발간 현황

추진제 혼합은 1 Pint vertical planetary mixer를 사용하였으며, 국방과학연구소 추진기관 표준 작업 절차서, 추진제 혼합 절차에 따라 진행하였다. 프리폴리머는 PCP diol과 PCP triol을 적당한 비율로 사용하였으며, 가소제는 BTTN(Butanetriol trinitrate), TMETN(Trimethylol trinitrate)을 적절한 비율로 사용하였으며, 경화제는 우레탄 단일 경화시스템 형성을 위해 IPDI(Isophorone diisocyanate)를 적절히 사용하였으며 NCO/OH 당량비는 1.1로 동일하게 하였다. 혼합이 완료 된 후 해당 추진제는 50°C 오븐에서 일주일 동안 경화되었다.

추진제 연소속도 측정은 추진기관 표준 작업 절차서 연소속도 측정 방법에 따라 진행하였다. 추진제의 연소속도는 스트랜드 버너(Strand burner)에 의하여 MIL-STD-286B-T803.1 방법에 따라 측정하였다. 이 방법으로 추진제의 연소속도(r)는 압력 500, 1,000, 1,500, 2,000 psia에서 측정되었다. 최소 자승법을 이용하여 Eq. (3)의 계수 a와 압력지수 n을 구했다.

추진제의 이론적 성능 지표인 비추력과 화염온도는 NASA 프로그램 Chemical Equilibrium Application(CEA)을 이용하여 분석하였다.

널리 알려진 니트라민계 산화제 중 대표적인 HMX와 HNIW를 주 산화제로 사용하며, AP b(평균입도 200 μm)를 조 산화제로 사용하였을 때 연소특성 변화를 확인하고자 하였다. 해당 결과는 Fig. 1과 2에 각각 나타내었다. HNIW 기반 추진제와 HMX 기반 추진제는 단일 산화제로 HNIW, HMX 만 사용했을 때보다, 조 산화제로 AP를 함께 적용하였을 때, 비추력과 화염온도가 상승하는 것을 확인 할 수 있다. 또한, AP의 비율이 더 커질수록, 연소속도가 소폭 증가함과 함께 압력지수는 낮아짐을 확인 할 수 있었다.

Fig. 1 
Combustion properties of PCP propellants based on HMX.

Fig. 2 
Combustion properties of PCP propellants based on HNIW.

열역학적 특성을 보면, AP의 비율이 높아짐에 따라 비추력, 화염온도가 모두 상승함을 알 수 있다. 그리고 HNIW 기반 PCP 추진제는 전반적으로 HMX 기반 추진제 보다 비추력, 화염온도가 높다. 그 이유로는 HNIW의 생성열이 약 90 kcal/mol이며, HMX의 경우 약 18 kcal/mol이다[9]. 또한, HMX의 밀도는 약 1.90 g/cm³이며, HNIW의 밀도는 약 2.00 g/cm³이다. 이는, 추진제 내의 산화제가 고 밀도, 고충진율을 가진 추진제가 제조되면서 발생하는 열량이 HNIW가 훨씬 큼을 나타낸다. 또한, HMX와 달리 HNIW는 상대적으로 낮은 열적 안정성을 나타내며, HNIW의 화염구조가 HMX와는 상이한 형태로 오히려 HMX보단 AP와 유사한 화염구조를 가지고 있으며 이에 따른 연소 메카니즘의 차이를 가져와 더 빠른 연소속도를 나타낸다[10-12].

HNIW기반 PCP 추진제의 경우 화염온도가 HMX 기반 추진제에 비해, 화염온도가 2,800 K이상일 정도로 상대적으로 높게 나타났는데 이는 핀틀에 무리하게 열적 손상을 가할 가능성이 커, 상대적으로 화염온도가 낮은 HMX기반 PCP 추진제가 추력 제어용 추진제로 적합한 것으로 평가되었다.

AP 입자 크기 및 함량에 따른 추진제 연소 특성을 확인하기 위해 PCP 바인더 내 주 산화제는 HMX 기반으로 사용하였다. 그리고 조 산화제로 입도가 서로 다른 AP b(평균입도 200 μm)와 AP F(평균입도 6 μm)를 사용하였다. 추진제 조성에 대한 연소 특성 자료는 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3 
Combustion properties of PCP propellants according to Solid content change.

입자 사이즈가 큰 AP를 사용하였을 경우(AP b), 작은 입자의 AP(AP F)를 사용하였을 때보다 낮은 연소속도와 높은 압력지수를 보였다. 특히, AP b 20 wt%와 AP F 20 wt%의 연소속도는 각각 4.92 mm/s와 7.78 mm/s로 약 3 mm/s 정도 차이가 난다.

압력지수도 AP F를 적용할 경우 0.8735에서 0.7607로 약 0.1 정도 감소하는 것을 파악할 수 있다. 이는 AP 입자의 크기가 작을수록 더욱 더 연소속도와 압력지수에 미치는 영향이 크다는 것을 확인할 수 있었다.

고체 함량의 변화에 따른 추진제의 연소특성을 파악해보고자 하였다. 고체 함량을 60 wt% 부터 76 wt% 까지 증가시켜 추진제 제조 실험을 실시하였다.

여기서, HMX와 AP 의 비율은 고정하여 실험을 진행하였으며 AP는 AP F를 사용하였다. 해당 결과는 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4 
Combustion properties according to particle size of AP and AP content.

고체 함량이 많아짐에 따라 연소속도가 점진적으로 상승하며, 압력지수도 소폭 감소함을 확인 할 수 있다. 또한, CEA를 통해 얻은 비추력과 화염온도를 보면, 점차 증가함을 확인 할 수 있다. 고체 함량이 늘어남에 따라 바인더 함량이 줄어들고, 상대적으로 AP의 함량이 증가하게 되는데, 이는 앞선 결과와 같음을 보여준다. 그리고 고체 함량이 많아짐에 따라 추진제의 점도도 점차 상승하게 된다. 고체 함량이 76 wt%에 달할 경우, 해당 추진제는 슬러리 상태에서 점도가 너무 높아 연소특성을 파악하기 위한 시편 제작이 불가능 하였다.

추진제 내 폴리머(PCP, po) 대비 BTTN/TMETN 가소제(pl)의 함량별(pl/po 비율) 연소 특성을 파악해보았다. 해당 실험의 조성과 결과는 Fig. 5에 나타내었다. 가소제의 양은 pl/po 비율로 정하게 되는데 이는, 가소제와 가소제를 제외한 바인더의 비율을 뜻한다. 가소제의 양이 많아질수록(pl/po 비율 증가) 연소속도가 증가하였고, 압력지수가 감소하는 것을 볼 수 있었다. 이는 고체 함량별 실험보다 훨씬 더 큰 수치 변화폭을 나타내었다. 또한, 화염온도와 비추력이 매우 큰 폭으로 상승하는 것을 확인할 수 있었다. 이는, 고에너지 작용기를 가진 BTTN과 TMETN의 영향으로서, 고체 함량 변화보다 더 큰 폭의 추진제 특성 변화를 보여주는 것으로 알려져 있다[9].

Fig. 5 
Combustion properties of PCP/HMX/AP propellants according to plasticizer content.

추진제 연소가스의 화염온도가 너무 높으면, 추력제어 시스템 내 핀틀의 소재로 고온, 고압에서의 높은 강도와 열충격 저항성을 갖는 유일한 소재인 레늄의 융점(3,180 ℃)을 초과할 수 있어, 핀틀이 녹을 수 있다[13]. 따라서, 화염온도가 너무 높지 않도록 가소제 양을 조절해야한다. 또한, 추진제 내 가소제의 양이 많아지면, 추진제-라이너 간 가소제의 이동이 일어날 확률이 커져, 추진제-라이너 접착 특성에 영향을 준다. 따라서 추진기관 내 추진제 성능 요구조건에 맞는 적절한 가소제 함량을 정해야 한다.

PCP/HMX/AP 추진제의 상온, 고온, 그리고 저온에서의 운용 가능성을 파악하기 위해, 추진제의 온도 민감 계수를 측정하였다. 서로 다른 온도조건(-40°C, 20°C, 50°C)에서, 저압 구간인 150 psia 부터 고압 구간인 2,500 psia까지 나누어 측정하였다. 다양한 온도와 압력에 따른 추진제의 연소 특성 자료는 Fig. 6에 나타내었다. 그리고 온도민감계수는 Eq. (4)를 통해 Table 1에 나타내었다.

Fig. 6 
Combustion properties of PCP/HMX/AP properties according to temperature and pressure.

Table 1의 자료를 보면, 압력이 높아질수록 온도민감계수, σ_p가 점점 감소하는 것을 볼 수 있다. 즉 압력이 높아질수록 추진제의 연소속도가 온도에 따라 크게 변하지 않는다는 것을 의미한다. 가장 높은 압력 조건인 2,500 psia에서 온도민감계수는 0.21%/°C로 나타났으며 반면, 150 psia에서는 온도민감계수가 0.49%/°C로 높게 나타났다. 일반적인 HTPB/AP 추진제의 연소속도에 대한 온도민감계수가 1,000 psia에서 약 0.2%/℃ 인점을 고려하면, 본 PCP/Nitramine/AP 추진제의 온도민감계수는 다소 높다고 할 수가 있다. 하지만, 추력 제어 추진기관의 운용압력 범위는 일반 추진기관에 비해 광범위하기 때문에, 본 추진제의 추력 제어 추진기관 적용 가능성은 높다고 판단된다.