[논문]펄스분리장치를 적용한 소형 추진기관의 설계, 제작 및 시험평가

류정헌; 이원복; 서혁; 김원훈; 오종윤

펄스분리장치를 적용한 소형 추진기관의 설계, 제작 및 시험평가
Design, Manufacture and Test of Subscale Solid Rocket Motor with Pulse Separation Device 원문보기

류정헌 ((주)한화 개발부) , 이원복 ((주)한화 개발부) , 서혁 ((주)한화 개발부) , 김원훈 (국방과학연구소 1본부 6부) , 오종윤 (국방과학연구소 1본부 6부)

하나의 고체 추진기관에서 이중펄스 추력을 발생시키는 기술은 기존의 일회성 추력발생 방식에 비하여 여러 가지 장점이 있다. 추진기관에 펄스분리장치를 적용하면 적절한 추력배분을 통하여 유도탄의 사거리 연장 및 종말속도를 향상시킨다. 본 연구에서는 격벽형 펄스분리장치의 성능을 검증하기 위하여 소형 추진기관을 설계, 제작하여 지상연소시험을 수행하였다. 이를 통하여 펄스분리장치의 파열특성, 구조적 안전성 및 내열특성 등을 확인하였으며 향후 실물형 이중펄스 추진기관 설계 시 필요한 데이터 등을 확보하였다.

A dual pulse solid rocket motor has several advantages compared to the single one. The range and the terminal velocity of the guided missile can be remarkably increased by the application of the pulse separation device(PSD) to the solid rocket motor which resulted in appropriate thrust distribution. In this study, the subscale dual pulse solid rocket motor with the bulkhead type PSD was designed, manufactured, and fire-tested. The bursting pressure, thermal characteristics, and the structural safety of the PSD were obtained by the tests and the results will be applied to the design of full-scale dual pulse rocket motor.

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문제 정의

이중펄스로켓에서 1단 펄스모타가 연소될 경우 펄스분리장치에 의해 2단은 연소하지 않으며, 임의의 지연시간 후, 2단 펄스모타가 점화되면 펄스 분리장치는 연소압력에 의해 개방되고 연소가스는 펄스분리장치와 1단 연소관을 통과하여 노즐로 배출된다. 본 연구에서는 격벽형 펄스분리장치의 성능을 검증하기 위하여 약 4초의 연소시간을 갖는 소형 추진기관을 설계, 제작하여 연소시험을 실시하였다. 시험결과 펄스분리장치의 목표성능을 확인하였으며, 향후 비행시험용 추진기관 설계 및 제작에 필요한 데이터를 확보하였다.

제안 방법

최초 실시한 지상연소시험은 펄스분리장치의 성능 검증과 더불어 추진기관의 설계 및 구조적 안전성을 확인하기 위하여 단별로 연소시험을 실시하였다. 1-1 호기 시험은 1단 모타에는 추진제 충전체, 2단에는 빈연소관을 결합하여 시험하였고 1-2호기 시험은 그와 반대로 구성하여 연소시험 하였다. 상세 시험 구성은 아래 Table 3.
4는 추진기관의 예상 압력-시간 선도를 나타낸다. 1단 펄스모타는 펄스분리장치의 내압 성능을 검증하기 위하여 최대예상작동압력(Maximum Expected Operating Pressure; MEOP) 수준으로 압력을 높이고, 2단 펄스모타는 펄스분리장치의 내열특성 및 삭마특성을 확인하기 위하여 상대적으로 압력을 낮추어 연소 시간을 길게 하였다.
이러한 다중점화기술은 다중펄스 로켓모타의 중요 핵심기술 중 하나이나, 본 연구에서는 다중점화시스템을 적용하지 않았다. 1단 펄스모타를 점화시키기 위한 점화기는 간이식 점화기를 사용하였고, 2단 펄스모타는 기존 개발된 점화기중 추진제의 특성과 연소관의 자유체적(Free Volume)을 고려하여 가장 적합한 것을 선택하여 적용하였다.
8은 2단 펄스모타의 압력이다. 1호기 시험 후 노즐목에 대한 삭마량을 실측하여 내탄도 값을 재해석한 결과를 적용 하였다. 두 개의 그림을 비교해 보면 2단 펄스모타는 비교적 해석값과 실제 압력이 유사하게 나타나나 1단 펄스모타는 연소 종말에 차이가 발생한다.
단별 연소에 따른 펄스분리장치의 성능을 검증하기 위하여 1단 펄스모타와 2단 펄스모타의 추진제 조성은 서로 상이하다. 그레인의 웹 두께는 약 25mm이며 내탄도 성능은 전체적으로 일정한 압력을 유지하도록 그레인 형상을 설계하였다.
연소관 및 노즐 구조체는 여러 차례 반복하여 연소시험을 수행할 수 있도록 크롬 몰리브덴 합금강을 사용하여 제작하였고, 1단과 2단이 동시에 점화되어도 구조적으로 충분한 안전계수를 갖는 다. 노즐 잠입부 내열재 및 노즐목은 추진제의 특성과 내탄도 설계결과를 고려하여 각각 Carbon phenolic과 Graphite를 적용하였다. Fig.
이를 위하여 펄스분리장치와 최대한 가까운 부분에서 압력을 측정하는 것이 이상적이나, 펄스분리장치의 구조와 추진제 그레인의 형상을 고려하여 1단 펄스모타의 연소관 후방부와 2단 펄스모타의 전방부에서 계측하였다. 데이터에 대한 신뢰성과 안전성을 확보하기 위하여 압력과 추력은 하나의 측정 포인트에 대하여 이중으로 계측하였고 모든 센서의 샘플링 레이트는 1kHz로 통일하였다. 측정 센서의 종류와 상세 측정 위치는 Table 4와 Fig.
1단 펄스모타와 2단 펄스 모타의 크기는 거의 동일하며 중간에 펄스분리 장치를 장착할 수 있는 인터페이스를 갖는다. 연소관 및 노즐 구조체는 여러 차례 반복하여 연소시험을 수행할 수 있도록 크롬 몰리브덴 합금강을 사용하여 제작하였고, 1단과 2단이 동시에 점화되어도 구조적으로 충분한 안전계수를 갖는 다. 노즐 잠입부 내열재 및 노즐목은 추진제의 특성과 내탄도 설계결과를 고려하여 각각 Carbon phenolic과 Graphite를 적용하였다.
펄스분리장치의 내압성능과 파열거동을 확인하기 위해서는 1단/2단 연소관의 내부 압력 계측이 매우 중요하다. 이를 위하여 펄스분리장치와 최대한 가까운 부분에서 압력을 측정하는 것이 이상적이나, 펄스분리장치의 구조와 추진제 그레인의 형상을 고려하여 1단 펄스모타의 연소관 후방부와 2단 펄스모타의 전방부에서 계측하였다. 데이터에 대한 신뢰성과 안전성을 확보하기 위하여 압력과 추력은 하나의 측정 포인트에 대하여 이중으로 계측하였고 모든 센서의 샘플링 레이트는 1kHz로 통일하였다.
최초 실시한 지상연소시험은 펄스분리장치의 성능 검증과 더불어 추진기관의 설계 및 구조적 안전성을 확인하기 위하여 단별로 연소시험을 실시하였다. 1-1 호기 시험은 1단 모타에는 추진제 충전체, 2단에는 빈연소관을 결합하여 시험하였고 1-2호기 시험은 그와 반대로 구성하여 연소시험 하였다.
추진제 그레인은 적용 추진제의 특성과 요구 되는 내탄도 성능, 그리고 제작공정 등을 고려하여 실린더 형상으로 설계하였다. 단별 연소에 따른 펄스분리장치의 성능을 검증하기 위하여 1단 펄스모타와 2단 펄스모타의 추진제 조성은 서로 상이하다.
펄스분리장치의 성능을 검증하기 위하여 소형 추진기관을 설계, 제작하여 지상연소시험을 수행 하였다. 시험결과는 Table 6과 같으며 펄스분리 장치가 설계목표를 충족함을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 격벽형 펄스분리장치의 성능을 검증하기 위하여 약 4초의 연소시간을 갖는 소형 추진기관을 설계, 제작하여 연소시험을 실시하였다. 시험결과 펄스분리장치의 목표성능을 확인하였으며, 향후 비행시험용 추진기관 설계 및 제작에 필요한 데이터를 확보하였다.

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