[논문]항공우주용 리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 내열 성능 평가

서상규; 김연철; 배지열; 함희철; 황태경

doi:10.5139/jksas.2021.49.5.355

항공우주용 리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 내열 성능 평가
Evaluation of Heat Resistance of Lyocell-based Carbon/Phenolic for Aerospace 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.49 no.5, 2021년, pp.355 - 363

서상규 (Agency for Defense Development) , 김연철 (Agency for Defense Development) , 배지열 (Agency for Defense Development) , 함희철 (Agency for Defense Development) , 황태경 (Agency for Defense Development)

초록
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리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 항공우주용 내열 부품 적용 가능성을 확인하기 위하여 내열성능 평가 및 열 해석을 수행하였다. 탄소/페놀릭의 열반응 평가는 내열성능평가모터(Thermal Protection Evaluation Motor, TPEM)로 수행되었다. 본 논문에서는 열 해석을 위해 유체의 경계층 해석을 고려한 경계층 적분 코드와 삭마 및 열분해를 고려한 MSC-Marc 2018 코드를 사용하였다. 추진기관의 압력 곡선, 연소 시험 후 절개된 목삽입재 시편을 통하여 삭마 및 단열성능을 분석하였고, 리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 열반응은 레이온계 탄소/페놀릭 재료와 유사하였다. 연소시험을 통한 결과를 바탕으로 국산 리오셀계 탄소/페놀릭의 항공우주용 내열 부품으로의 적용 가능성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Heat resistance performance evaluation and thermal analysis were performed to confirm the applicability of the lyocell-based carbon/phenolic composite material for heat-resistant parts for aerospace. Heat resistance performance evaluation of carbon/phenolic was conducted by Thermal Protection Evaluation Motor (TPEM). In this paper, boundary layer integration code considering the boundary layer analysis of combustion gas and MSC-Marc 2018 considering ablation and thermal pyrolysis were used for the thermal analysis. The ablation and thermal insulation performance were analyzed by the pressure curve of test motor and the cut carbon/phenolic specimens. The thermal response of the lyocell-based carbon/phenolic material was similar to that of the rayon-based carbon/phenolic material. Based on the results through the combustion test, the applicability of heat-resistant parts for aerospace to which domestic lyocell-based carbon fibers were applied was confirmed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 환경적인 문제로 인해 선진국에서도 레이온계 기반 탄소섬유를 리오셀계 탄소섬유로 대체하려는 연구가 진행되고 있다[4]. 본 연구에서는 국내에서 개발중인 리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료[5,6]의 내열 성능 평가를 수행하였으며, 레이온계 탄소/페놀릭 복합재료와 내열 성능을 비교하였다. TPEM10 및 TPEM16 내열성능평가모터(Thermal Protection Evaluation Motor, 이하 TPEM) 에 적용될 탄소/페놀릭 목삽입재(Throat insert) 부품을 제작하여 연소 시험을 수행하였으며, 삭마 및 단열성능을 포함한 열반응 성능을 확인하였다.
TPEM10 모터에서 평균압력은 624 psia, 연소시간은 14 sec이며, TPEM16 모터에서 평균압력은 840 psia, 연소시간은 11 sec이다. 본 연구에서는 국내에서 생산된 리오셀계 탄소섬유 기반 탄소/페놀릭 복합재료의 내열 성능 확인을 위해 항공우주용 내열재료로 주로 사용되는 수입산 레이온계 탄소섬유 기반 탄소/ 페놀릭 복합재료와 상대 비교하였다.

가설 설정

유선 열분해 모델은 탄소/페놀릭에서 온도상승 시 발생하는 열분해 가스가 재료 내부에 정체되지 않고 바로 분출된다고 가정한다[19]. 표면 삭마 반응에 따른 유한요소의 기하학적 변화는 스트레치 리메싱(Stretch Remeshing) 기법을 이용하여 구현하였다.

제안 방법

고온 열처리로부터 얻어진 리오셀계 탄소 직물에 페놀수지를 약 35~40 Vol.% 함침시켜 반경화 상태의 프리프렉을 제작하였다. 제작된 프리프렉을 적층 후 하이드로크레이브(Hydro clave) 장비로 경화하여 내열 성능 평가 모터의 탄소/페놀릭 목삽입재를 제작하였다.
본 연구에서는 국내에서 개발중인 리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료[5,6]의 내열 성능 평가를 수행하였으며, 레이온계 탄소/페놀릭 복합재료와 내열 성능을 비교하였다. TPEM10 및 TPEM16 내열성능평가모터(Thermal Protection Evaluation Motor, 이하 TPEM) 에 적용될 탄소/페놀릭 목삽입재(Throat insert) 부품을 제작하여 연소 시험을 수행하였으며, 삭마 및 단열성능을 포함한 열반응 성능을 확인하였다.
여기서 ρ는 연소가스 밀도, u와 v는 각각 x방향과 y방향 속도, θ는 운동량 두께, H는 형상계수, Cf는 표면마찰계수, B는 운동량 경계층 적분방정식에서의 분출 계수, J는 전 엔탈피, θ_T는 엔탈피 두께, St는 스타톤 수(Stanton number), B_T는 에너지경계층 적분방정식에서 분출 계수, 하첨자 e는 코어 유동, 하첨자 B는 분출 가스를 나타낸다. 경계층에서 운동량 적분방정식과 에너지 적분방정식으로부터 구할 수 있는 스타톤 수로부터 열유속 및 대류열전달 계수를 계산하였다. 로켓 노즐에서 벽온도는 2,000 K ~3,000 K 수준이며, 본 연구에서는 2,500 K으로 설정하였다[12].
국산 리오셀계 탄소섬유가 적용된 탄소/페놀릭 노즐 목 부품의 내열 성능 평가를 고체 추진기관 연소시험을 통하여 수행하였다. 항공우주용으로 사용되는 탄소/페놀릭이 적용된 내열성능평가모터의 압력-시간 선도, 삭마 두께 및 숯 깊이를 분석하였으며, 리오셀계 탄소/페놀릭과 레이온계 탄소/페놀릭에 대해 상대 비교하였다.
경계층에서 운동량 적분방정식과 에너지 적분방정식으로부터 구할 수 있는 스타톤 수로부터 열유속 및 대류열전달 계수를 계산하였다. 로켓 노즐에서 벽온도는 2,000 K ~3,000 K 수준이며, 본 연구에서는 2,500 K으로 설정하였다[12].
리오셀계 탄소/페놀릭의 내열 성능 확인을 위해 레이온계 탄소/페놀릭과 상대 비교를 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 대류열전달 계수를 경계층 적분법을 활용하여 산출하였으며, 경계층 적분 방법은 경계층 내 유속의 급격한 변화를 차분화하지 않고도 벽면 열전달을 예측할 수 있다. 따라서 계산 용량을 낮출 수 있어 국내 및 선진국에서 설계에 널리 활용되어 왔다[10].
평가 모터의 내열재 열반응 해석은 (1) 노즐 벽에서의 경계조건 설정과 (2) 내부 열반응 해석으로 구성된다. 본 연구에서는 로켓 노즐 표면의 대류 열전달 계수를 경계층 적분을 통해 산출된 값을 적용하였으며, 내부 열반응 해석은 유한요소(Finite Element) 프로그램인 Marc-ATAS 2018의 열 모듈(Thermal module)을 이용하여 계산을 수행하였다. Fig.
연소 시험 후 위치별 삭마 속도 분석을 위해 탄소/페놀릭 목삽입재를 절단하여 삭마 두께와 숯 깊이를 분석하였다. Fig.
연소시험 전 안전성 확인을 위해 내열재료의 열반응 해석을 수행하였다. 평가 모터의 내열재 열반응 해석은 (1) 노즐 벽에서의 경계조건 설정과 (2) 내부 열반응 해석으로 구성된다.
% 함침시켜 반경화 상태의 프리프렉을 제작하였다. 제작된 프리프렉을 적층 후 하이드로크레이브(Hydro clave) 장비로 경화하여 내열 성능 평가 모터의 탄소/페놀릭 목삽입재를 제작하였다. Fig.
탄소/페놀릭 재료의 표면 삭마는 크게 알루미늄응축액에 의한 기계적 삭마와 연소가스의 산화성 물질에 의한 화학적 삭마로 나눌 수 있으며, 본 해석에서는 화학적 삭마만을 고려하였다. 화학적 삭마란 연소 가스에 포함된 산화성 물질과 내열재료 표면의 탄소가 반응하여 표면이 삭마 되는 것을 의미하며, 반응은 Eq.
통하여 수행하였다. 항공우주용으로 사용되는 탄소/페놀릭이 적용된 내열성능평가모터의 압력-시간 선도, 삭마 두께 및 숯 깊이를 분석하였으며, 리오셀계 탄소/페놀릭과 레이온계 탄소/페놀릭에 대해 상대 비교하였다. 리오셀계 탄소/페놀릭의 내열 성능은레이온계 탄소/페놀릭과 유사한 수준이었으며, 항공우주용 내열 부품으로 적용이 가능함을 확인하였다.

대상 데이터

주로 사용되고 있다. 고체 추진기관(Solid Rocket Motor) 노즐 내열 부품은 보강재인 탄소 직물에 페놀수지(Phenolic resin)가 반경화(B-stage) 상태로 함침된 프리프렉(Prepreg)을 적층하여 설정된 온도(~150℃)와 압력(~1000 psi) 조건에서 경화하여 제작된다. 탄소/페놀릭에 사용되는 직물은 폴리아크릴로니트릴(Polyarcry lonitrile, 이하 PAN)계 탄소 직물과 비교하여 유연성과 단열성능이 우수한 셀룰로오스(Cellulose)계 탄소 직물이 사용된다.

이론/모형

내열성능평가모터의 내열재 열반응 해석은 유한요소 해석 프로그램인 MSC Marc 2018 유선 열분해 모델(Streamline pyrolysis model)을 활용하였다. 유선 열분해 모델은 탄소/페놀릭에서 온도상승 시 발생하는 열분해 가스가 재료 내부에 정체되지 않고 바로 분출된다고 가정한다[19].
리오셀계 탄소/페놀릭 복합재료의 내열 성능을 확인하기 위해 내열성능평가모터인 TPEM(Thermal Protection Evaluation Motor)을 이용하였다. Fig.
유선 열분해 모델은 탄소/페놀릭에서 온도상승 시 발생하는 열분해 가스가 재료 내부에 정체되지 않고 바로 분출된다고 가정한다[19]. 표면 삭마 반응에 따른 유한요소의 기하학적 변화는 스트레치 리메싱(Stretch Remeshing) 기법을 이용하여 구현하였다. Fig.

성능/효과

9는 TPEM10과 TPEM16 모터에서의 열반응 해석 결과를 나타낸다. 10 인치 급 모터에서 평균 삭마 속도는 약 0.29 mm/s, 숯 깊이는 약 5.1 mm로 예측되었으며, 16인치 급 모터에서 평균 삭마속도는 약 0.33 mm/s, 숯 깊이는 약 4.9 mm로 예측되었다. 온도, 삭마 두께, 숯 깊이에 대한 해석 결과를 통하여 TPEM10과 TPEM16 모터의 연소 중 안전성을 확인하였다.
0 sec이다. TPEM16에서의 최고 압력, 압력 저하율, 유효 연소시간 차이는레이온계 탄소/페놀릭 기준 각각 0.3%, 0.1%, 0.0% 수준으로 TPEM10의 결과보다 삭마 속도 특성이 더 유사한 것으로 판단된다. TPEM10에 적용된 리오셀계 탄소 직물과 레이온계 탄소 직물의 제직방법이다르지만, TPEM16에서는 동일한 2/2 능직으로 제직되어 삭마 속도 특성이 TPEM10보다 더 유사한 추진기관 성능이 나타난 것으로 추정된다.
항공우주용으로 사용되는 탄소/페놀릭이 적용된 내열성능평가모터의 압력-시간 선도, 삭마 두께 및 숯 깊이를 분석하였으며, 리오셀계 탄소/페놀릭과 레이온계 탄소/페놀릭에 대해 상대 비교하였다. 리오셀계 탄소/페놀릭의 내열 성능은레이온계 탄소/페놀릭과 유사한 수준이었으며, 항공우주용 내열 부품으로 적용이 가능함을 확인하였다. 대량 생산을 위한 연속식 열처리 기술과 프리프렉제조 기술의 안정화를 통하여 리오셀계 탄소/페놀릭복합재료의 고체 실기형 추진기관 적용이 기대된다.
여기서 압력 기울기의 절대값은 삭마 속도와 비례하며, 연소 초기에는 리오셀계 탄소/페놀릭이 적용된 연소 시험 압력 기울기가 레이온계 탄소/페놀릭이 적용된 연소 시험보다 작아 삭마 속도가 더 낮았을 것으로 판단된다. 연소 말기에 도달할수록 리오셀계 탄소/페놀릭이 적용된 연소 시험의 압력 기울기가 레이온계 탄소/페놀릭이 적용된 연소 시험의 압력 기울기보다 커지는 경향을 나타내어 연소 후반에는 리오셀계 탄소/페놀릭의 삭마 속도가 더 컸을 것으로 판단된다. TPEM16에서 리오셀계 탄소/페놀릭과 레이계 탄소/페놀릭 적용 시 추진기관의 최고압력 차이는 4 psia, 압력 저하율 차이는 0.
9 mm로 예측되었다. 온도, 삭마 두께, 숯 깊이에 대한 해석 결과를 통하여 TPEM10과 TPEM16 모터의 연소 중 안전성을 확인하였다.
TPEM10에 적용된 리오셀계 탄소 직물과 레이온계 탄소 직물의 제직방법이다르지만, TPEM16에서는 동일한 2/2 능직으로 제직되어 삭마 속도 특성이 TPEM10보다 더 유사한 추진기관 성능이 나타난 것으로 추정된다. 추진기관 성능 결과 측면에서 리오셀계 탄소/페놀릭의 삭마 특성 이레 이온계와 유사한 수준임을 확인하였다.

후속연구

리오셀계 탄소/페놀릭의 내열 성능은레이온계 탄소/페놀릭과 유사한 수준이었으며, 항공우주용 내열 부품으로 적용이 가능함을 확인하였다. 대량 생산을 위한 연속식 열처리 기술과 프리프렉제조 기술의 안정화를 통하여 리오셀계 탄소/페놀릭복합재료의 고체 실기형 추진기관 적용이 기대된다.

참고문헌 (19)

Jha, M. K., Kumar, V., Maharaj, L. and Singh, R. J., "Studies on leaching and recycling of zinc from rayon waste sludge," Industrial and engineering chemistry research, Vol. 43, No. 5, 2004, pp. 1284-1295.

상세보기
Shabbir, M. and Mohammad, F., "Sustainable production of regenerated cellulosic fibres," In Sustainable Fibres and Textiles, Woodhead Publishing, 2017, pp. 171-189.
Jo, S. M., "Ecofriendly cellulose fibers," Fashion Information and Technology, Vol. 7, 2010, pp. 2-9.
Gasch, M., Skokova, K., Stackpoole, M., Venkatapathy, E., Ellerby, D., Milos, F., Peterson, K., Prabhu, D., Gonzales, G., Violette, S. and Franklin, T., "Development of Domestic Lyocell Based Phenolic Impregnated Carbon Ablator (PICA-D) for Future NASA Missions," NASA Technical report ARC-E-DAA-TN69962, 2019.
Park, G. Y., Kim Y. S., Lee, S. O., Hwang, T. K., Kim, Y. C., Seo, S. K. and Chung, Y. S., "Study of the Crystal Structure of a Lyocell Precursor for Carbon Fibers," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 23, No. 5, 2019, pp. 36-42.

원문보기 상세보기
Lee, S. O., Park, G. Y., Kim, Y. S., Hwang, T. K., Kim, Y. C., Seo, S. K. and Chung, Y. S., "Effect of Cross-linking Treatment of Lyocell Fabric on Carbon Fabric Properties," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 23, No. 6, 2019, pp. 21-27.

원문보기 상세보기
Bahl, O. P., Shen, Z., Lavin, J. G. and Ross, R., "Manufacture of carbon fibers," Carbon Fibers, Third Edition, Marcel! Dekker, Inc, 270 Madison Avenue, New York, NY 10016, USA, 1998, pp. 1-83.
Ham, 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, 2006, pp. 30-37.
Seo, S. K., Ham, H. C. and Kang, Y. G, "Numerical Analysis for Thermal Response of Silica Phenolic in Solid Rocket Motor," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 22, No. 4, 2006, pp. 76-84.

원문보기 상세보기
Bartz, D. R., "Turbulent boundary-layer heat transfer from rapidly accelerating flow of rocket combustion gases and of heated air," Advances in Heat Transfer, Vol. 2, 1965, pp. 1-108.
Bae, J. Y., Bae, H. M., Ryu, J., Ham, H. and Cho, H. H., "Heat Transfer on Supersonic Nozzle using Combined Boundary Layer Integral Method," Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea, Vol. 30, No. 1, 2017, pp. 47-53.

원문보기 상세보기
Shimada, T., Sekiguchi, M. and Sekino, N., "Flow inside a solid rocket motor with relation to nozzle inlet ablation," AIAA journal, Vol. 45, No. 6, 2007, pp. 1324-1332.

상세보기
Shames, I. H., "Mechanics of fluids," 4th ed., McGraw-Hill, N.Y., U.S.A., 2003, Ch. 10.
Keswani, S. T. and Kuo, K. K., "An Aero-thermochemical Model of Carbon-Carbon Composite Nozzle Recession," In 24th Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, p. 910.
Boyarintsev, V. I. and Zvyagin, Yu. V., "Turbulent Boundary Layer on Reacting Graphite Surface," Proceedings of the 5th International Heat Transfer Conference, September, 1974, pp. 264-268.
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.
Vol, Marc., "A: Theory and User Information," MSC. Software Corporation, 2018, Ch. 6, pp. 247-314.
Seo, S. K., Ham, H. C. and Kang, Y. G., "Analysis of Boundary Layer in Solid Rocket Nozzle and Numerical Analysis of Thermal Response of Carbon/Phenolic using Finite Difference Method," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 22, No. 1, 2018, pp. 36-44.
Laturelle, F., Fiorot, S. and Wertheimer, T. B., "MSC.Marc-ATAS: Advanced Thermal Analysis Software for Modeling of Rocket Motors and Other Protection Systems," Worldwide Aerospace Conference and Technology Showcase, Toulouse, France, April 2002.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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