[논문]급속가열 상황에 있는 고체 추진기관에 대한 열해석

도영대; 유지창; 김창기; 이도형; 함희철

급속가열 상황에 있는 고체 추진기관에 대한 열해석
Thermal Analysis for Solid Rocket Motor exposed to Fast Cook Off 원문보기

도영대 (국방과학연구소) , 유지창 (국방과학연구소) , 김창기 (국방과학연구소) , 이도형 (국방과학연구소) , 함희철 (국방과학연구소)

급속 가열 상황에 있는 추진기관에 있어 가장 중요한 문제는 열해석으로 추진기관의 거동을 파악하는 것이다. 열은 추진제의 물성저하를 야기 시켜 자연발화 시킨다. 급속가열을 받는 추진지관에서 가장 바람직한 반응을 얻기 위해서는 추진기관의 케이스가 추진제에서 점화가 일어나기 전에 구조적으로 완전히 파손되어야 한다는 것이다. 본 논문에서 열해석을 위해 유한요소법을 이용하여 급속가열 상황에 놓인 고체 추진기관의 반응을 조사하였다.

The most important thing is to analyze the Fast Cook Off problem of the solid motor case exposed to direct flame is a heat transfer analysis. Heat causes degradation and ignition of the propellant. To archive an acceptable reaction level in Fast Cook Off, the rocket motor case generally must fail structurally prior to propellant ignition. We investigate the responses of the solid motor case exposed to Fast Cook Off by using finite element method for the thermal analysis.

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문제 정의

5 mm의 Insulation이 적층되어 있는 부위에서 열전달이 잘 되어 실제 추진제가 가장 열을 많이 받는 부위는 전방의 실린더에 있는 추진제이므로 해석을 할 때 축대칭 요소를 적용하여도 결과 값이 3차원 유한요소 해석의 결과 값과 일치하였다. 그리하여 본 논문에 서는 축대칭 요소를 사용한 열해석 방법에 대해 서만 설명하고자 한다. 열 해석을 위해 요소의 분할 크기는 추진기관 전체에 대하여 2mm로 하였고, 요소로는 사각형 열전달 요소를 사용하였으며 초기 온도 조건은 25℃로 하였다.
이 표준규격은 미국에서는 MIL-STD-2105C, NATO에서는 STANG에서 상세히 기술되어 있다. 본 논문은 추진기관이 연료에 의한 급속가열을 받을 때의 추진기관 내부의 열을 유한요소법으로 열해석하였는데 이에 대한 연구 결과를 제시한 것이다.

제안 방법

Marc를 사용하였다. 3차원 유한요소해석을 위해 모델링 및 요소 분할은 Abaqus Cae를 사용하였고 해석 또한 Abaqus를 사용하였다. 추진기관에 대한 축대칭 요소분할의 형상은 Fig 4.
Insulation을 연소관내에 적층하는 방법은 다음과 같다. 연소관을 필라멘드 와인딩할 때 비과류 상태인 EPDM을 연소관 제작용 맨드렐 위에 적층하고 EPDM 위에 고무 접착제인 켐락 프라이마와 켐락을 도포한 후 탄소섬유/에폭시를 필라멘트 와인딩한 후 오븐에서 동시 경화시킨다. Insulation 안쪽에는 liner가 두께 1mm로 추진제와 Insulation 사이에 적층되어 있다.
와 같다. 추진제의 단면이 실제적으로 Fig. 1에 제시되어 있는 바와 같이 원형의 추진제에 Slot이 들어가 있기 때문에 3차원 유한 요소 해석을 하였다. 추진기관이 급속 가열 상황에 놓일 때 추진기관의 후방부위는 두께 5.
9로 하였다. 해석은 Transient 해석을 하였으며 총 360 초 까기 동일한 6초의 시간증분으로 총 증분수를 60개로 하였다.

대상 데이터

복합재 케이스는 카본섬유인 T700을 에폭시에 함침시켜 필라멘트 와인딩 공법으로 제작되었다. 복합재 연소관의 외경은 159 mm , 두께는 3.5 mm, 섬유방향으로의 탄성계수는 134.6 Gpa, 섬유의 수직방향의 탄성계수는 7.65 Gpa, 전단계수는 3.68 Gpa, 포아송 계수는 0.298이다. 복합재 연소관의 파괴압력은 3700 Psi(25.
2에 복합재 연소관 및 노즐 조립체를 나타내었다. 복합재 케이스는 카본섬유인 T700을 에폭시에 함침시켜 필라멘트 와인딩 공법으로 제작되었다. 복합재 연소관의 외경은 159 mm , 두께는 3.
과 같다. 연소관의 케이스 재질은 카본/에폭시이며 보스의 재질은 Titanium이며 연소관 내면의 Insulation 재질은 EPDM이며, EPDM과 추진제와의 사이에 Liner가 있고 Liner 안에 추지제가 충전되어 있다. 노즐 구성품인 노즐 목은 ATJ-graphite로 되어 있고 노즐 구조체는 Steel로 설계되어 있다.
그리하여 본 논문에 서는 축대칭 요소를 사용한 열해석 방법에 대해 서만 설명하고자 한다. 열 해석을 위해 요소의 분할 크기는 추진기관 전체에 대하여 2mm로 하였고, 요소로는 사각형 열전달 요소를 사용하였으며 초기 온도 조건은 25℃로 하였다. 경계조건으로는 화염에 의한 복사 열전달과 대류에 의한 열전달을 고려하여 다음과 같은 식을 사용하였다.
1은 추진기관의 둔감화를 위해 연구용으로 개발한 추진기관의 형상을 나타낸 것이다. 추진기관의 둔감화를 위해 연소관 케이스는 복합재인 카본섬유/에폭시를 사용하였으며 Insulation은 EPDM을 사용하였고 추진제는 자연발화 온도가 204 ℃인 HTPE 추진제를 사용하였다.
Insulation 안쪽에는 liner가 두께 1mm로 추진제와 Insulation 사이에 적층되어 있다. 추진제는 현재 추진기관의 둔감화를 위해 개발하고 있는 HTPE계 추진제를 사용하였다.

이론/모형

급속가열 상황에 있는 추진기관에 대한 열해석은 다음과 같이 하였다. 열해석을 위해 유한 요소 법을 사용하였다. 해석방법으로 축대칭 유한 요소 법과 3차원 유한 요소법을 사용하여 해석을 하였다.
해석방법으로 축대칭 유한 요소 법과 3차원 유한 요소법을 사용하여 해석을 하였다. 축대칭 유한 요소해석을 위해 모델링 및 요소 분할은 NX-Ideas를 사용하였고 해석은 MSC.Marc를 사용하였다. 3차원 유한요소해석을 위해 모델링 및 요소 분할은 Abaqus Cae를 사용하였고 해석 또한 Abaqus를 사용하였다.
열해석을 위해 유한 요소 법을 사용하였다. 해석방법으로 축대칭 유한 요소 법과 3차원 유한 요소법을 사용하여 해석을 하였다. 축대칭 유한 요소해석을 위해 모델링 및 요소 분할은 NX-Ideas를 사용하였고 해석은 MSC.

성능/효과

에서 220℃에서 섬유 방향의 강도는 거의 없음을 알 수 있다. 결론적으로 급속가열에 의해 추진기관이 화염에 노출될 때 약 200초 후에 추진제는 발화온도인 204℃에 도달하고 그때 연소관 케이스의 온도는 600℃ 이상으로 올라가 연소관의 케이스가 강도가 전혀 없는 상태로 된다. 추진제가 발화온도에 도달하여 점화되면 연소압력이 발생하는 데 이 때 케이스의 강도가 전혀 없으므로 자연적으로 Type V의 연소반응을 보임을 해석상으로 알 수 있다.
이때 추진기관은 약 180초에서 Type V의 반응을 보였다. 즉 시험에서와 해석에서의 반응 시간이 아주 잘 일치함을 알 수 있었다. 현재 본 논문의 연구 팀은 급속가열, 완속가열, 탄자 및 파편충격 시험을 추진기관에 대하여 수행하고 있다.
추진기관이 급속 가열 상황에 놓일 때 추진기관의 후방부위는 두께 5.5 mm인 Insulation가 적층되어 있으므로 열전달이 잘 안된고 두께 1.5 mm의 Insulation이 적층되어 있는 부위에서 열전달이 잘 되어 실제 추진제가 가장 열을 많이 받는 부위는 전방의 실린더에 있는 추진제이므로 해석을 할 때 축대칭 요소를 적용하여도 결과 값이 3차원 유한요소 해석의 결과 값과 일치하였다.

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