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제안 방법
- 여러 성분으로 이루어진 C/SiC 복합재료의 산화 반응을 모사하기 위해서 각 성분 부피를 단위 격자 (Fig. 10)로 규정하였으며 연소시험 중 반응 온도에 따른 각 성분(C, SiC, SiO2, pore) 의부피 분율을 모사하기 위한 산화 반응식을 이용하였다(Eq. 3). 탄소성분 (C) 은 섬유 또는 기지재에 포함된 탄소입자 이며 SiO2는 SiC 분자의 산화 반응 (H2O, CO2 분자) 에 의하여 생성된 결과물이다.
- 추진기관용 노즐 부품에 적용하기 위해서 제품의 단열 및 삭마 두께를 설계 하였다. 열 설계 및 해석에 필요한 물성 값은 밀도, 비열, 열전도도 이며 직교 이방성으로 이루어진 복합 재료로 가정하여 섬유 방향별 열전도도 값을 이용하였다.
- 열 설계 및 해석에 필요한 물성 값은 밀도, 비열, 열전도도 이며 직교 이방성으로 이루어진 복합 재료로 가정하여 섬유 방향별 열전도도 값을 이용하였다.
- 추진기관의 연소가스 성분은 pro-PEP 코드를 사용하였으며 열경계 조건은 BC 코드, 내열 부품의 열반응 특성 값은 KCD 코드를 사용하였으며 각 부품의 물성 값은 데이터 베이스(TPE) 를 통하여 임력하였다. FEM 해석은 상용 해석 프로그램인 MSC-Marc를 이용하였으며 ATAS 모듈을 이용하여 삭마 해석을 수행하였다 (Fig.
- FEM 해석 결과를 통하여 주어진 연소시간 동안 구조체 온도 및 내열부품의 내부의 온도 변화를 예측 하였다. Fig 12 에서는 고체 추진기관 및 C/SiC 부품이 적용된 노즐 조립체 내열 부품의 내부 온도 분포(연소시간 11초)를 볼 수 있다.
- 나타낸다. 비열, 열확산 계수, 열팽창 계수를 측정 하였다. 내삭마 성능 평가를 위하여 평판형 시편을 제조하고 면에 수직으로 초음속 화염을 분사하여 관통 시간을 측정하는 초음속 토오치시험을 수행하였다.
- 비열, 열확산 계수, 열팽창 계수를 측정 하였다. 내삭마 성능 평가를 위하여 평판형 시편을 제조하고 면에 수직으로 초음속 화염을 분사하여 관통 시간을 측정하는 초음속 토오치시험을 수행하였다. Table 2는 고체 및 액체추진기관 부품에 적용하기 위한 제조 공정 과시험 종류를 나타낸다.
- 추진기관 내열부품에 적용하기 위한 최상의 C/SiC 복합재료를 개발하기 위하여 성분에 따른 조성비 (C/Si/SiC/Pore) 를 기준으로 시편을 제조하였다. LSI 공정에 적용되는 C/C 복합재료의 밀도는 1.
- 고체 추진기관(연소시간 10초, 압력 1000 psi, 연소실 온도 3200C) 과 액체 로켓(연소시간 200 초, 압력 100 psi, 연소실 온도 3000 C) 연소시험을 수행하였으며 삭마 현상이 일어나는 노즐 목과 확대부 내열재 부품의 표면을 분석하였다.
- 탄소계 복합재료를 열처리 한 후 LSI(Liquid Silicon Infiltration) 공정이 적용된 C/SiC 복합재료를 개발 하였다. 내열 특성 시험을 통하여 고체 및 액체 추진기관용 내열 부품으로 사용이 가능함을 확인 하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
대상 데이터
- 복합재료 (탄소/페놀릭, 실리콘 카바이드/페놀릭, 탄소/에폭시 등)를 고온 (800-1500 ℃) 에서 탄화 하여 저밀도 C/C 또는 SiC/C 복합재료를 제조한다. 기지재로 사용된 내열 수지는 열처리를 통하여 결정화도가 낮은 이assy carbon으로 변화하며 2000 C 이상에서 열처리를 하여 결정화도가 높도록 graphitization 공정을 수행하다.
- 열유속이 극대화된 아크플라즈마 토치를 이용하여 삭마 시험을 수행하였으며 시험된 열 유속값은 30 MW/m2 수준이다(Fig. 19). 초고온 플라즈마에 의한 Si, SiC 분자의 용융과 산소 분자와 탄소 섬유, 탄소 기지재의 산화 반응이 삭 마의 주된 요인으로 확인되었다.
- - LSI 공법으로 적용된 추진기관용 부품은 탄소 /탄소(1.45~1.65 g/cm3) 프리폼을 이용하였으며 C/SiC 제품의 밀도는 2.0 g/cm3 이상이다.
데이터처리
- 임력하였다. FEM 해석은 상용 해석 프로그램인 MSC-Marc를 이용하였으며 ATAS 모듈을 이용하여 삭마 해석을 수행하였다 (Fig. 11).
이론/모형
- 추진기관 내열부품 내부에서 일어나는 온도변화는 MSC-Marc 의 온도 해석 모듈을 이용하였다. 밀도 변화는 Eq.
- 3을 기반으로 User Subroutine 을 작성하여 계산하였다. 표면 삭마반응에 따른 두께 및 형상 변화는 MSC-Marc- ATAS 에서 제공하는 Rezoning 기법 중에서 Mesh Relaxation 기법을 이용하였다.
- 반응 속도 상수는 TGA(Thermal Gravimetry Analysis) 를 이용하여 공기 분위기에서 측정된 온도에 따른 중량 감소 값을 사용하였다. FEM 해석 결과를 통하여 주어진 연소시간 동안 구조체 온도 및 내열부품의 내부의 온도 변화를 예측 하였다.
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