알루미늄(Al) 금속연료 조성의 추진제를 이용한 무노즐 부스터 개발

본 연구에 사용된 시험모터의 형상 및 제원을 Fig. 3 및 Table 1에 나타내었다. 앞서 표현한 3가지 형태의 모터 성능을 비교하기 위해 추진제 길이를 모두 일치시켜 Basic Motor의 전체 길이는 9D, 추진제 길이는 7D로 제작되었다. 무노즐 부스터 경우 추진제 노즐형상의 길이 및 확대비는 일정히 유지하고, 세장비(L/D)의 변화를 주어 추진제 길이 변화에 따른 성능을 시험하였다. 적용된 L/D는 5, 6, 7, 9, 11, 13이며, 추진제 직경(D)은 64.2 mm이고, 추진제 포트 직경(D_p)는 26.5 mm, 추진제 출구 직경(D_e)는 47.7 mm로 모든 형상에서 일정하다. 또한, 노즐형상이 없는 Cylindrical Motor의 L/D는 9이며, 추진제 포트 직경은 무노즐 부스터와 같다. Table 1에서 9DC와 7DC는 각각 Cylindrical Motor와 Basic Motor의 추진제 길이를 의미한다.

Table 1.

Booster Dimensions.

점화기 조립체는 나선형으로 연소기 헤드에 결합되며, Y형 어댑터를 이용하여 착화기 체결 및 연소압력을 측정하였다. 점화 펠렛으로는 BKNO₃ II-B 6 g을 충전하여 사용하였다(Fig. 4).

연소시 추진제 그레인 내부에 흐르는 연소가스의 속도가 한계치를 넘으면 흐름속도가 더욱 빨라지면서 연소속도가 증가하는 침식연소가 발생되는데 L/D가 7 이상, A_p/A_t가 2~3 이하, A_b/A_p 가 70 이상이면 조건을 만족한다. 따라서, 본 시험에서 침식연소 발생을 만족시키는 시험조건은 L/D=9부터 해당된다. 여기서 A_P는 추진제 포트 면적, A_t는 노즐목 면적, A_b는 연소면적이다.

Fig. 4.

Igniter.

Fig. 5와 6은 본 시험에서 무노즐 부스터의 세장비별로 7, 9, 11, 13에 대해 측정된 P-t(압력-시간)와 T-t(추력-시간) 선도이다. 무노즐 부스터의 경우, Basic Motor와 달리 연소가 진행되면서 급격한 압력 감소가 발생되었는데, 추진제 그레인으로 형성된 노즐목이 연소에 의해 확장되어 발생된 것으로 판단된다. 또한, L/D=9에서는 연소후반 tail-off 구간에서 일정시간을 두고 점차적으로 감소하는 현상이 추가적으로 발생되었다. 이러한 현상은 침식연소에 의해 나타나는 현상으로, 침식연소가 발생되면 연소가스 유동속도의 증가가 추진제 그레인의 연소속도를 증가시켜 연소초기 정상적 예상압력보다 급격한 압력상승을 유발한다. 이로 인해 추진제 후방으로 갈수록 연소속도가 빨라져 추진제 전방보다 후방이 먼저 연소되고, 남은 전방의 추진제가 연소하면서 점차적으로 압력이 감소되는 현상이 발생되는 것이다. 그러나, 세장비(L/D)가 커짐에 따라 이 현상이 점차 감소되는 것을 볼 수 있는데, 이는 높아진 평균압력에 의해 연소속도가 빨라져 침식연소가 발생되는 조건을 벗어나기 때문인 것으로 판단된다[8].

Fig. 5.

Pressure history for nozzleless booster at all conditions.

Fig. 6.

Thrust history for nozzleless booster at all conditions.

추진제 길이에 대한 효과로는 세장비(L/D)가 7인 경우를 제외하고, 세장비(L/D)가 증가함에 따라 추진제 그레인의 연소면적이 증가하면서 평균압력이 증가하게 되고, 이로 인해 연소시간은 점점 감소하였으며, 증가되는 연소면적과 노즐 형상에 의해 추력은 연소후반까지 계속적으로 증가하였다[5,6]. 또한, P_max로부터 연소가 종료된 tail-off 시점까지의 시간에 따른 압력변화를 분석해본 결과, L/D=7, 9, 11, 13에 대해 각각 감소하는 압력기울기가 147, 421, 634, 1010 psi/sec로 나타났다. 이로부터, L/D=7인 경우는 다른 조건과 달리 평균압력보다 낮은 압력감소가 발생되었고, 추력 또한 연소시간 동안 일정하게 유지되었다.

Fig. 4와 5에 L/D=5, 6에 대한 결과는 제외되어 있는데, 연소시 연소불안정이 발생되어 같은 그래프 상에 도시할 수 없었다. Fig. 6은 L/D=5, Fig. 7은 L/D=6에 대한 압력과 추력선도를 보여주는데, L/D가 5인 경우는 연소 전 영역에서 10 Hz의 진동이, L/D가 6인 경우는 연소 후반에 연소불안정이 발생되었다. 이와 같은 현상은 Gany, Nahon, Farinassio[5-8] 등 여러 문헌에서도 보고되었는데 챔버 크기가 작거나 챔버 압력이 낮은 경우 발생되는 L* instability로 판단된다[11-13]. L*(특성길이)는 추진제 포트 부피와 노즐목 면적과의 관계로써 결국 챔버 길이로 표현된다.

Fig. 7.

Pressure/Thrust history for nozzleless booster at L/D=5.

Fig. 8.

Pressure/Thrust history for nozzleless booster at L/D=6.

본 연구에서는 L/D가 7인 경우 연소불안정이 발생되지 않는 결과로 보아 알루미늄 조성에서는 챔버길이 400 mm 이하에서 발생된다고 볼 수 있다. 여기서 V_c는 챔버의 부피이다.

시험을 통해 확보된 데이터를 토대로 물리변수와 성능변수에 따라 성능을 분석하였다. 물리변수로는 추진제 무게 및 연소관 길이(L/D), 성능변수로는 최대/평균 압력, 최대/평균 추력, 총역적, 비추력 등으로 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Test motor performance.

D_p는 보어 직경(추진제 포트 직경), WF는 Web Fraction, m은 추진제 무게, t는 연소시간, P_max는 최대 압력, P_ave는 평균 압력, T_max는 최대 추력, T_ave는 평균 추력, I_t는 총역적, I_sp는 비추력을 의미한다. Classical Motor는 HTPB/ Reduced-smoke, 나머지는 HTPB/Al 추진제이고, 모든 모터의 노즐형상은 일치한다. 앞서 언급한 바와 같이 무노즐 부스터의 L/D=5, 6의 경우 연소불안정으로 인해 데이터 분석에서 제외시켰다.

2.2.3.1 Basic Motor(7DC) vs. 무노즐 부스터(7D, 9D) & Cylindrical Motor(9DC)

앞서 Fig. 1에 언급된 성능을 확인하기 위해 L/D=7과 9의 무노즐 부스터와 Cylindrical Motor의 성능을 Basic Motor의 성능으로 일반화시켰다(Fig. 9).

Fig. 9.

Nozzleless booster (L/D=7 & 9) and cylindrical motor (L/D=9) performances normalized by basic motor those.

무노즐 부스터는 후방 추진제 그레인이 노즐형상을 갖기 때문에 L/D=7의 경우 같은 길이의 추진제가 충전되어 있더라도 Basic Motor와 비교하여 적은 양이 충전되고, 내부 연소면적이 작으며, 추진제 연소에 의한 노즐목의 변화로 연소압력 변화가 적어 모든 성능이 낮게 나타났다. L/D=9의 무노즐 부스터는 노즐 구성품 대신 추진제가 충전되어 무게가 약 30% 증가하였으나, 노즐목의 부재로 평균압력이 Basic Motor와 비교하여 30%로 낮아 성능이 낮게 나타났다. 총역적은 95% 수준으로 거의 근접했지만 추진제 무게로 인하여 비추력은 75%로 나타났다. 이로부터 같은 조성의 추진제를 사용할 경우, 노즐의 부재로 인하여 그 길이만큼 추진제로 채운다 하더라도 Basic Motor 대비 무노즐 부스터의 비추력은 약 25% 정도 감소됨을 알 수 있었다.

L/D=9인 Cylindrical Motor는 연소관 후방 추진제 그레인이 노즐 형상이 아닌 실린더 형태이기 때문에 그 차이만큼 추진제의 충전량이 증가하여 L/D=9인 무노즐 부스터보다 추진제의 무게가 증가했고 연소면적이 추진제 끝단까지 확장되어 무노즐 부스터보다 증가했다. 그러나, Basic Motor와 비교하여 노즐목의 부재로 평균압력이 43%로 낮아 성능이 낮게 나타났고 총역적은 대등하나 추진제 무게로 인하여 비추력은 약 25% 정도 감소되어 L/D=9인 무노즐 부스터와 동등하게 나타났다.

2.2.3.2 무노즐 부스터(9D, 11D) & Cylindrical Motor (9DC)

Cylindrical Motor(9D)와 무노즐 부스터(9D)는 같은 추진제 길이를 갖지만 전자는 추진제 그레인이 실린더형으로 연소관 끝단까지, 후자는 연소관 후방이 노즐 형상인 차이를 갖는다. 무노즐 부스터는 비록 연소가 진행됨에 따라 추진제로 이루어진 노즐목 직경이 변하지만 노즐 확대부를 갖고 있기에 압력차가 발생되어 운동에너지로 변환되기 때문에, 노즐목이 없는 Cylindrical Motor보다 압력, 추력 등 성능에서 높을 것으로 예측되었다. 그러나, Fig. 9에 도시된 결과처럼 Cylindrical Motor가 약간 높은 성능을 갖는 것으로 나타났고, 이를 분석해보기 위해 Fig. 10, 11처럼 두 모터에 대한 압력 및 추력 선도를 비교해보았다.

Fig. 10.

Pressure history comparison of cylindrical motor to nozzleless booster at L/D=9.

Fig. 11.

Thrust history comparison of cylindrical motor to nozzleless booster at L/D=9.

Fig. 10은 압력선도로 연소초기 Cylindrical Motor가 무노즐 부스터에 비해 연소면적이 커서 최대 및 평균 압력이 크게 나타났지만, 연소 후반으로 갈수록 그 간격이 점차 줄어들었고, 무노즐 부스터의 경우 Sliver로 인한 연소 종료 후 남은 추진제가 연소하는 현상이 계측되었다. 추력의 경우, 연소초기 발생된 압력차보다 적은 추력차가 발생되었고, 연소후방으로 갈수록 점점 더 차이가 벌어지게 나타났다. 추력은 압력에 비례하기 때문에 두 모터의 압력차가 클수록 추력차도 크게 나타나야 하지만 압력선도와 반대의 현상이 발생되었다. 앞서 예측한대로, 무노즐부스터에 추진제로 형성된 노즐 확대부의 압력차에 의해 열에너지가 운동에너지로 변환되어 초기 연소시에는 추력차가 적었지만, 연소 후반으로 진행될수록 연소에 의해 추진제로 형성된 무노즐 부스터의 노즐형상이 연소에 의해 사라져 추력차가 점점 증가된 것으로 판단된다. 이로부터 압력차에 의한 추력차 보상은 노즐 확대비에 지배적일 것으로 판단되어, 이 후 추가 시험을 통해 노즐 확대비에 의한 효과를 확인할 예정이다.

Cylindrical Motor의 총역적이 무노즐 부스터보다 약 3.7% 정도 높게 나타났지만, 충전된 추진제 양이 약 6.2% 더 충전되어 결과적으로 비추력은 무노즐 부스터가 약 2% 높게 나타나 무노즐 부스터의 성능이 향상된 것으로 나타났다.

Fig. 12와 13은 L/D=9인 Cylindrical Motor와 L/D=11의 무노즐 부스터에 대한 압력 및 추력선도를 보여준다. 무노즐 부스터의 노즐목 이후를 제외한 연소면적은 Cylindrical Motor와 일치하여 앞서 비교한 결과와 다르게 두 모터의 압력차는 일정하게 나타났고, 추진제 충전량의 차이로 총역적은 크게 차이났으나, 추력 형상은 같은 경향성을 보여주었다. L/D=11의 무노즐 부스터의 추진제 충전량은 23%, 총역적은 27% 크게 나타났고, 비추력은 약 3%의 차이가 나타났다.

Fig. 12.

Pressure history comparison of cylindrical motor at L/D=9 to nozzleless booster at L/D=11.

Fig. 13.

Thrust history comparison of cylindrical motor at L/D=9 to nozzleless booster at L/D=11.

2.2.3.3 Length Effect

무노즐 부스터의 길이 변화에 대한 특성을 알아보기 위해 최대/평균 압력과 최대/평균 추력을 일반화시켜 비교해 보았다. Fig. 14는 길이가 증가함에 따라 증가된 연소면적만큼 성능이 증가하는지를 알아보기 위해 각 길이별 연소면적으로 일반화시킨 결과를 보여준다.

Fig. 14.

Performance variations of nozzleless booster normalized by its combustion area as a function of booster length increase.

또한, 각 데이터들의 linear fit 결과, 압력보다 추력에서 높은 기울기를 보였고 성능 인자인 P_ave/P_max에 대한 기울기 비가 0.6으로 나타났다. 따라서, 기울기 비가 1보다 작기 때문에 L/D가 증가함에 따라 P_ave/P_max의 차이는 더욱 커질 것이다. 그러나, T_ave/T_max는 1.18로 1보다 크게 나타났기 때문에 L/D가 증가함에 따라 간격은 더욱 줄어들 것이다.

2.2.3.4 Performance Comparison

본 시험에서 획득한 모든 데이터를 통해 같은 추진제 조성의 Basic Motor와 노즐을 장착한 Classical Motor에 대해 동등 이상의 성능을 갖기 위한 무노즐 부스터의 조건을 예측해보았다. Fig. 15는 같은 추진제 조성으로 모든 형상이 같지만 노즐을 장착한 Basic Motor, Fig. 16은 HTPB/Reduced smoke 조성으로 Basic Motor의 형상과 일치하고 노즐을 장착한 Classical Motor, Fig. 17은 HTPB/Reduced smoke 조성으로 추진제 그레인이 스타형이며 노즐을 장착한 Classical Motor를 나타내며 무노즐 부스터의 성능을 각 모터의 성능으로 일반화하여 도시하였다.

Fig. 15.

Performance comparison of nozzleless booster with basic motor (L/D=7).

Fig. 16.

Performance comparison of nozzleless booster with classical motor(L/D=7, HTPB/Reduced smoke, cylinder shape).

Fig. 17.

Performance comparison of nozzleless booster with classical motor(L/D=14, HTPB/Reduced smoke, star shape).

무노즐 부스터와 같은 조성으로 노즐이 장착된 Basic Motor와의 비교 결과, 비추력을 제외한 모든 성능을 만족시키기 위해서는 L/D=15 이상이 되어야 하지만 비추력은 만족시키지 못한다. 최대/평균 압력 및 연소시간은 일치하고, 평균추력이 약 2.1배 증가하여 총 역적이 향상되지만, 추진제 충전량이 약 2.3배 이상 필요하므로 전체 추진기관 무게의 증가가 발생될 것이다. 또한, Gany[7] 등은 무노즐 부스터의 비추력은 같은 평균압력내에서 일반 부스터와 비교시 약 86%의 비추력을 갖는다고 제시하였는데, L/D=14의 결과를 보면, 비추력이 대략 85%로 같은 결과가 나옴을 알 수 있다.

HTPB/Reduced smoke 조성으로 노즐이 장착된 Classical Motor와 비교 결과, 같은 L/D=7인 조건에서 성능이 만족함을 알 수 있다. 추진제에 금속연료가 함유되지 않아 발생된 결과로 판단된다(Fig. 16).

일반적으로 널리 사용되는 70 mm급 HTPB/ Reduced smoke 조성의 Classical Motor와의 비교 결과 L/D=14 이상에서 비추력을 제외한 모든 성능이 동일 이상으로 나타났다. 추진제 충전량과 평균압력은 비슷하지만, 최대 압력이 2배가 넘기 때문에, 연소관의 구조적인 보강이 필요할 것이다(Fig. 17).