[논문]고체추진제의 연소속도 증진기술

김준형; 임유진; 김인철; 박영철; 서태석; 정정용; 유지창

고체추진제의 연소속도 증진기술
Increasing the burning rate of solid propellants 원문보기

김준형 (국방과학연구소 기-6-4) , 임유진 (국방과학연구소 기-6-4) , 김인철 (국방과학연구소 기-6-4) , 박영철 (국방과학연구소 기-6-4) , 서태석 (국방과학연구소 기-6-4) , 정정용 (국방과학연구소 기-6-4) , 유지창 (국방과학연구소 기-6-4)

본 연구에서는 고연소속도 고체추진제 개발을 위한 현재의 기술들과 연구동향을 분석하였고, 연소속도 조절제에 대한 추진제 적용 및 연소 특성에 대해 검토하였다. 또한 연소속도 조절제로bis(ethylenediamine)copper perchlorate(BECP)를 제조하였고 이의 연소특성이 Butacene/AP 추진제에서 평가되었다. 결과적으로, Butacene과 AP로 구성된 고연소속도 고체 추진제에서 금속배위화합물인 BECP는 고체추진제의 연소속도를 크게 증진시켰다.

In this study, the current researches and the developing trend of the high burning rate solid propellants were briefly introduced and the effects of burning rate modifiers in the propellants on the combustion properties were reviewed. At the same time, bis(ethylenediamine)copper perchlorate(BECP) has been prepared as a burning rate modifier, and the burning characteristics were investigated in Butacene/AP propellants. The results showed that the metal complex, BECP, can increase remarkably the burning rate of high burning rate Butacene/AP propellants.

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문제 정의

고연소속도 고체추진제를 개발하기 위한 기술적 방안들에 대해 조사를 하였고, 연소속도증진 제로서 금속배위화합물인 BECP의 제조와 이를 적용한 추진제에 대한 연구를 수행하였다. 본 증진제를 Butacene/AP 추진제에 적용한 결과, 추진제의 연소속도를 크게 증가시킬 수 있었으며, 입도가 클수록 연소속도 증가 효과가 더 컸다.
본 논문에서는 TACP와 같은 Cu계 금속배위 화합물인 ethylenediamine(이하 EDA)을 리간드로 사용하는 bis(ethylenediamine) copper perchlorate([Cu(EDA)₂](ClO₄)₂, 이하 BECP)를 제조하고, 이를 추진제에 적용한 연구결과를 나타내었다.

제안 방법

Butacene과 AP/UFAP가 주요 원료로 구성된 추진제를 기본 추진제로 한 상태 하에서 연소속 도증진제로서 BECP의 입자특성에 대한 추진제 적용 및 연소특성에 대한 영향을 평가하였다.
Butance과 AP가 각각 5%와 85.5%씩 사용한 HTPB추진제를 기본으로 하고, 이에 본 연구에서 제조된 BECP를 사용하여 추진제의 조성 및 공정 특성과 연소 특성을 연구하였다. Figure 3은 기본 추진제와 BECP가 5% 함유된 상태에서 입자크기에 따른 추진제의 연소속도 특성을 보이는 결과로, 입자크기가 큰 상태에서 연소속도가 더 빠른 것을 보여주고 있으며, 입자 크기가 200㎛가 적용된 경우, 1000psia에서 약 70 ㎜ /s로 기본추진제 대비 약 70%의 연소속도 증가를 이룰 수 있는 것을 나타내고 있다.
우선 Cu(ClO₄)₂의 에탄올 용액을 제조한 후, 당량비에 해당하는 EDA을 상온에서 에탄올 용액에 첨가하는 방법으로 제조하였다. 또한 입자크기를 조절하기 위하여 결정화 실험을 수행하였다.
BECP는 Singh 등[14]의 연구에서 나타내어진 방법으로 합성되었다. 우선 Cu(ClO₄)₂의 에탄올 용액을 제조한 후, 당량비에 해당하는 EDA을 상온에서 에탄올 용액에 첨가하는 방법으로 제조하였다. 또한 입자크기를 조절하기 위하여 결정화 실험을 수행하였다.
합성된 물질의 특성을 분석하기 위하여 원소 분석, 열특성 분석(DSC, TGA), 충격감도, 마찰감도, 정전기 감도시험을 수행하였다.

성능/효과

고체추진제의 연소속도를 증가시키는 기술들은 추진제의 주요 구성체인 산화제, 바인더 그리고 연소속 도조절제 분야로 나뉘어서 발전되고 있다. Ammonium perchlorate(AP)가 주요 산화 제로 사용되는 추진제에서의 연소속도는 AP 입자의 크기에 영향을 받으며 크기가 감소할수록, 즉 표면적이 증가할수록 연소속도가 증가되는 특성을 보인다. AP의 표면적을 증가시키는 기술로는 재결정화나 분쇄방식으로 미세크기의 결정들을 제조하기 위한 연구들[1,2]과 결정들을 부분적으로 분해시켜 다공성의 특징을 갖도록 하는 기술[3]이 개발되어 왔다.
는 증진제의 입자부피, d는 증진제 입자크기이다. Equation 1로부터 증진제 입자크기가 증가할수록, 그리고 기본추진제의 연소속도가 증가할수록, 제조된 추진제의 연소속도가 증가함을 알 수가 있으며, 이는 본 연구의 실험결과와도 일치하고 있다.
입자의 크기를 조절하기 위한 결정화실험결과, 합성에 의한 석출과정이나 재결정화과정에서 입자가 석출되는 시점에서 교반속도를 조절하여 핵생성 속도를 변경시키는 방법으로 입자크기를 20㎛에서 200㎛의 범위에서 조절할 수가 있었다. TGA와 DSC의 열분석 결과, Fig. 2에서 나타난 것처럼 약 250℃ 이상의 온도에서 분해가 되는 열적으로 안정한 상태를 보이고 있으며, 분해가 시작된 후에는 급격한 발열 특성을 나타내고 있다. 또한 BECP는 충격, 마찰, 정전기 감도시험 결과, Table 1에 보이는 바와 같이 TACP급의 민감성 특성을 보였으며 RDX보다 민감하였다.
2에서 나타난 것처럼 약 250℃ 이상의 온도에서 분해가 되는 열적으로 안정한 상태를 보이고 있으며, 분해가 시작된 후에는 급격한 발열 특성을 나타내고 있다. 또한 BECP는 충격, 마찰, 정전기 감도시험 결과, Table 1에 보이는 바와 같이 TACP급의 민감성 특성을 보였으며 RDX보다 민감하였다.
고연소속도 고체추진제를 개발하기 위한 기술적 방안들에 대해 조사를 하였고, 연소속도증진 제로서 금속배위화합물인 BECP의 제조와 이를 적용한 추진제에 대한 연구를 수행하였다. 본 증진제를 Butacene/AP 추진제에 적용한 결과, 추진제의 연소속도를 크게 증가시킬 수 있었으며, 입도가 클수록 연소속도 증가 효과가 더 컸다.
1에 나타내었다. 입자의 크기를 조절하기 위한 결정화실험결과, 합성에 의한 석출과정이나 재결정화과정에서 입자가 석출되는 시점에서 교반속도를 조절하여 핵생성 속도를 변경시키는 방법으로 입자크기를 20㎛에서 200㎛의 범위에서 조절할 수가 있었다. TGA와 DSC의 열분석 결과, Fig.

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