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고체 로켓 추진기관에서 실리카/페놀릭 열반응 해석 연구
Numerical Analysis for Thermal Response of Silica Phenolic in Solid Rocket Motor 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.4, 2018년, pp.76 - 84  

서상규 (Agency for Defense Development) ,  함희철 (Agency for Defense Development) ,  강윤구 (Agency for Defense Development)

초록
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본 논문에서는 고체 로켓 추진기관에서 내열재 및 단열재로 사용되는 실리카/페놀릭 복합재료의 열반응을 고려한 열전도 수치해석을 수행하였다. 고체 로켓 추진기관의 연소 중 실리카/페놀릭의 삭마와 열분해 과정을 고려한 열전도 해석을 위해 1차원 유한차분법을 이용하여 계산을 수행하였다. 노즐벽에서의 경계조건은 대류열전달계수를 고려하였으며, 이는 적분방정식을 이용하여 계산하였다. 삭마두께 및 숯깊이 해석결과는 목삽입재 평가 모터인 TPEM-10을 이용한 시험결과와 비교분석하였으며, 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, the numerical analysis for heat conduction of silica/phenolic composite material, used for solid rocket nozzle liners or insulators, is conducted. A 1-dimensional finite difference method for the analysis of silica/phenolic during the firing of a solid rocket motor is used to calculat...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고체추진기관의 노즐 내열재료에 사용되는 실리카/페놀릭 복합재료의 열반응 예측을 위한 수치해석을 수행하였다. 실리카/페놀릭이 고온, 고압의 연소가스에 노출되면 재료의 온도상승에 따른 내부 열반응이 발생한다.

가설 설정

  • 여기서 상첨자 S는 고체, G는 기체를 의미한다. 본 연구에서는 실리카-숯 반응은 이와 같이 귀결된다고 가정하였다.
  • 열반응에 의한 재료층 변화는 처녀층, 열분해층, 숯층, 용융층으로 구분할 수있다. 우선 재료가 고온, 고압의 연소가스에 노출되면 재료 중에 함유된 수분이 증발한다. 이후약 600 K부터 페놀릭 바인더의 열분해가 시작되어 열분해층을 형성하며, 열분해 가스가 분출되기 시작한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체 로켓 추진기관에서 노즐의 역할은 무엇인가? 고체 로켓 추진기관에서 노즐은 연소가스를 운동에너지로 효과적으로 전환시켜주는 역할을 한다[1]. 추진기관의 연소 중 노즐의 역할을 유지하기 위해서는 공력형상을 최대한 유지해주어야 한다.
제한된 내면형상, 무게 등을 만족시키는 노즐 열설계을 위해서 필요한 것은 무엇인가? 그 외 확대부와 축소부는 목적에 따라 일반적으로 탄소 섬유에 페놀릭 수지를 함침시킨 탄소/페놀릭 또는 실리카 섬유에 페놀릭 수지를 함침시킨 실리카/페놀릭 재료를 사용한다. 제한된 내면형상, 무게 등을 만족시키는 노즐 열설계를 위해서는 내열재료에 대한 적절한 열반응(내부 열반응, 표면반응) 예측이 필요하다. 이러한 이유로 내열재료에 대한 수치해석 연구가 진행되고 있다[3,4].
실리카/페놀릭 재료의 실리카 섬유의 질량분율이 큰 경우에 고온의 연소 가스에 노출 시, 어떤 현상이 일어나는가? 이는 탄소/페놀릭 복합재료와 비슷한 거동이다. 하지만 실리카 섬유의 질량분율이 큰 경우(페놀릭 바인더 질량분율이 작은 경우)에는 얇은 실리카 용융층이 숯층을 덮고 연소가스와의 산화반응을 방지하는 역할을 한다. 후자의 경우가 전형 적인 고체추진기관에서 사용되는 실리카/페놀릭 복합재료이다.
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참고문헌 (15)

  1. Reydellet, D., "Design Methods in Solid Rocket Motors," Advisory Group for Aerospace Research and Development, AD-A199356, 1988. 

  2. ZieBland, H. and Parkinson, R.C., "Heat Transfer in Rocket Engines," Advisory Group for Aerospace Research and Development, AGARD-AG-148-71, 1971. 

  3. Shi, S., Liang, J., Yi, F. and Fang, G., “Modeling of one-dimensional thermal response of silica-phenolic composites with volume ablation,” Journal of Composite Materials, Vol. 47, No. 18, pp. 2219-2235, 2013. 

  4. Bae, J.Y., Song, J.W., Kim, T.W., Hahm, H.C. and Cho, H.H., "Study on the Ablation of Silica-Phenolic Ablator by Numerical Method," KIMST Annual Conference Proceedings, Gyeongju, Korea, pp. 2010-2013, Jun. 2012. 

  5. Bae, J.Y., Park, S.K., Kim, T.W., Hahm, H. C., Bae, J.C. and Cho, H.H., "Kinetic Constants Measurement of Silica/Phnenolic Materials," 16th Guided Weapons Conference, Daejon, Korea, pp. 326-330, Sep. 2012. 

  6. Yu, M.S., Cho, H.H., Hwang, K.Y. and Bae, J.C., “Hybrid method for jet vane thermal analysis in supersonic nozzle flow,” Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 20, No. 3, pp. 614-617, 2006. 

  7. Seo, S.K., Hahm, H.C. and Kang, Y.G., "Analysis of Boundary layer in Solid Rocket Nozzle and Numerical Analysis for Thermal response of Carbon/Phenolic using Finite Difference Method," 2016 KSPE Fall Conference, Jungsun, Korea, pp. 748-755, Dec. 2016 

  8. Bae, J.C., "Analysis Model for the Indepth Thermal Response of Charring Ablators," Agency for Defense Development, ADDR-421-130474, 2013. 

  9. Lapp, P. and Quesada, B., "Analysis of Solid Rocket Motor Nozzle," 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Nashville, T.N., U.S.A., AIAA 92 3616, Jul. 1992. 

  10. Boyarintsev, V.I. and Zvyagin, Yu. V., "Turbulent Boundary Layer on Reacting Graphite Surface," 5th Int. Heat Transfer Conference, Tokyo, Japan, pp. 264-268, Sep. 1974. 

  11. Levy, D., "Introduction to numerical analysis," Department of Mathematics and Center for Scientific Computation and Mathematical Modeling, University of Maryland, College Park, M.D., U.S.A., 2010. 

  12. Hahm, H.C., “A Study on the Thermal Response Characteristics of Carbon/Carbon Composites for Nozzle Throat Insert,” Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 10, No. 1, pp. 30-37, 2006. 

  13. McBride, B.J. and Gordon, S., "Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Composition and Applications, II. Users Manual and Program Description," NASA RP-1311, 1996. 

  14. Torii, S. and Yang W.J., “Numerical study on laminarizing gas flow in strongly heated pipe,” International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 40, No. 13, pp. 3105-3117, 1997. 

  15. Hahm, H.C. and Kang, Y.G., “Comparative Studies of Heat Transfer Coefficients for Rocket Nozzle,” Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 16, No. 2, pp. 42-50, 2012. 

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