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문제 정의
- 따라서, 후경화 거동 여부는 노화 평가에서 반드시 확인되어야 할 단계이다. 본 논문에서는 후경화 반응시간을 시편 시험을 통하여 평가하였다.
제안 방법
- 고온(50 ℃)에서 그 편차가 다소 크게 나타나고 있으나 이는 Layton 식으로 모든 온도에서의 노화경향을 모델링하는 한계로 보인다. 20~40 ℃에서는 Layton 식으로 잘 표현되고 있으며, 실제 추진기관의 저장 온도도 40 ℃이하이므로 본 논문에서는 Layton 식을 적용한 추진제 물성의 노화를 평가하였다. Fig.
- 2절에서와 같이 후경화를 고려하여 얻어진 노화식의 유효성을 평가하기 위하여 실제 로켓 추진기관과 유사한 모사 충전체를 Fig. 8과 같이 설계, 제작하여 노화시험을 수행하였다. 그 형상은 Fig.
- 20~40 ℃에서는 Layton 식으로 잘 표현되고 있으며, 실제 추진기관의 저장 온도도 40 ℃이하이므로 본 논문에서는 Layton 식을 적용한 추진제 물성의 노화를 평가하였다. Fig. 4~5에서 온도별 노화 기울기인 K = A exp(-Ea/RT) 를 얻을 수 있으며, 그 후 Fig. 6, 7과 같이 곡선 맞춤으로 빈도 계수 A(bar), 노화 활성화 에너지 Ea(cal/g-mol)를 성공적으로 구하였다.
- 동시에 가속노화 시험용 추진제 시편도 제작하였으며 이 경우는 실제 추진기관 내 환경 모사를 위하여 공기를 주입한 알루미늄 파우치에 시편을 놓고 밀봉하여 20 ℃로 저장하였으며, 후경화 반응이 완료되었다고 평가된 시점 이후에 노화 온도(20/30/40/50 ℃)별로 분리 저장하면서 가속노화 시험을 수행하였다. JANNAF 시편을 적용한 고체 추진제의 기계적 물성 시험에서는 3~5개의 시편 시험이 추천되므로 본 논문에서는 추진제 각 시험 조건당 4개 이상의 시편 시험을 수행하여 그 평균값을 평가에 적용하였다[6].
- 추진제 시편은 질소를 주입한 알루미늄 파우치 내에서 20 ℃에서 최대 25주 동안 저장하면서 주기적으로 물성 측정을 통하여 후경화 반응 거동을 관찰하였다. 그 결과 중 대표적인 기계적 물성인 모듈러스에 대하여 고찰하였다. 우선 시험이 수행된 시편에 따른 물성의 편차를 고찰하였다.
- 이를 위하여 알루미늄 파우치에 질소를 주입한 후에 추진제 시편을 넣고 입구부를 가열로 밀봉한 후 온도 챔버에 20 ℃로 저장하였다. 동시에 가속노화 시험용 추진제 시편도 제작하였으며 이 경우는 실제 추진기관 내 환경 모사를 위하여 공기를 주입한 알루미늄 파우치에 시편을 놓고 밀봉하여 20 ℃로 저장하였으며, 후경화 반응이 완료되었다고 평가된 시점 이후에 노화 온도(20/30/40/50 ℃)별로 분리 저장하면서 가속노화 시험을 수행하였다. JANNAF 시편을 적용한 고체 추진제의 기계적 물성 시험에서는 3~5개의 시편 시험이 추천되므로 본 논문에서는 추진제 각 시험 조건당 4개 이상의 시편 시험을 수행하여 그 평균값을 평가에 적용하였다[6].
- 추진제 초기 모듈러스 크기에 무관하게 세 뱃취의 추진제 모두 약 4주 이후부터 증가 수준이 감소하고 있으며 그 안정기를 선정하기 위하여 각 추진제 시료별 기울기의 합을 평가하면 약 15주에 모듈러스 변화가 제일 낮다고 평가된다. 따라서 15주를 후경화 반응의 마감기로 평가하였다. 이 시점부터 가속노화 시험을 준비하였으며, 16주부터 시편 가속노화 시험을 시작하였다.
- 복합재 연소관, EPDM 내열고무, 라이너, HTPB 추진제가 적용되었으며, 추진제 길이는 1000 mm, 연소관 외경은 166 mm이다. 본 모사 충전체는 50 ℃에서 최대 390일간 저장하면서 약 3개월, 6개월, 1년 주기로 Fig. 9와 같이 3부위(추진제 표면, 추진제 중앙, 연소관과의 접착 부위)에서 추진제 시편을 채취하여 물성의 노화도를 평가하였다.
- 그 결과 중 대표적인 기계적 물성인 모듈러스에 대하여 고찰하였다. 우선 시험이 수행된 시편에 따른 물성의 편차를 고찰하였다. 시료 B(Ea=38.
- 후경화 반응이 종료된 후의 가속노화 거동을 평가하기 위하여 시편 가속노화 시험이 수행되었다. 추진제 시편은 공기를 주입한 알루미늄 파우치 내에서, 저장 온도 20/30/40/50 ℃에서 52주 동안 저장하면서 물성의 변화를 평가하였다. 그 결과 중 시료 A(Ea =47.
- 후경화 반응을 파악하기 위하여 JANNAF 시험편을 이용한 물성의 노화를 평가하였다. 추진제 시편은 질소를 주입한 알루미늄 파우치 내에서 20 ℃에서 최대 25주 동안 저장하면서 주기적으로 물성 측정을 통하여 후경화 반응 거동을 관찰하였다. 그 결과 중 대표적인 기계적 물성인 모듈러스에 대하여 고찰하였다.
- 후경화와 가속노화 시험을 위하여 추진제 시편을 JANNAF 형상으로 제작하였다[4]. 후경화 거동에 대한 추진제 물성의 뱃취(Batch)별 편차를 고려하기 위하여 추진제를 모듈러스별로 3종(A/B/C형: 47.2/38.8/10.2 bar)으로 제작하였다. 후경화 반응 시험은 산소와 습기에 의한 영향을 배제하고 재료 고유의 반응만을 측정해야 한다.
- 후경화 반응을 파악하기 위하여 JANNAF 시험편을 이용한 물성의 노화를 평가하였다. 추진제 시편은 질소를 주입한 알루미늄 파우치 내에서 20 ℃에서 최대 25주 동안 저장하면서 주기적으로 물성 측정을 통하여 후경화 반응 거동을 관찰하였다.
- 후경화 반응이 종료된 후의 가속노화 거동을 평가하기 위하여 시편 가속노화 시험이 수행되었다. 추진제 시편은 공기를 주입한 알루미늄 파우치 내에서, 저장 온도 20/30/40/50 ℃에서 52주 동안 저장하면서 물성의 변화를 평가하였다.
- 후경화와 가속노화 시험을 위하여 추진제 시편을 JANNAF 형상으로 제작하였다[4]. 후경화 거동에 대한 추진제 물성의 뱃취(Batch)별 편차를 고려하기 위하여 추진제를 모듈러스별로 3종(A/B/C형: 47.
대상 데이터
- 8과 같이 설계, 제작하여 노화시험을 수행하였다. 그 형상은 Fig. 8, 9와 같이 로켓 추진기관 그레인 형상을 모사하는 원통형으로 설계하였으며, 2.2절의 시편과 동일한 추진제 뱃취를 적용하여 시편과 동시에 제작되었다. 복합재 연소관, EPDM 내열고무, 라이너, HTPB 추진제가 적용되었으며, 추진제 길이는 1000 mm, 연소관 외경은 166 mm이다.
- 2절의 시편과 동일한 추진제 뱃취를 적용하여 시편과 동시에 제작되었다. 복합재 연소관, EPDM 내열고무, 라이너, HTPB 추진제가 적용되었으며, 추진제 길이는 1000 mm, 연소관 외경은 166 mm이다. 본 모사 충전체는 50 ℃에서 최대 390일간 저장하면서 약 3개월, 6개월, 1년 주기로 Fig.
데이터처리
- 10에 나타내었다. 4개의 시편 시험 결과에 대한 편차는 Fig. 10과 같으며, 그 평균값으로 노화 경향을 평가하였다. 저장 기간에 따라 경화의 노화가 진행되었으며 측정된 3부위에 대하여 각기 다른 수준의 노화 거동을 보이고 있다.
이론/모형
- Fig. 4, 5 에서 온도별 노화 데이터는 고온일수록 기울기가 커지는 전형적인 온도별 노화 경향이 나타나고 있으며, Layton 식을 적용하여 곡선 맞춤(curve fitting)을 수행하였다. 측정 물성과 곡선 맞춤 간의 편차는 혼합형 재료인 HTPB고체 추진제의 전형적인 수준으로 판단된다[7].
성능/효과
- (1) HTPB 추진제 시편 노화 시험을 수행한 결과 추진제는 후경화 반응으로 초기 물성이 변화하는 경화의 노화를 나타내었으며, 후경화 기간은 약 15주 수준으로 평가되었다. 이 기간 이후에 수행된 시편 가속노화 시험으로 Arrhenius Type의 Layton 노화식을 얻을 수 있었다.
- (2) 원통형 모사 충전체를 적용한 부위별 노화시험과 노화 예측값을 비교한 결과 Layton 노화식은 추진제 자체의 노화 평가에 적용할 수 있었다. 반면, 연소관 접착 부위에서는 추진제 외에 라이너와 내열 고무를 적용한 접착 시편에 의한 노화시험으로 평가되어야 하며, 수명 평가 시 실기형 추진기관에서 노화 시료를 채취하는 경우 시험 목적에 부합하도록 시편 채취 부위를 선정하여야 한다.
- 추진제 기계적 물성의 노화 평가는 JANNAF 시편을 저장하면서 물성 측정으로 평가하는 방법[3]이 일반적이나 실기 추진기관에서 채취한 시편에 의한 실제 노화 결과와는 차이를 나타내는 부분이 많으며, 그 차이를 보완하여 예측의 정확도를 증가시킬 필요가 있다. 본 논문에서는 노화율 예측에서의 차이를 나타내는 원인 중 하나인 후경화 반응 시간을 실험적으로 평가하여 그 영향을 고려한 시편 가속노화 시험을 수행하여 노화 평가 기법의 정확도 증가를 제시하였으며, 원통형 모사 추진제 그레인에서 실측한 노화 경향에 따라 그레인 위치별 노화율이 차이를 나타냄을 보였다.
- 3과 같다. 추진제 초기 모듈러스 크기에 무관하게 세 뱃취의 추진제 모두 약 4주 이후부터 증가 수준이 감소하고 있으며 그 안정기를 선정하기 위하여 각 추진제 시료별 기울기의 합을 평가하면 약 15주에 모듈러스 변화가 제일 낮다고 평가된다. 따라서 15주를 후경화 반응의 마감기로 평가하였다.
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