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문제 정의
- 고체 연료 램젯을 개발하기 위해 기술적으로 해결할 문제 중 하나는 우수한 강성, 점화 지연, 연소 성능을 보이는 연료 그레인을 개발하는 것이다. 연료 그레인은 발사 즉시 고온의 압축공기 환경에서 1초 이내의 빠른 점화를 하고, 엔진 작동 중에 형태를 유지할 수 있어야 하며 연료 자체가 잘 타들어가야 한다.
- 이번 연구에서는 포발사 고체 연료 램젯용 연료 그레인의 연소시험을 수행하였고 점화보조제와 첨가제를 통해 우수한 점화 성능과 연소성능을 실험적으로 확인하였다. 실험에서는 램젯 연소실의 가스환경을 모사하기 위해 에탄올 블렌딩 가스발생기를 활용하여 램젯 연소실에 유입 되는 공기와 유사한 산소 조성 21 mol.
가설 설정
- 램젯 엔진을 포탄에 적용하면 포구초속으로 인해 발사 즉시 엔진의 작동이 가능하며 고체 로켓 부스터 없이 램 작동 모드에 들어갈 수 있다.[1] 포탄에 램젯을 작동하기 위해서는 순간 가속도 20,000 g, 회전수 12,000 rpm에 이르는 가혹한 발사환경을 가장 먼저 고려해야 한다. 이 환경에서는 연료 공급장치가 제대로 작동하기 어려워 액체 보다는 고체 연료 램젯이 작동에 유리하다.
제안 방법
- 모든 측정값은 NI DAQ를 통해 1초에 1000개씩 획득하였다. P1, P2를 통해 촉매대 및 다공성대에 걸리는 차압을 측정하였고 P3, P4를 통해 연료그레인 전 후의 연소실 압력을 측정하였다. 그리고 T1 ~ T3를 통해 촉매대 온도를 측정하여 반응물의 분해를 확인하였다.
- 그리고 T1 ~ T3를 통해 촉매대 온도를 측정하여 반응물의 분해를 확인하였다. T4 ~ T5 온도를 통해 연료그레인 직전에 들어오는 유동 온도를 측정하였다. 연료 길이는 30 cm로 설정하였으며 이것은 포발사 고체연료 램제트 추진탄의 비점성 설계를 통해 얻은 긴 연소실 길이를 고려하여 설정하였다[2].
- ∆P는 오리피스 유량계를 통과하며 발생하는 차압, CdA는 유량계수와 오리피스의 홀면적의 곱으로 내경 3 mm의 오리피스 홀을 적용하였으며 수류실험을 통해 CdA 값을 확인하였으며 그 값은 5.3049×10-6 m2 이다.
- P1, P2를 통해 촉매대 및 다공성대에 걸리는 차압을 측정하였고 P3, P4를 통해 연료그레인 전 후의 연소실 압력을 측정하였다. 그리고 T1 ~ T3를 통해 촉매대 온도를 측정하여 반응물의 분해를 확인하였다. T4 ~ T5 온도를 통해 연료그레인 직전에 들어오는 유동 온도를 측정하였다.
- 노즐의 경우 수축부 각도 30°, 확산부 각도 15°인 conical nozzle을 적용하였다[18]. 노즐은 최적 팽창비 조건에서 연소실 압력이 일반적인 고체 연료 램젯에서 기대할 수 있는 수준인 연소 효율 0.8, 당량비 1 조건에서 7.5 bar를 나타내도록 화학 평형 계산 수행결과를 적용하여 노즐 목면적 및 노즐 면적비를 구하였다 [17-19]. 당량비에 따른 예상 연소실 압력을 Fig.
- 또한 본 실험에서는 첨가제로서 보론 입자를 산화제를 혼합한 Fuel-rich 추진제에 혼합하였다 [11-13]. 이것은 일반적인 보론 혼합 연료에서 나타나는 현상인 연소되지 않은 보론을 B2O3입자가 감싸 연소 효율을 감소시키는 문제를 해결하기 위한 방법으로 적용하여 원활한 보론의 연소를 확인할 수 있었다.
- 온도는 연료의 점화 및 착화를 확인하기 좀 더 유리하도록 램젯 작동 조건보다 높게 설정되었다. 시스템 작동을 위해서 백금 촉매의 예열이 필요하며 백금 촉매의 예열 온도는 150 ℃, 시스템 작동 시간은 15 초, 유량은 150 g/s가 되도록 설정하였다. [20]
- 실험을 통해 구한 평균 당량비 조건과 연소실 압력을 통해 연소 효율을 구해보았다. 연소 효율은 Eq.
- 4의 P1 ~ P4는 압력센서를 나타내고 T1~T5는 온도센서를 나타내었다. 압력과 온도는 각각 0-5 V의 출력값을 가지는 SENSYS사의 압력 센서와 Omega 사의 K-type thermocouple을통해 측정하였다. 그리고 엔진을 통해 나오는 추력은 0-5 V의 출력값을 가지는 다셀 사의 Loadcell을 통해 측정하였다.
- 연료 그레인의 빠른 점화를 위해 연료 그레인에 우수한 점화 성능이 보고된 바 있는 NC/BKNO 3 점화보조제와 Composite 추진제를 점화 보조물질로 적용하였다[7,15,16]. 연소실의 가장 전단부에 위치할 연료그레인은 빠른 점화지연을 위해 점화보조제로서 NC/BKNO3와 Composite 추진제를 연료그레인에 도포하였다.
- 이때 Fmeasure는 측정 추력, Ftheoretical은 이론 추력을 나타낸다. 이 경우에도 점화 보조제의 점화가 고려된 Ignition mode를 제외한 연소 구간에 대해서 계산을 수행하였다. 그리고 이 값들을 Table 6에 정리하였다.
- 이 점화시점과 연소실 압력 피크 시점이 일치하여 Ignition mode의 시작점을 점화 지연으로 파악하였다. 두 번째 모드는 Flame sustain mode 로 Ignition mode 이후 연소 유지 구간으로 정의 하였다.
- [8-10] 그러나 보론 입자의 경우 발화점이 580 ℃로 높아 점화가 어려울 뿐만 아니라 B2O3층이 연소가 되지 않은 보론 층을 감싸 연소 성능이 좋지 않다고 보고된 바 있다[8]. 이를 해결하기 위해 추진제 내에 산화제와 보론을 동시에 첨가하였고 추진제 내 산소와 보론의 함량이 유사한 경우 우수한 연소 특성을 보였다[11-13]. 이번 연구에서는 이에 착안하여 HTPB 연료에 AP 입자의 산소 원자와 B 입자의 함량을 유사하게 맞춘 Fuel-rich 추진제를 적용하여 연소시험을 수행하였고 짧은 점화지연과 우수한 연소특성을 확인 하였다.
- 연료 그레인의 조제 과정에서 입자를 첨가할 때 중력에 의해 입자가 침강하게 때문에 연료그레인의 균일성을 확보하는데 어려움이 있다 [14]. 이번 실험에서는 연료그레인에 입자가 균일하게 분포하도록 적용하고자 길이 10 cm의 연료그레인을 3개 만들어 적층하여 실험을 수행하였다. Figure 3에 공급받은 연료그레인을 나타내었으며 가장 왼쪽에 위치한 연료그레인이 전단부에 위치할 연료그레인이다.
- 이번 연구에서는 연료그레인으로 HTPB에 AP 입자를 15%, B 입자를 5% 혼합한 Fuel-rich 추진제를 적용하였다. 연료 그레인을 구성하는 물질들의 정보를 Table 1에 나타내었다.
- 이를 해결하기 위해 추진제 내에 산화제와 보론을 동시에 첨가하였고 추진제 내 산소와 보론의 함량이 유사한 경우 우수한 연소 특성을 보였다[11-13]. 이번 연구에서는 이에 착안하여 HTPB 연료에 AP 입자의 산소 원자와 B 입자의 함량을 유사하게 맞춘 Fuel-rich 추진제를 적용하여 연소시험을 수행하였고 짧은 점화지연과 우수한 연소특성을 확인 하였다.
- 12에 나타내었다. 점화 보조제의 점화로 인해 압력 피크가 심하게 나타나는 Ignition mode를 제외하고 Flame sustain mode와 Combustion mode에 대해서만 평균 값을 비교하였다. 계산 결과 Flame sustain modedhk Combustion mode에서 각각 연소효율이 0.
- 점화 지연은 1초이내가 요구된다. 한편 점화를 확인하기 위해서 온도와 압력 조건을 조절하였다. 온도는 연료의 점화 및 착화를 확인하기 좀 더 유리하도록 램젯 작동 조건보다 높게 설정되었다.
성능/효과
- 점화 보조제의 점화로 인해 압력 피크가 심하게 나타나는 Ignition mode를 제외하고 Flame sustain mode와 Combustion mode에 대해서만 평균 값을 비교하였다. 계산 결과 Flame sustain modedhk Combustion mode에서 각각 연소효율이 0.66에서 0.88으로 상승하는 것을 확인하였다. 이를 통해 연소실 압력이 상승하면서 연소 효율이 설계 시 예상값인 0.
- 계산 결과 추력 효율은 Flame sustain mode와 Combustion mode에서 각각 0.61과 0.88로 나타났다. 이것은 연소가스 내의 파티클 보다는 연소 효율과 유사한 값으로 연소가스가 완전히 연소되지 않으므로 충분한 열에너지가 발생되지 않아 추력으로 변환되지 않은 영향이 큰 것으로 판단하였으며 B2O3 입자에 의한 추력의 손실이 작음을 확인하였다.
- Tad는 이론 단열 분해 온도를 Tmeasure는 실험을 통해 측정한 촉매대 끝단 온도를 나타내었다. 그 결과 99.9% 이상을 나타내어 열손실을 고려하면 완전히 추진제가 분해된 것이라 판단하였다. 한편 유동 공급 온도인 T5의 온도는 평균 566 ℃를 나타내었다.
- 5초로 짧게 나타났으며 고체연료 램젯에 적용 가능 수준으로 높은 점화 성능을 나타냄을 확인하였다. 또한 실험 조건인 유속 200 kg/m2s 조건에서 연료의 착화가 뚜렷하게 관찰되어 연료의 착화성도 우수한 것을 확인하였다.
- 8울 상회함을 확인하였다. 또한 연소실 압력의 표준 편차가 가장 작은 수치를 보이며 가장 연소실 압력이 안정적으로 형성됨을 확인 하였다. 압력 곡선에서 Flame sustain mode는 높은 발화점을 가진 보론의 연소까지의 지연시간으로 보이며 높은 연소열을 가진 보론이 연소에 참여하면서 연소실 압력이 6.
- 먼저 시스템에서 고온의 가스 공급이 잘 이루어진 것을 확인하였다. 시스템에서 공급되는 유동의 온도곡선과 유량 곡선을 Fig.
- 좌측부터 전단에 배치한 연료 그레인을 나타내었다. 모든 그레 인에서 포트가 넓어져 측면 연소가 잘 일어난 것을 확인하였다. 연료 그레인 및 노즐의 무게 측정 결과를 Table 5에 나타내었다.
- 연료 그레인 및 노즐의 무게 측정 결과를 Table 5에 나타내었다. 무게 측정 결과 평균 19.28 g/s의 유량이 공급된 것을 확인하였고 이것은 O/F 비 7.6, 당량비 1.17에 해당한느 값임을 확인하여 연료 과잉 연소가 일어남을 확인하였다. 한편 무게 차이를 이용해 평균 후퇴율을 계산한 결과 0.
- 보론 입자의 경우 생성물인 B2O3 입자의 끓는 점이 연소실 온도보다 낮아 금속 입자를 포함한 연소가스가 노즐을 지나가갈 때 주로 나타나는 파티클에 의한 추력 손실이 연소 효율을 고려할 경우 거의 나타나지 않음을 확인하였다.
- [8]. 보론 입자의 연소 이후 평균 8 bar의 안정적인 연소실 압력과 0.86의 높은 연소 효율을 보였다. 실험에서 평균 당량비는 1.
- 13에 나타내었다. 실험 결과 노즐 표면에 파티클이 소량 묻어있는 것을 확인하였으며 이것은 연료 그레인의 연소 중에 나타나는 파티클에 의한 것이라 파악하였다. 실험 전후 노즐의 무게 차이를 통해 파티클의 무게를 측정하였으며 약 0.
- 실험 결과 노즐 표면에 파티클이 소량 묻어있는 것을 확인하였으며 이것은 연료 그레인의 연소 중에 나타나는 파티클에 의한 것이라 파악하였다. 실험 전후 노즐의 무게 차이를 통해 파티클의 무게를 측정하였으며 약 0.2 g의 소량의 입자가 노즐의 표면을 덮은 것을 확인하였다.
- 86의 높은 연소 효율을 보였다. 실험에서 평균 당량비는 1.17을 나타내었고 연료 그레인도 0.524 mm/s의 후퇴율로 측면 연소가 원활히 일어나는 것을 확인하였다.
- 실험에서는 실제 램젯 연소실유입 공기온도인 430 ℃보다 높은 평균 566 ℃의 온도로 가스를 공급하였으며 이 온도 조건에서 점화보조제의 점화를 통해 점화지연이 0.5초로 짧게 나타났으며 고체연료 램젯에 적용 가능 수준으로 높은 점화 성능을 나타냄을 확인하였다. 또한 실험 조건인 유속 200 kg/m2s 조건에서 연료의 착화가 뚜렷하게 관찰되어 연료의 착화성도 우수한 것을 확인하였다.
- 연료그레인의 연소가 연료의 길이가 길어짐에 따라 포트 내에서 연료가 타들어가는 측면연소 에서 연료그레인 후방에서만 연료가 타들어가는 후미연소로 다르게 타들어가는 것을 확인하였다.[3,7] 이것의 문제 중 하나는 연료그레인의 균일성에 있다.
- 88로 나타났다. 이것은 연소가스 내의 파티클 보다는 연소 효율과 유사한 값으로 연소가스가 완전히 연소되지 않으므로 충분한 열에너지가 발생되지 않아 추력으로 변환되지 않은 영향이 큰 것으로 판단하였으며 B2O3 입자에 의한 추력의 손실이 작음을 확인하였다.
- 88으로 상승하는 것을 확인하였다. 이를 통해 연소실 압력이 상승하면서 연소 효율이 설계 시 예상값인 0.8을 상회하여 높은 연소 효율을 보이는 것을 확인하였다. 이것 또한 연료 그레인에 함유된 보론이 완전 연소하여 연소 효윺이 상승한 것이라 파악하였다.
- 마지막으로 Combustion mode는 Flame sustain mode 이후 압력이 크게 상승하는 구간 으로 정의하였다. 작동 후 6.5 초 이후인 연소 모드부터 연소실 압력이 크게 상승하였으며 설 계 압력인 7.5 bar를 상회하여 연소 효율이 예상 값인 0.8울 상회함을 확인하였다. 또한 연소실 압력의 표준 편차가 가장 작은 수치를 보이며 가장 연소실 압력이 안정적으로 형성됨을 확인 하였다.
- 초반에 점화 보조제의 점화까지의 1초간의 과유량 공급을 제외하고는 유량은 평균 147 g/s로 일정하게 공급되었다. 한편 전체 작동 시간동안 촉매대 끝단의 온도인 T3는 작동후 6초부터 작동끝까지에 대해서 평균값 570.
- 17에 해당한느 값임을 확인하여 연료 과잉 연소가 일어남을 확인하였다. 한편 무게 차이를 이용해 평균 후퇴율을 계산한 결과 0.524 mm/s의 평균 후퇴율을 보임을 확인하였다.
후속연구
- 보론의 점화 시간 단축을 위한 방법으로 표면에 도포된 점화 보조제외에 우수한 점화성을 가진 금속입자인 Mg, Ti 등을 연료 그레인에 추가로 첨가하는 것을 고려해 볼 수 있다[19]. 향후에는 보론 외에 점화성이 우수한 금속 입자를 연료 그레인에 혼합하여 연료그레인의 연소 성능에 첨가제가 미치는 영향 파악하는 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.
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