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문제 정의
- 본 연구에서는 세계적으로 추진제의 둔감화가 요구됨에 따라 HTPE/BuNENA를 바인더로 사용하고, 산화제로 AP와 AN을 혼용하여 사용하는 HTPE 둔감추진제 조성을 개발하여 연소특성, 점화지연시간, 민감도 및 둔감특성을 HTPB 추진제와 비교하여 고찰한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 오븐 모서리에는 250 W의 밴드히터를 전력조정기와 연결된 온도조절기(EC 5600S)를 사용하여 온도를 조절하였다. K형 온도 센서를 사용하여 오븐 내부의 온도와 추진제가 충전된 파이프 표면과 추진제 내부의 온도를 계측시스템에서 10초당 1개씩 측정하였다[4].
- 첫째, 기존의 HTPB바인더를 HTPE로 대체하고 가소제로 HTPE와 상용성이 좋은 둔감가소제인 BuNENA를 사용하며, 산화제인 AP의 일부를 AN 또는 Bi2O3로 대체하는 방법이다. 둘째, 기존의 1.1급 수의 추진제의 성능을 유지시키면서 1.3급수의 희연 추진제를 만드는 방법으로서, 주된 조성은 고 에너지 바인더, Nitrate Ester 가소제를 사용하고 AN, Partially Stabilized Ammonium Nitrate(PSAN), Ammonium Dinitramide(ADN) 등을 주산화제, 초미립자의 Cyclo-trimethylene Trinitramine(RDX), Cyclotetramethylene Tetranitramine(HMX)및 Hexanitro Hexaza Isowurtzitane(HNIW)을 부산화제로 한다[1].
- 추진제의 민감도는 그 수치가 작을수록 외부 에너지에 대하여 민감하므로 추진제는 측정치가 클수록 안전도가 높다. 본 시험에서 추진제의 안전성은 충격 감도, 마찰 감도, 정전기 감도와 자연 발화 온도 등을 측정하여 평가하였다.
- 본 연구에서는 HTPE 폴리머와 둔감가소제인 N-n-butyl-N-(2-nitratoethyl)nitramine(BuNENA)를 바인더로 사용하고, 산화제로 Ammonium Perchlorate(AP)와 Ammonium Nitrate(AN)을 혼용하여 사용하며, 금속연료로 Al을 사용한 둔감 추진제 2종을 대상으로 연소특성, 점화지연시간, 민감도 및 둔감특성을 HTPE 추진제와 비교하여 고찰하였다.
- 본 연구에서는 폭굉 시험으로는 NOLLSGT, 폭연성 시험은 shotgun & RQ bomb 시험, 가열성 시험으로는 UN Test Series 7의 EIDS 완속가열 시험을 수행하였다.
- 5 cal/cm2s의 열 속에서 압력별 점화지연시간을 측정한 것이다. 압력은 15, 45, 75, 100 psia로 변화시켰으며 이 때 추진제가 반응하는 50% 확률 값으로 점화지연시간을 결정하였다. HTPE-001과 HTPE-002의 점화지연시간은 HTPB-001보다 측정 압력 구간에서 2~3배의 점화지연시간이 크게 나타났으며 HTPE-002가 HTPE-001보다 점화지연시간이 더 크게 나타났다.
- 추진제의 마찰 감도는 Julius Peters사의 마찰 시험기에 의하여 측정하였다. 추진제의 정전기 민감도는 전기 에너지의 방출에 의하여 추진제가 점화되는 임계 에너지 값을 측정하였다.
- 추진제의 충격 감도는 충격 시험기(Picatinny Arsenal Co.)에 의하여 2 kg의 추를 원하는 높이에 고정시키고 나서 전기 스위치를 눌러 자유낙하시켜 시료의 기폭 여부에 따라 추의 낙하 높이를 조절하며 시험한다. 추진제의 마찰 감도는 Julius Peters사의 마찰 시험기에 의하여 측정하였다.
대상 데이터
- HTPE 유연 추진제(HTPE-002)는 Al을 19%, AP와 AN을 62%사용하었다. HTPB 저연 추진제(HTPB-001)는 AP를 85.5%사용하였다.
- HTPE 저연 추진제(HTPE-001)는 산화제로 AP 와 AN을 80%사용하였다. HTPE 유연 추진제(HTPE-002)는 Al을 19%, AP와 AN을 62%사용하었다. HTPB 저연 추진제(HTPB-001)는 AP를 85.
- HTPE 저연 추진제(HTPE-001)는 산화제로 AP 와 AN을 80%사용하였다. HTPE 유연 추진제(HTPE-002)는 Al을 19%, AP와 AN을 62%사용하었다.
이론/모형
- )에 의하여 2 kg의 추를 원하는 높이에 고정시키고 나서 전기 스위치를 눌러 자유낙하시켜 시료의 기폭 여부에 따라 추의 낙하 높이를 조절하며 시험한다. 추진제의 마찰 감도는 Julius Peters사의 마찰 시험기에 의하여 측정하였다. 추진제의 정전기 민감도는 전기 에너지의 방출에 의하여 추진제가 점화되는 임계 에너지 값을 측정하였다.
성능/효과
- 1. HTPE추진제와 HTPB 추진제의 민감도는 전반적으로 유사하였으나 HTPE 추진제의 정전기감도가 상대적으로 다소 크게 나타났다.
- 2. HTPE추진제의 점화지연시간이 HTPE 추진제보다 2~3배 크게 나타났으며 이는 AP 함유량의 차이로 기인한 것으로 판단된다.
- 3. HTPE 추진제는 1.3급수로 판정되어 숔에는 둔감한 것으로 나타났으며, 폭연성에서는 모두 기준에는 부합하였으나 HTPE 추진제가 훨씬 작은 (dP/dt)max 값을 나타내었다. 또한 HTPB 추진제는 가열성 시험인 EIDS 완속가 열시험 기준을 통과할 수 없었던 반면 HTPE 추진제는 기준에 부합하는 결과를 보였다.
- 압력은 15, 45, 75, 100 psia로 변화시켰으며 이 때 추진제가 반응하는 50% 확률 값으로 점화지연시간을 결정하였다. HTPE-001과 HTPE-002의 점화지연시간은 HTPB-001보다 측정 압력 구간에서 2~3배의 점화지연시간이 크게 나타났으며 HTPE-002가 HTPE-001보다 점화지연시간이 더 크게 나타났다. 이러한 이유는 HTPE 추진제 HTPB 추진제보다 AP 함유량이 상대적으로 작고, Al이 함유될 경우 Al을 산화시키기 위한 에너지가 많이 소모됨으로 점화성이 떨어지는 이유 때문인 것으로 판단된다.
- 3급수로 판정되어 숔에는 둔감한 것으로 나타났으며, 폭연성에서는 모두 기준에는 부합하였으나 HTPE 추진제가 훨씬 작은 (dP/dt)max 값을 나타내었다. 또한 HTPB 추진제는 가열성 시험인 EIDS 완속가 열시험 기준을 통과할 수 없었던 반면 HTPE 추진제는 기준에 부합하는 결과를 보였다.
- Figure 7은 HTPB-001, HTPE-001 및 HTPE-002의 EIDS 완속가열 시험 결과이며 스틸 파이프의 파편(마개 제외) 수가 10개 이상으로 나타났고, HTPE-001과 HTPE-002의 경우에는 파편 수가 2개 이하로 나타났다. 이러한 결과로 볼 때 HTPB 추진제로는 달성할 수 없었던 EIDS 완속가열 시험 기준을 HTPE 추진제 조성을 개발함으로써 추진제의 가장 어려운 문제를 해결할 수 있었다.
- IM 요구조건에 부합하기 위해 둔감추진제에 대한 연구가 1980년대 말부터 미국을 중심으로 많은 연구가 되어왔으며, 현재 파악된 연구 방향은 크게 두 가지로 분류된다. 첫째, 기존의 HTPB바인더를 HTPE로 대체하고 가소제로 HTPE와 상용성이 좋은 둔감가소제인 BuNENA를 사용하며, 산화제인 AP의 일부를 AN 또는 Bi2O3로 대체하는 방법이다. 둘째, 기존의 1.
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