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비행체 추진기관용 내열 복합재의 특성 및 개발 동향
Characteristics and Development Trends of Heat-Resistant Composites for Flight Propulsion System 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.9, 2019년, pp.629 - 641  

황기영 (Agency for Defense Development) ,  박종규 (Agency for Defense Development)

초록
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고온, 고압의 연소가스에 의해 유입되는 많은 열을 효과적으로 차단하여 고체 로켓 노즐의 공력형상을 최대한 유지하면서 구조물의 온도 상승을 일정수준 이하로 제한하기 위해 연소가스와 접하는 위치에 내삭마성이 우수한 C/C 복합재 등의 내열재를, 그 배면에는 열확산계수가 낮은 단열재를 적용한다. 내산화성이 우수한 SiC/SiC 복합재는 가스터빈 엔진에 적용되고 있으며, 경량화와 내열성 향상으로 인해 엔진 성능 증가에 기여하고 있다. 극초음속으로 비행하는 스크램제트는 흡입 공기 온도가 매우 높아서 흡열 연료냉각제로 사용하는 C/SiC 구조물 개발 연구가 수행되고 있다. 본 논문에서는 고체 로켓 노즐, 가스터빈 엔진 및 램제트/스크램제트 추진기관에 사용되는 다양한 내열 복합재의 특성, 적용사례 및 개발 동향을 고찰하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to limit the temperature rise of the structure to a certain level or less while maintaining the aerodynamic shape of solid rocket nozzle by effectively blocking a large amount of heat introduced by the combustion gas of high temperature and high pressure, the heat-resistant materials such a...

주제어

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문제 정의

  • 본 논문에서는 고체 로켓 노즐, 가스터빈 엔진 및 램제트/스크램제트 추진기관에 사용되는 다양한 내열 복합재의 특성, 적용사례 및 개발 동향에 대해 조사/분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
마하수 5 이상의 극초음속에서 냉각재로 연구되는 것은? 5 구간에서 운용되는 램제트 초음속 비행체에는 흡입 공기(Ram Air)를 이용한 막 냉각으로 연소기를 고온으로부터 보호하거나 또는 실리카계 복합재를 이용한 삭마냉각을 적용한다[6,7]. 그러나 마하수 5 이상의 극초음속이 되면 흡입 공기의 전온도(Total Temperature)가 매우 높아 흡입 공기 대신에 비행체에 탑재된 연료를 냉각재로 사용하기위하여 탄화수소계 흡열 연료로 재생 냉각하는 C/SiC(Carbon Fiber Reinforced Silicon Carbide) 복합재 구조물 개발 연구들이 활발히 진행되고 있다[8].
내열재의 역할은? 대표적인 내삭마성 내열재에는 열분해 흑연(Pyrolytic Graphite), 다결정 흑연(Polycrystalline Graphite), 탄소/탄소(Carbon Fiber Reinforced Carbon, C/C), 탄소/페놀릭(Carbon Fiber Reinforced Phenolic, C/P), 실리카/페놀릭(Silica Fiber Reinforced Phenolic, S/P) 복합재 등이 있다. 이와 같은 내열재는 밀도가 낮아 추진기관 무게를 감소시킬 수 있고 고온 환경에서 내열재 내부와 표면 물질이 소실되면서 외부에서 유입되는 많은 열을 흡수하여 구조물을 보호하는중요한 역할을 한다[1].
본론에서 엔진 제작비용 문제를 해결하기 위해 수행되는 연구는? 항공기 가스터빈 엔진의 경우 니켈계 내열 금속의 정밀주조(일방향 응고, 단결정) 기술과 더불어 고성능 냉각 기술인 대류냉각, 충돌냉각, 막냉각으로 구성된 복합냉각 기술을 적용하거나 분출냉각(Transpiration Cooling) 기술을 적용함으로써 터빈 입구 온도(Turbine Inlet Temperature, TIT)는 크게 증가시켰지만 내부 유로나 외부면에 냉각 홀이 있는 터빈 블레이드 등의 복잡한 형상으로 인해 제작비용이 증가되었다[2,3]. 이에 대한 대안으로 세라믹 기지 복합재(Ceramic Matrix Composite, CMC) 중에서도 산화저항성이 우수한 SiC/SiC(Silicon Carbide fiber reinforced Silicon Carbide) 복합재의 제조 기술 개발 연구와 더불어 저밀도이면서 고온에서 우수한 구조물성, 내열성 등을 가진 복합재를 연소기 라이너, 터빈 노즐과 블레이드 등에 적용하기 위한 개발 연구들이 많이 수행되고 있다[4,5]. 가스터빈 고온부에 CMC를 적용함으로써 내열금속 보다 밀도가 낮아 무게를 줄이고 냉각공기 사용량도 줄일 수 있어 엔진 성능 증가에 기여하고 있다.
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