[논문]아마추어 소형로켓 점화기 성능 향상을 위한 실험적 연구

심주현; 임승빈; 박상섭; 박완주; 이진성; 최재원; 홍주현; 채재우

아마추어 소형로켓 점화기 성능 향상을 위한 실험적 연구
A Experimental Study for Improving Performance of Igniter for Amateur Small Rockets 원문보기

심주현 (인하대학교 로케트 연구회) , 임승빈 (인하대학교 로케트 연구회) , 박상섭 (인하대학교 로케트 연구회) , 박완주 (인하대학교 로케트 연구회) , 이진성 (인하대학교 로케트 연구회) , 최재원 (인하대학교 로케트 연구회) , 홍주현 (인하대학교 로케트 연구회) , 채재우 (인하대학교 로케트 연구회)

현재 인하 로케트 연구회에서는 소형 로켓 모터 점화를 위해 흑색화약 및 PVA수지를 혼합하여 점화기를 제작하고 있다. 하지만 제작 과정의 모호함으로 인해 그 성능이 일정하지 않아, 점화기로서 부족한 점으로 지적되고 있다. 따라서 흑색화약 및 PVA수지의 혼합비에 따른 연소 특성을 파악하여 추진제 점화기 요구 조건 충족 조건을 실험적으로 확인하였다. 특히 추진제 점화기의 요구 조건인 추진제 점화 온도 및 안정 연소 압력 조성에 대하여 중점적으로 다루었으며, 산화제와 연소 촉매의 비율에 따른 연소 가스의 온도 및 압력 변화를 통해 그 경향성을 알 수 있었다.

Inha Rocket Research Institute has made the igniter that is combination of black powder and PVA polymer for ignition small rocket. But recent igniter is not satisfy because of the performance of igniter is not identified. So, we confirmed requirement of igniter by comparing of ratio of black powder and PVA through experimental method. Especially we studied with ignition temperature for propellant and stable combustion pressure that is requirements of propellant. We can know the tendency of combustion properties by ratio of oxidizer and combustion catalyst through changing of temperature and pressure of exhaust gas of igniter.

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문제 정의

이와 같이 점화 실패로 인한 발사 지연 사례가 자주 발생하였으며, 엔진 점화 여부를 정확히 알 수 없어 발사장에 접근하지 못하는 위험한 상황도 종종 발생하였다. 따라서 본 로케트 연구회에서는 기존 점화기의 신뢰도 향상을 위한 성능 개선을 위해 점화기 조성물의 성분 조성에 따른 연소특성에 대해 실험을 통해 확인하였다.
본 연구를 통해 흑색화약과 PVA와의 혼합 비율에 따른 점화기 연소 특성을 살펴보았다. 우선 산화제의 비율이 높아짐에 따라 연소가스의 온도가 낮아지는 것은 산화제인 KNO₃와 PVA의 분해에너지로 인한 것으로 판단된다.

제안 방법

2와 같은 실험 장치를 구성하였다. 연소 챔버내 용적은 인하 로케트 연구회 소형 로켓 모터의 Inner Volume과 동일하게 제작하였으며, 연소 가스의 온도를 이그나이터와의 거리 별로 측정하기 위해 K-type 써모커플을 3개 설치하였으며, 압력 센서는 초기 점화시기에 발생할 수 있는 동압의 영향을 최소화하기 위해 끝부분에 설치하였다. 압력 신호 및 온도 신호는 모두 NI사의 Daq보드를 통해 수집하였으며, 입력 전압은 DC 5V로 고정하여 수행하였다.
추진제 점화 온도는 온도를 약 800℃까지 올릴 수 있는 발열체를 사용하여 상온에서부터 추진제를 서서히 가열하면서 추진제의 표면온도를 측정하여 얻었으며, 온도 지시계와 추진제를 동시에 캠코더로 촬영하여 관찰하였다.

대상 데이터

연소 챔버내 용적은 인하 로케트 연구회 소형 로켓 모터의 Inner Volume과 동일하게 제작하였으며, 연소 가스의 온도를 이그나이터와의 거리 별로 측정하기 위해 K-type 써모커플을 3개 설치하였으며, 압력 센서는 초기 점화시기에 발생할 수 있는 동압의 영향을 최소화하기 위해 끝부분에 설치하였다. 압력 신호 및 온도 신호는 모두 NI사의 Daq보드를 통해 수집하였으며, 입력 전압은 DC 5V로 고정하여 수행하였다.
점화 화약의 조성은 흑색화약의 구성 성분인 질산칼륨(KNO₃), 목탄(C), 황(S)과 Binder 및 연료 역할을 하는 PVA로 구성하였다. 화약의 일정한 연소 특성을 구현하기 위해 Sieve Shaker를 이용해 특정 입자 크기의 시료만 사용하였으며, 그 입자 사이즈 및 조성은 각각 Table 2, 3과 같다.
), 목탄(C), 황(S)과 Binder 및 연료 역할을 하는 PVA로 구성하였다. 화약의 일정한 연소 특성을 구현하기 위해 Sieve Shaker를 이용해 특정 입자 크기의 시료만 사용하였으며, 그 입자 사이즈 및 조성은 각각 Table 2, 3과 같다.

성능/효과

산화제인 KNO₃의 비율 별 연소 가스 온도 및 압력의 변화를 비교해볼 때 산화제가 증가함에 따라 연소가스 온도가 대체적으로 감소하는 경향을 볼 수 있었다. 압력의 경우 모든 샘플들이 초기에 상승 후 감소하여 일정 값을 유지하는 형태를 가지고 있었다.
추진제의 점화 온도는 약 304℃ 이었으며, 추진제의 표면 온도는 발열체의 온도 상승보다 비교적 느린 속도로 증가하였으며, 점화 후 화염 온도는 약 1800℃까지 상승하였다. 304℃에서 점화 지연시간 없이 바로 연소가 되었으며, 발열체와의 온도차는 평균 364℃였다.
황(S)의 비율을 달리한 점화기의 경우 뚜렷한 경향성을 볼 수 없었지만, 11~13 wt% 구간에서 비교적 높은 온도의 연소가스를 얻을 수 있었다.

후속연구

또한 시간에 따른 연소가스의 온도 변화 그래프를 살펴보면 최대치 이후로 급격한 온도 감소가 나타나는데, 이는 연소기의 단열이 적절하게 이루어지지 않은 점에서 기인된다고 판단되며, 이를 보완하기 위해서는 연소기 내벽을 내열재로 교체해야 할 것이다. 그리고 추진제 점화 온도의 경우 외부 온도를 승온 상태가 아닌 정온 상태에서 점화가 이루어지는데 걸리는 시간을 측정하여 추진제가 열흡수 하는 속도를 통해 점화기가 일정 온도 이상을 유지 하는데 필요한 요구시간을 정확히 알 수 있을 것이다.
또한 시간에 따른 연소가스의 온도 변화 그래프를 살펴보면 최대치 이후로 급격한 온도 감소가 나타나는데, 이는 연소기의 단열이 적절하게 이루어지지 않은 점에서 기인된다고 판단되며, 이를 보완하기 위해서는 연소기 내벽을 내열재로 교체해야 할 것이다. 그리고 추진제 점화 온도의 경우 외부 온도를 승온 상태가 아닌 정온 상태에서 점화가 이루어지는데 걸리는 시간을 측정하여 추진제가 열흡수 하는 속도를 통해 점화기가 일정 온도 이상을 유지 하는데 필요한 요구시간을 정확히 알 수 있을 것이다.

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