[논문]고속 혼화공정을 이용한 PMD용 화약 ZPP 제작 및 특성분석

김상백; 심정섭; 김준형; 류병태

고속 혼화공정을 이용한 PMD용 화약 ZPP 제작 및 특성분석
The Characteristic Analysis and the Manufacture of Explosive ZPP on PMD using the High Speed Mixing Process

김상백 ((주)한화 종합연구소 화력탄약연구센터) , 심정섭 ((주)한화 종합연구소 화력탄약연구센터) , 김준형 (국방과학연구소) , 류병태 (국방과학연구소)

ZPP(Zirconium Potassium Perchlorate)는 산화제 potassium perchlorate, 금속원료 zirconium, 결합제 Viton 조성의 점화제이다. ZPP는 항공우주산업, 추진제 점화원, 자동화 산업에 사용되고 있다. 본 연구에서는 PMD(Pyrotechnic Mechanical Device)에 사용되는 ZPP의 제조공정 및 형상/열량/압력값과 같은 특성을 연구하였다. ZPP 제작 시, 원료들을 고속으로 교반하여 ZPP가 균일한 입자크기 및 형상으로 제작될 수 있도록 혼화공정을 설계하였다.

ZPP(Zirconium Potassium Perchlorate) is an igniter composed of potassium perchlorate as oxidizing agent and zirconium as fuel with a Viton binder. ZPP is used to provide ignition in the aerospace, propulsion, automotive industries. This research is investigated for the manufacturing process and characteristics analysis of the ZPP such as the performance and shape/calorimetry/pressure characteristics of the ZPP on PMD(Pyrotechnic Mechanical Device). During the production of ZPP, the mixing process was designed so that the ZPP could be produced in uniform particle size and shape by mixing the raw materials at high speed.

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문제 정의

본 연구는 고성능 착화기에 적용하기 위하여 성능이 균일한 고성능의 ZPP 화약 제작을 목적 으로 하였다. ZPP의 원료는 크게 금속원료 Zr, 산화제 KClO₄ , 결합제 Viton, 첨가제 graphite으로 이루어져 있다.

제안 방법

그러므로 침전법은 poor-solvent의 투입과 관련 변수들에 따라 ZPP화약의 성능에 큰 영향을 미치게 된다. Fig. 1에 침전법 공정도를 나타내었으며, 고속 혼화공정을 위하여 Fig. 2와 같은 이중자켓 반응기 장치로 혼화를 진행하였다. 이중자켓반응기를 이용할 경우, 교반속도를 고속으로 설정할 수 있으며 용매 투입 및 온도조절이 용이하다는 장점을 가지고 있다.
고속 혼화공정으로 제작된 ZPP화약 입자 형상 /크기/결합도를 SEM분석 결과를 통해 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 PMD용 화약 ZPP를 고속 혼화 공정을 사용하여 제작하였으며, 입도 및 형상분석, 열량 및 수분분석, 착화시험 등의 특성평가를 수행하였다. 고속 혼화공정을 통해서 균일하게 원료들을 혼화할 수 있는 공정을 개발하였고, 비교적 구형의 균일한 입자를 얻을 수 있었다. 제조된 ZPP의 열량은 1,385 cal/g 수준이었으며, 평균입도는 약 80 ㎛, CBT 시험에서의 압력은 표준편차와 평균값이 각각 약 20과 877 psi 수준으로 신뢰성 있는 ZPP 제조를 위한 공정이 개발 되었음을 확인하였다.
본 연구에서는 PMD용 화약 ZPP를 고속 혼화 공정을 사용하여 제작하였으며, 입도 및 형상분석, 열량 및 수분분석, 착화시험 등의 특성평가를 수행하였다. 고속 혼화공정을 통해서 균일하게 원료들을 혼화할 수 있는 공정을 개발하였고, 비교적 구형의 균일한 입자를 얻을 수 있었다.
열용량 측정기(Calorimeter)를 통하여 위 혼화 조건으로 제작된 ZPP의 기본적인 착화성능을 확인하기 위하여 열량을 분석하였다. 본 열량 측정에는 40~100 mesh 조립분을 사용하였으며, 열량은 3회 측정한 평균값이 1385 cal/g을 나타내었다(표 2 참조).
충전압력 5,000 psi의 조건하에서 착화기 10조 제작하여 CBT(Closed Bomb Test) 시험을 진행하였으며, 착화시간에 대한 시간-압력 측정 결과를 표 3에 나타내었다. 결과에서 보듯이 평균 압력은 877.

대상 데이터

원료의 완전연소에 의한 압력 값과 온도 값을 측정하기 위해 Zr와 PP 그리고 Viton의 이상적인 혼합비를 CEA 프로그램을 이용하여 해석할수 있다. 기폭제와 주장약인 ZPP(Zirconium Potassium Perchlorate)와 격리막인 BN(Boron Nitride)으로 연결된 형태로 실험을 진행하게 된다. 따라서 CEA 프로그램으로 이론값을 계산할 때에도 ZPP, BN의 값을 함께 계산해주어야 한다.

데이터처리

원료의 완전연소에 의한 압력 값과 온도 값을 측정하기 위해 Zr와 PP 그리고 Viton의 이상적인 혼합비를 CEA 프로그램을 이용하여 해석할수 있다. 기폭제와 주장약인 ZPP(Zirconium Potassium Perchlorate)와 격리막인 BN(Boron Nitride)으로 연결된 형태로 실험을 진행하게 된다.

이론/모형

본 연구에서는 고속교반을 기반으로 침전법(precipitation method)을 사용하였다. 침전법은 일명 Shock-gel 방법으로 알려져 있으며, 결합제의 용매와 반용매를 함께 첨가하여 두 용매의 용해도 차이를 이용한 석출 방법이다.

성능/효과

충전압력 5,000 psi의 조건하에서 착화기 10조 제작하여 CBT(Closed Bomb Test) 시험을 진행하였으며, 착화시간에 대한 시간-압력 측정 결과를 표 3에 나타내었다. 결과에서 보듯이 평균 압력은 877.3 psi 수준이며, 표준편차가 20.3 psi으로 매우 우수한 결과를 얻을 수 있었다.
또한 NASA standard initiator(NSI) propellant composition의 ZPP조성에서 수분함량에 따라서 착화기 성능에 영향을 미칠 수 있으므로, 낮은 수분함량을 유지하는 것이 중요하다. 따라서 MIL 규격에 따라 건조 전후에 따른 수분함량을 측정하였으며, 결과는 0.05%로 수분함량 기준에 충족됨을 확인하였다.[4]
23)와 온도가 4890℃의 온도 상태를 나타낸다. 본 연구에서 사용된 ZPP는 Zr이 약 52%(Zr/KClO4=1.21)그리고 Viton이 약 5% 포함된 것으로서 위와 유사한 4750℃ 정도의 온도 특성을 확인할 수 있었다[3].
이때 Viton의 함량은 결과 값에 큰 영향을 미치지 않으므로 함량을 고정시켰으며, Zr함량이 50~52% 사이일 때 이상적인 압력 및 온도 값을 얻을 수 있었다.
고속 혼화공정을 통해서 균일하게 원료들을 혼화할 수 있는 공정을 개발하였고, 비교적 구형의 균일한 입자를 얻을 수 있었다. 제조된 ZPP의 열량은 1,385 cal/g 수준이었으며, 평균입도는 약 80 ㎛, CBT 시험에서의 압력은 표준편차와 평균값이 각각 약 20과 877 psi 수준으로 신뢰성 있는 ZPP 제조를 위한 공정이 개발 되었음을 확인하였다.

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