[논문]Highly progressive 성능을 위한 다발 원통형 그레인 가스발생기 개발

오석진; 차홍석; 이응조

Highly progressive 성능을 위한 다발 원통형 그레인 가스발생기 개발
Development of a gas generator to obtain highly progressive performance using bundle cylindrical grains 원문보기

오석진 (국방과학연구소 1본부-6부) , 차홍석 (국방과학연구소 1본부-6부) , 이응조 (국방과학연구소 1본부-6부)

본 논문에는 사출시스템의 성능향상을 위해 불안정 연소 현상이 발생하지 않는 상태에서 가스발생기 압력의 기울기를 증가시키는 방법에 대해 기술되어있다. 안정연소를 얻기 위해 그레인에 반경방향홀을 뚫는 방법 이외에 그레인의 세장비를 줄이는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 적용하여 가스발생기를 제작, 시험한 결과 기준모델과 비교시 유사한 수준의 사출종말속도에서 최대가속도를 최대 33% 줄일 수 있음을 확인하였다.

This paper presents an achieving method of highly progressive pressure gradient to enhance the missile ejection system's performance by using a gas generator. To obtain a stable burning, the decrease of a grain's L/D is proposed except making radial holes through the grain. New approach by applying adjustment of a grain's L/D reduces the maximum acceleration level by about 33% than that of reference model.

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문제 정의

[2] 이러한 반경방향홀을 통한 압력 불평형 현상의 완화방법의 단점은 이 홀들이모두 연소면이 되기 때문에 연소패턴이 홀을 많이 뚫으면 뚫을수록 급격한 기울기에서 점차 일정압력 연소패턴으로 그 양상이 바뀔 수 밖에 없는 한계를 갖는다. 따라서 본 연구에서는 홀을 뚫어 불안정 연소를 해결하는 방법에서 그레인의 세장비를 감소시켜 그레인 내외부의 압력 불평형을 해소하는 방법을 고안하여 두 경우를 비교 시험하였다.
본 연구에서는 사출성능을 개선하기 위해 안정된 연소상태에서 가스발생기에 요구되는 압력선도의 기울기를 증가시키는 방법에 대한 새로운 방법을 제시하고 효과확인을 위한 시험을 진행하였다. 그 결과 그레인에 홀을 뚫는 방법을 적용하지 않고도 그레인의 세장비만을 조절하여 상대적으로 안정된 연소를 얻을 수 있음을 확인하였다.
본 연구에서는 압력선도의 급격한 기울기와 불안정 연소현상 감소를 위한 새로운 방법을 고안하여 적용시험이 수행되었다.
세장비 감소를 위해 그레인 1개를 3열로 나눌 경우 한 가스발생기에 들어가는 총 그레인 수는 19*3=57개가 된다. 시험조건 1, 2는 추진제의 무게 및 연소속도가 나머지 시험들과 차이가 있어서 예비시험 개념으로 연소경향 파악을 목적으로 하였다. 본 연구에서 얻어지는 사출성능 향상정도 비교를 위해 반경방향홀의 수가 최적화된 모델인 시험조건 3을 기준모델로 선정하여 비교시 사용하였다.

제안 방법

3과 같이 수행되었다. 가스발생기는 치구에 장착되어 있고, 연소관 반경방향에 압력측정을 위한 홀이 뚫어져 있고, 이 부분에 압력센서를 장착하여 연소시 압력을 측정하였다. 가스발생기 노즐구조체 부분 가운데에 장착된 것은 시험시 안전을 위해 장착된 럽쳐디스크이다.
그레인 1열형 가스발생기에서 홀이 16개씩 있는 경우와 전혀 없는 경우에 대해 연소시험을 실시하였다. Fig.
모든 연소시험은 그레인 온도조건을 20℃로 조절한 후에 진행되었다. 그레인 홀 수는 0~16개로 변화시켜 보았고, 세장비를 감소시키기 위해 그레인 1개를 2열과 3열로 짧게 만들어 적용하였다. 세장비 감소를 위해 그레인 1개를 3열로 나눌 경우 한 가스발생기에 들어가는 총 그레인 수는 19*3=57개가 된다.
급격한 기울기 연소패턴을 위해서는 내면연소형 실린더 형상의 그레인이 일반적으로 사용된다. 그레인은 양단면과 외경면이 불활성 테잎과 엔드캡으로 단열처리되어 추진제가 점화기에서 오는 화염을 막을 수 있도록 설계, 제작하였다. 작동중에 이 단열처리부분이 소실되지 않도록 제작시 많은 주의가 필요하다.
시험조건 1, 2는 추진제의 무게 및 연소속도가 나머지 시험들과 차이가 있어서 예비시험 개념으로 연소경향 파악을 목적으로 하였다. 본 연구에서 얻어지는 사출성능 향상정도 비교를 위해 반경방향홀의 수가 최적화된 모델인 시험조건 3을 기준모델로 선정하여 비교시 사용하였다.

성능/효과

본 연구에서는 사출성능을 개선하기 위해 안정된 연소상태에서 가스발생기에 요구되는 압력선도의 기울기를 증가시키는 방법에 대한 새로운 방법을 제시하고 효과확인을 위한 시험을 진행하였다. 그 결과 그레인에 홀을 뚫는 방법을 적용하지 않고도 그레인의 세장비만을 조절하여 상대적으로 안정된 연소를 얻을 수 있음을 확인하였다. 기준모델과 비교시 유사한 사출종말속도 수준에서 최대가속도를 약 33% 감소시키는 개선 효과를 얻을 수 있었다.
기준모델인 시험조건 3인 경우와 가장 개선된 모델인 시험조건 6을 비교해 볼 때 유사한 사출종말속도 수준에서 최대가속도가 약 33% 감소되었음을 확인할 수 있다. 그레인 세장비를 감소하여 그레인에 반경방향홀을 적용하지 않고도 안정연소 상태에서 사출속도와 최대가속도 조건을 동시에 만족시킬 수 있는 능력 곧 사출성능이 개선됨을 확인할 수 있었다.
그 결과 그레인에 홀을 뚫는 방법을 적용하지 않고도 그레인의 세장비만을 조절하여 상대적으로 안정된 연소를 얻을 수 있음을 확인하였다. 기준모델과 비교시 유사한 사출종말속도 수준에서 최대가속도를 약 33% 감소시키는 개선 효과를 얻을 수 있었다. 향후 추가적인 사출성능 향상을 위해서는 점화충격을 감소시킬 수 있는 점화기에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.
모든 경우에 대해 사출성능을 예측하여 Table 2에 정리하였다. 기준모델인 시험조건 3인 경우와 가장 개선된 모델인 시험조건 6을 비교해 볼 때 유사한 사출종말속도 수준에서 최대가속도가 약 33% 감소되었음을 확인할 수 있다. 그레인 세장비를 감소하여 그레인에 반경방향홀을 적용하지 않고도 안정연소 상태에서 사출속도와 최대가속도 조건을 동시에 만족시킬 수 있는 능력 곧 사출성능이 개선됨을 확인할 수 있었다.

후속연구

기준모델과 비교시 유사한 사출종말속도 수준에서 최대가속도를 약 33% 감소시키는 개선 효과를 얻을 수 있었다. 향후 추가적인 사출성능 향상을 위해서는 점화충격을 감소시킬 수 있는 점화기에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

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