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제안 방법
- 고체 추진제의 조성을 기준으로 연소관 압력 및 온도 에서 연소가스의 열역학적 특성치를 얻는데 사용되는 CEA 결과를 활용하였으며 대류 열전달계수는 Bartz 식을 근간으로 축소형 시험 모타 에서 얻어진 결과를 수정하여 사용하였다.
- 노즐 구조해석을 위해 노즐 열해석을 수행하는 동시에 구조해석을 행하는 Coupled 해석을 하였다. Marc- ATAS는 삭마가 일어날 때 삭마 층을 Rezoning하여 mesh를 Remeshing한다.
- 노즐 조립체 열반응 해석 결과의 타당성을 확인하기 위하여 내열부품을 축 방향으로 절개하여 삭마 및 숯 두께를 해석 값과 비교하였다. 알루미나 입자에 의한 기계적 삭마 와 연소 후 Soacking out에 의한 추가 열분해를 고려하지 않은 경우에 20% 이내에서 연소 시험 후 측정된 실험치와 일치 하였다 (Fig.
- 상용해석 코드인 MSC-Marc-ATAS 와 개발된 열분해 및 삭마 모델을 활용하여 노즐 내열부품의 2차원 숯 및 삭마를 고려한 열구조 해석을 수행하였다. 입자에 의한 삭마 효과를 제외하였을 경우 해석 결과는 실험 결과와 비교하여 20%이내의 오차를 보인다.
- 본연구의 노즐목에서 사용된 재료는 Graphite 이므로 이 부문에서 열에 의한 강도의 변화가 가장 심하기 때문이다. 열구조해석시 온도 변화에 따른 기계적 물성은 온도변화에 대한 탄성율 변화 및 온도 변화에 따른 열팽창계수 변화를 사용하였다. 해석시 노즐목, 노즐 유입부 및 노즐 팽창부, 노즐 구조체들은 서로 contact 처리를 하였고 노즐목에서는 접착제가 삽입되는 부위는 Gap 처리를 하여 해석을 수행 하였다.
- Marc- ATAS는 삭마가 일어날 때 삭마 층을 Rezoning하여 mesh를 Remeshing한다. 이때의 과정이 열구조에 미치는 영향을 알기 위해 Coupled 해석을 수행하였다. 여기서 열응력 해석 결과는 삭마가 가장 많이 되는 노즐 목에 대해서만 언급하였다.
- 열구조해석시 온도 변화에 따른 기계적 물성은 온도변화에 대한 탄성율 변화 및 온도 변화에 따른 열팽창계수 변화를 사용하였다. 해석시 노즐목, 노즐 유입부 및 노즐 팽창부, 노즐 구조체들은 서로 contact 처리를 하였고 노즐목에서는 접착제가 삽입되는 부위는 Gap 처리를 하여 해석을 수행 하였다. Fig.
대상 데이터
- TGA(열중량분석기) 실험에 사용된 재료는 페놀릭 수지를 사용한 복합재료이며 열분해 특성은 Table 1에 보이는 바와 같다.
- 해석에 사용된 요소는 축대칭 열해석용 QUAD-4 (40, Full Integration) 이며 모델의 절점 수는 6,974개, 요소 수는 6,730 개다 (Fig. 2).
데이터처리
- 본 연구 결과는 열분해에 의한 밀도 변환 및 삭마 두께를 표현하기 위하여 FEM 모델 격자의 Remeshing 및 Rezoning 기법이 가능한 범용 해석 코드인 MSC-Marc-ATAS 를 사용하였으며 해석된 결과는 시험 후 숯 및 삭마 깊이와 비교하였다.
이론/모형
- 열분해를 특성짓는 반응 속도 상수를 찾기 위한 이론 및 실험식은 대부분이 Arrhenius 식에 근거한 변형된 식을 사용한다. 또한, 탄소계 재료의 표면 삭마 반응은 추진제 연소가스에 함유된 H2O 와 CO2에 의한 탄소의 산화반응으로 대표된다고 가정한 Zvyagins 이론식을 사용하였다.
- 숯 및 삭마 현상을 2차원으로 표현하기 위한 유한요소 의 형상 처리기법은 상용해석 코드인 MSC-Marc 에서 제안하고 있는 Stretch 기법을 사용하였다.
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