[논문]그레인 형상에 따른 침식연소 효과 연구

조민경; 김진용; 권태훈

그레인 형상에 따른 침식연소 효과 연구
Study the effects of grain shape on the erosive burning 원문보기

조민경 ((주)한화 대전 사업장 개발부) , 김진용 ((주)한화 대전 사업장 개발부) , 권태훈 ((주)한화 대전 사업장 개발부)

본 연구에서는 고체 추진기관의 침식연소 해석을 위해 비정상 일차원 내탄도 해석 모델을 이용하였다. 연소실 축방향 유동과 압력변화를 해석하기 위해 연속방정식과 운동량 보존식을 연립하여 수치해석 하였다. 침식연소가 발생한 모터의 시험 결과와 해석 결과를 비교하여 연구 모터의 침식연소 상수를 도출하였다. 그레인 형상 변화가 침식연소에 미치는 영향을 평가하였다.

A typical unsteady internal ballistic analysis model was developed to take account the erosive burning of a solid rocket motor. The variance of local velocity and pressure along grain surface were analyzed by using the continuity and momentum equation. The coefficients of erosive burning were drew from comparing experiment data with analysis. It was investigated that the grain shapes of propellant affect the erosive burning.

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가설 설정

Analysis 1과 2 수행과정에서 추진제와 연소가스의 물성값을 적용하였다. Analysis 1에서는 추진제 연소 과정을 추진제 표면에서 생성되는 확산화염에 의해 이뤄진다고 가정하였으며 추진제 표면온도는 330℃라고 가정하였다.[6] 그러나 실제 시험 결과와 비교결과 침식연소로 인한 압력 상승효과는 크게 발생하지 않았다.

제안 방법

Analysis 1과 2 수행과정에서 추진제와 연소가스의 물성값을 적용하였다. Analysis 1에서는 추진제 연소 과정을 추진제 표면에서 생성되는 확산화염에 의해 이뤄진다고 가정하였으며 추진제 표면온도는 330℃라고 가정하였다.
본 연구에서는 L/D비가 크고 port 단면적과 노즐 목 면적비가 4이하인 별형 그레인을 적용한 모터의 시험 결과와 침식연소를 고려한 해석결과를 비교하여 위 시험 모터의 침식연소 인자를 도출 하였다. 또한 그레인 형상 변경을 통해 침식연소로 인한 압력 상승효과 변화를 고찰하였다.
본 연구에서는 L/D비가 크고 port 단면적과 노즐 목 면적비가 4이하인 별형 그레인을 적용한 모터의 시험 결과와 침식연소를 고려한 해석결과를 비교하여 위 시험 모터의 침식연소 인자를 도출 하였다. 또한 그레인 형상 변경을 통해 침식연소로 인한 압력 상승효과 변화를 고찰하였다.
Equation 8을 풀이를 위해 수치적분법인 Runge-Kutta 4th method를 이용하였다. 연소실 축방향 질량 유량과 연소실 압력은 서로 결합되어 있으므로 연소실 압력, 온도, 연소가스 질량유량에 대한 연립 방정식으로 계산을 수행 하였다.[5]

데이터처리

침식연소를 고려한 일차원 내탄도 해석 프로그램을 이용하여 실제 모터 시험 결과와 해석 결과를 비교하였다. 시험 결과와 비교를 통해 일반적인 이원추진제의 연소 시 표면 온도보다 표면 온도보다 낮게 가정하여 해석한 결과가 보다 시험 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

이론/모형

Equation 8을 풀이를 위해 수치적분법인 Runge-Kutta 4th method를 이용하였다. 연소실 축방향 질량 유량과 연소실 압력은 서로 결합되어 있으므로 연소실 압력, 온도, 연소가스 질량유량에 대한 연립 방정식으로 계산을 수행 하였다.
본 연구에서는 L&R 모델 변형식을 사용하였으며 Eq.

성능/효과

이를 통해 본 연구에서 분석한 모터의 경우 추진제 표면으로 전달되는 대부분의 연소열이 추진제의 기화열에 사용되어 추진제 표면 온도는 연소실 온도에 비해 상온에 가까울 것으로 판단할 수 있었다. 또한 동일 추진제를 이용 시 그레인 형상을 별형에서 실리더형로 변경하여 침식연소로 인한 초기 압력 상승효과를 감소시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 이는 실린더 그레인의 초기 연소 면적이 별형 그레인에 비해 작아 초기 연소가스 유동 속도가 작기 때문이며 이는 축방향 압력비 변화를 통해 확인 하였다.
침식연소를 고려한 일차원 내탄도 해석 프로그램을 이용하여 실제 모터 시험 결과와 해석 결과를 비교하였다. 시험 결과와 비교를 통해 일반적인 이원추진제의 연소 시 표면 온도보다 표면 온도보다 낮게 가정하여 해석한 결과가 보다 시험 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 분석한 모터의 경우 추진제 표면으로 전달되는 대부분의 연소열이 추진제의 기화열에 사용되어 추진제 표면 온도는 연소실 온도에 비해 상온에 가까울 것으로 판단할 수 있었다.
시험 결과와 비교를 통해 일반적인 이원추진제의 연소 시 표면 온도보다 표면 온도보다 낮게 가정하여 해석한 결과가 보다 시험 결과와 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 본 연구에서 분석한 모터의 경우 추진제 표면으로 전달되는 대부분의 연소열이 추진제의 기화열에 사용되어 추진제 표면 온도는 연소실 온도에 비해 상온에 가까울 것으로 판단할 수 있었다. 또한 동일 추진제를 이용 시 그레인 형상을 별형에서 실리더형로 변경하여 침식연소로 인한 초기 압력 상승효과를 감소시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

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