측정하는 과정으로써 플랑크식을 근사화한 빈(Wien) 식 (1)을 이용하였다.
성능/효과
- 2. 전 파장영역의 빛은 광 분리기내 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 통해 775 nm 이상 파장의 빛과 775 nm 미만 파장의 빛으로 분리한다.
- 2 (a), (b)에 각각 실험에 사용된 Al, Ni 분말의 미세조직 사진을 나타내었다. SEM 미세조직 사진에서 보는 것과 같이 Al 입자의 형상은 매끈한 구형이며, O 함량은 원소분석 결과 0.20 wt.% 였다.
- 이 온도구간에서는 온도가 증가하면 700 nm의 복사강도가 900 nm의 복사강도에 비해 일정하게 증가하여 두 파장의 복사강도로부터 온도를 추정할 수 있다. 둘째, CCD 내 실리콘 감지기의 광획득 효율은 900 nm 이상에서 급격하게 감소한다[16]. 이런 이유들로 많은 연구자들이 700 nm와 900 nm를 선정하여 시험을 수행하였으며, 본 연구에서도 이들 두 파장을 이용하여 실험을 진행하였다.
- 다시 말해, Al의 충돌에 따른 온도 분포는 Ni의 온도분포와 달리 고온영역으로 더 늘어져있는 형태를 띤다. 또한 Ni 시편은 충돌 직후 약 2200 ℃의 온도에서 최빈값을 보였다가, 시간에 따라 최빈값의 온도가 지속적으로 감소하는 경향을 보이는데 반해, Al 시편은 충돌 직후 약 2500 ℃의 온도에서 최빈값을 보였다가, 대략 8 ms까지 유지하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 시험 결과 고속 충돌 직후에는 두 시편 모두 3500℃에 순간적으로 도달하나 Al은 대기의 산소와 반응하여 큰 화염을 발생하고 반응이 16 ms까지 지속되는 반면 Ni은 순간적으로는 3500 ℃까지 도달하나 화염의 크기도 작으면서 시간적으로도 2 ms 미만에서 반응이 소멸됨을 확인하였다. 또한 Ni 시편의 충돌에 따른 온도분포는 좌우 대칭적 분포를 보였으나, Al 시편의 충돌에 따른 온도분포는 좌우 비대칭적 분포를 보였으며, 특히 고온 영역으로 온도분포가 치우친 경향을 띠었다. 이러한 결과는 고속충돌에 의해 발생할 수 있는 반응성 물질의 반응 지속시간이 대략적으로 ms 수준이며, 고속충돌에 따른 충격파의 전달만으로도 반응성 금속이 충분히 큰 반응열을 방출할 수 있음을 보여준다.
- 시험 결과 고속 충돌 직후에는 두 시편 모두 3500℃에 순간적으로 도달하나 Al은 대기의 산소와 반응하여 큰 화염을 발생하고 반응이 16 ms까지 지속되는 반면 Ni은 순간적으로는 3500 ℃까지 도달하나 화염의 크기도 작으면서 시간적으로도 2 ms 미만에서 반응이 소멸됨을 확인하였다. 또한 Ni 시편의 충돌에 따른 온도분포는 좌우 대칭적 분포를 보였으나, Al 시편의 충돌에 따른 온도분포는 좌우 비대칭적 분포를 보였으며, 특히 고온 영역으로 온도분포가 치우친 경향을 띠었다.
- 또한 Ni 시편의 충돌에 따른 온도분포는 좌우 대칭적 분포를 보였으나, Al 시편의 충돌에 따른 온도분포는 좌우 비대칭적 분포를 보였으며, 특히 고온 영역으로 온도분포가 치우친 경향을 띠었다. 이러한 결과는 고속충돌에 의해 발생할 수 있는 반응성 물질의 반응 지속시간이 대략적으로 ms 수준이며, 고속충돌에 따른 충격파의 전달만으로도 반응성 금속이 충분히 큰 반응열을 방출할 수 있음을 보여준다. 본 연구를 바탕으로 추가적인 다양한 조성의 반응성물질에 대한 충돌시의 반응성 특성을 해석하고 반응성탄체를 개발하기 위한 기초연구를 계속하여 수행할 예정이다.
- 3 mm의 환봉형 탄자로 제조하였다. 제조된 Al 탄자의 무게는 약 5.9 g, 상대밀도 96.5 %이었으며, Ni 탄자의 무게는 약 15 g, 상대밀도는 74.5 %였다. Al 탄자에 비해 Ni 탄자의 상대밀도가 상대적으로 낮은 이유는 400 MPa의 성형압력 하에서 Al 분말은 충분히 소성변형을 하는데 반해, Ni 분말은 소성변형을 하지 못해 분말 사이의 공극을 충분히 메우지 못하기 때문으로 생각되었다.
- 참고로, 본 연구에서 획득한 두 파장 이미지는 약 50만 픽셀(800 × 625 픽셀)로 약 110 × 55 cm 영역을 촬영함으로써 확보되었으며, 위치교정 과정을 거치면서 약 47만 픽셀만 취합되었다.
- 본 시험에서 이용된 두 파장대역은 각각 700 nm와 900 nm 영역으로, 이 파장대역을 선택한 이유는 크게 두 가지다. 첫째, 본 시험에서 관측하고자 하는 온도구간(1000 ~ 3500 K)에서, 온도 변화에 따라 두 파장의 복사강도 비는 일정하게 증감한다[15]. 이 온도구간에서는 온도가 증가하면 700 nm의 복사강도가 900 nm의 복사강도에 비해 일정하게 증가하여 두 파장의 복사강도로부터 온도를 추정할 수 있다.
후속연구
- 이러한 결과는 고속충돌에 의해 발생할 수 있는 반응성 물질의 반응 지속시간이 대략적으로 ms 수준이며, 고속충돌에 따른 충격파의 전달만으로도 반응성 금속이 충분히 큰 반응열을 방출할 수 있음을 보여준다. 본 연구를 바탕으로 추가적인 다양한 조성의 반응성물질에 대한 충돌시의 반응성 특성을 해석하고 반응성탄체를 개발하기 위한 기초연구를 계속하여 수행할 예정이다.
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