편집위원회

추진제 원료의 기본 구성은 고체 입자인 산화제로 RDX 2종과 AP 2종 등 총 4종을 사용하였다. 평균 입도 25~60 ㎛의 RDX와 평균 입도 6.2 ㎛의 RDX를 총 합량을 44.0% 내에서 투입량을 조절하고, 평균 입도 60~80 ㎛ AP를 18.0%, 5~7 ㎛ AP를 7.0% 총 합량 25.0%를 사용하였다.(총 산화제 함량 : 69.0%) 연소 안정제 및 연소보조제를 2.8% 적용하였다. 나머지 PEG(Polyethylene Glycol) 프리폴리머에 가소제로 DEGDN(Diethyleneglycol Dinitrate) 및 BTTN(1,2,4-Butanetriol Trinitrate), 경화제로 N-100(Polyfunctional Aliphatic Isocyanate) 및 경화 촉매류를 포함하여 총 28.2% 사용하였다. 추진제의 경화 당량비는 1.15로 제조하였으며, 경화 시 열수축을 최소화하기 위해 50 ℃, 10일 간 경화를 진행하였다.

추진제에 사용된 큰 입자의 RDX는 레이저 입도 분석(Beckman Coulter社 LS 13 320)을 통해 측정된 평균 입도 별 4종을 적용하였다(Table 1.). 작은 입자의 RDX 또한 레이저 입도 분석을 통해 평균 입도를 측정하였으며, 동일한 평균 입도(7 ㎛)를 사용하였다.

큰 입자의 RDX와 작은 입자의 RDX의 함량을 조절하며 시험을 진행하였으며, RDX 2종을 제외한 나머지 원료들은 동일 함량 및 동일 Spec으로 투입하였다.

동일한 원료 투입 순서에 맞춰 추진제 혼화를 진행하였으며. 1G/L 수직형 혼화기로 1회에 3.0 kg의 추진제를 제작하였으며, 미경화 추진제 및 경화 추진제의 물성 분석을 진행하였다.

추진제의 점도는 혼화 공정이 완료된 직후에 50 ℃ 온도에서 Brookfield 점도계로 1시간 간격으로 경시적 변화를 측정하였다. 또한 경화가 완료된 추진제는 JANNAF 시편으로 제조하여 Universal Tensile Tester로 인장시험에 의해 얻어진 신율-응력 곡선을 해석하여 인장 강도를 획득하였다. 인장 시험 조건은 50 mm/min, 20 ℃에서 시험하였다. 경화된 추진제의 경도는 일반 고무 및 고체 추진제의 경도 측정에 사용되고 있는 Shore A형 경도계로 20 ℃에서 측정하였다. 추진제 연소 속도는 Strand Burner를 사용하여 1,500 psia에서 측정하였다.

추진제의 점도는 고체 입자인 산화제의 입자별 혼합 함량과 밀접한 관계가 있다. 동일한 산화제 함량을 적용한 추진제에서 점도는 고체 입자의 비표면적과 비례하는 것을 확인할 수 있으며, 전체 비표면적이 낮을수록 점도가 낮아진다. 혼화 공정이 완료된 추진제는 원하는 형태로 주조 공정에 의해 연소관에 충전이 된다. 이때 충전은 진공상태에서 추진제를 주입시키며, 추진제의 점도가 낮을수록 진공 충전 시 추진제 내부의 기공을 파열시키는데 유리하여 추진제 그레인 내부에 기공이나 균열과 같은 결함을 최대로 줄이기 위해 낮은 점도가 선호된다[6].

본 연구에서는 Table 2.에 나타낸 조성으로 추진제를 혼화하여 큰 입자와 작은 입자의 RDX 2종의 혼합 비율에 따라 나타나는 점도의 변화를 Fig. 1, 2에 도시하였다. 큰 입자의 RDX의 함량이 증가할수록, RDX의 평균 입도가 커질수록 점도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었다.

이러한 현상을 바탕으로 추진제 충전 공정 중 발생하는 기공 발생을 줄일 수 있으며, 이에 따른 추진기관 불량률을 감소시킬 것으로 기대할 수 있다.

Fig. 1  
Viscosity of propellants with different mixing ratio of RDX.

Fig. 2  
Viscosity of propellants with different particle size of RDX.

각 조건 별 혼화된 추진제를 경화한 후 추진제의 기계적 물성을 측정하였으며, 결과는 Table 3. 및 Fig. 3, 4에 명기하였다.

Fig. 3  
Stress of propellants with different particle size of RDX.

Fig. 4  
Strain of propellants with different particle size of RDX.

RDX의 혼합 비율 및 입자 크기에 따라 경화 추진제의 기계적 물성이 차이나는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 RDX 입도 별 혼합 비율의 차이에 따른 충진율의 변화로 유추할 수 있다. 충진율이 높은 추진제는 인장강도가 증가하는 반면, 연신율은 저하되는데 입도의 크기에 따른 충진율의 변화가 나타나는 것을 확인할 수 있다.

각 조건 별 추진제의 연소 속도는 1,500 psia, 20 ℃ 조건에서 연소 속도를 측정하였으며, 결과는 Fig. 5에 명기하였다.

Fig. 5  
Burning rate of propellants with different particle size of RDX.(@1,500 psia, 20 ℃).

RDX의 입도가 커질수록 연소 속도가 늦어지는 경향을 나타내었고, RDX의 혼합 비율에 따라 연소속도가 변하는 경향을 나타내었다. 이는 RDX의 비표면적의 차이에 따라 발생하는 현상으로 고체 산화제의 RDX의 비표면적에 추진제 연소 속도는 비례하는 경향을 나타낸다. 하지만 고체 산화제의 함량이 동일한 비율로 투입이 되었기 때문에 추진제의 성능을 나타내는 비추력과 밀도는 변하지 않아 성능상의 변화는 없을 것으로 판단이 된다.

적용 결과 RDX 입도에 따라 추진제의 연소 속도는 평균 입도가 약 10.0 ㎛가 작아질수록 약 0.3 mm/sec가 빨라지는 것으로 확인할 수 있으며, 동일 입도에서 RDX 함량이 약 5.0 wt%가 변화할수록 0.5 mm/sec가 변화하는 것을 확인할 수 있었다.