발간 현황

본 실험에 적용된 혼합형 Inert 추진제 조성은 HTPB 활성 추진제 특성을 확인하기 위해 HTPB 바인더를 사용하여 가소제(DOA, Dioctyl Adipate), 경화제(IPDI, Isoporon Disocyanate), 촉매제(TPB; Tetraphenylborate, MA; Maleic Acid)와 함께 산화제 대신 KCl, CaCO₃를 첨가하였으며, 본 논제에 벗어나지 않는 범위에서 Non-Scale화 하였다.

추진제의 제조는 온습도 환경조건 조절이 가능한 공실에서 Fig. 1의 300갤런 Mixer를 통해 Size 230x165x40(mm) 크기로 수량 8개의 개별 Box형태로 제조되어 경화 room에서 10일간 경화되었다. 혼화효율(Mixing Efficiency)은 서로 다른 물질들을 가장 빠른 시간에 균질 분포(Packing Ratio)하는데 있다. 혼화공정은, 우선 비반응/안정화 물질들을 혼화하는 Pre-Mixing과정을 거쳐 AP 및 경화제를 투입한다.

Fig. 1 
300 Gal Mixer in LIGNex1.

여기서 조성 비율 1% 미만의 기계특성 개선 결합제, 노화특성 향상을 위한 산화방지제, 연소속도 조절을 위한 연소촉매 및 경화제 & 경화촉매제의 균등 분포는 매우 중요하다. 특히 최종적으로 투입되는 경화제와 경화촉매제는 점도상승의 함수이므로 가장 짧은 시간에 균일하게 분포되도록 하는 것이 제일 중요하다. 연소촉매는 내탄도 특성을 지배하는 연소속도에 영향을 주지만 근본적으로는 AP 입자크기에 종속된다.

상기에서 언급한 미세량의 조성들 중 연소촉매제를 제외한 모든 첨가제들이 기계 물성을 형성하는 지배인자로 작용을 하므로 혼화효율은 매우 중요하다. 혼화상태의 효율성을 확인하기 위하여, 300갤런 전체량을 시편 Box로 받기에는 너무 많으므로, 상, 중, 하로 구분하여 순차적으로 시편Box를 준비하였다.

혼합형 고체 추진제는 Fig. 2와 같이 온도와 변형 속도에 따라 물성거동이 변화되지만, 또한 화학적 변화에 의해 시간이 경과됨에 따라 노화가 진행되어 취성화 또는 연성화 되기도 한다. HTPB 계열 추진제는 일반적으로 경화되는 노화특성을 보이는 것으로 알려져 있다. 이는 추진제 그레인의 취성화로 이어져 균열 및 접착성 저하와 같은 문제를 발생시키므로, 추진제의 기계적 특성을 파악하는 것은 매우 중요하다.

Fig. 2: 
Stress-Strain Curve of Typical Propellent.

Inert 추진제 Box 시료별, 물성, 온도, 속도와의 상관관계를 알아보기 위해 우선 크로스헤드 속도를 50 mm/min, 20℃ 조건에서 1~7번 Box No.를 부여하여 Fig. 3과 같은 아령형 JANNAF 일축인장시편을 채취하고 INSTRON社 UTM MODEL 5967을 이용하여 일축인장 시험을 진행하였다. Box No.별 기계물성 차이는 크게 없었으나, 추진제 물성편차의 상/하 영역을 고려하여 모듈러스값의 내림차순에 따라 취성(B: Brittle)과 연성(D: Ductile)으로 Table 1과 같이 분류 하였다.

Fig. 3 
JANNAF Specimen Type.

상기결과에 의하면, Box 간 모듈러스 편차는 ±9%이내이었고, 제작 일련순서와는 상관관계가 없는 것으로 나타났다.

3.3.3 내구성 시험(Endurance Test)

내구성 시험은 추진기관 내부의 환경조건에서 장시간에 걸친 추진제의 내부의 응력 및 변형상태를 모사하는 시험으로 추진제 내부 그레인의 응력과 변형에 대한 파단시간과의 관계를 확인하는 시험이다.

본 시험에서는 Fig. 4와 같이 자체 제작 내구성 시험 장비를 사용하여, 20℃ 온도 조건에서 하중 및 변형을 부가하여 시간변화에 따른 응력 및 변형 상태를 확인하고, 60℃ 온도 조건에서 하중을 부가하여 시간에 따른 변형상태를 확인하였다.

Fig. 4 
Strain & Load Endurance Tester in LIGNex1.

장비의 검증을 위하여 별도로 준비된 Box No. 8로부터 채취한 JANNAF 시편을 Fig. 5와 같이 시험하였으며, INSTRON UTM장비와 비교하여 만족할 만한 결과를 얻었다. 따라서 계획된 Table 3에 의거하여 응력이완 시험과 온도 속도 시험을 통한 Master 곡선을 구하고 이를 확장하여, 장시간 물성거동 반응 고찰을 위해 Table 4와 같이 계획하였다. 즉 기존 시험방법은 Go-NoGo 방식의 60일 이상 유지하는 추진제 강도와 신장력(Elongation Capability)을 찾고 있으나, 본 연구에 적용된 내구성시험장비는 하중과 변위 측정이 가능하므로 점진적 시험방법인 6구간(2, 5, 12, 30, 45, 60일)으로 시험을 기획하고 파단까지의 거동을 분석하였다.

Fig. 5 
Verification Test of Endurance Tester.

Table 4. 
Time Schedule for Endurance Load & Strain.

Specimen		1	2	3	4	5	6
Failure Time @20℃	Days	2	5	12	30	45	60
	Log(t/aT)	3.46	3.86	4.24	4.64	4.81	4.94
σConst. (bar)		σ2days	σ5days	σ12days	σ30days	σ45days	σ∞
εconst. (%)		ε2days	ε5days	ε12days	ε30days	ε45days	ε∞

선형 점탄성재료 특성을 표현하는 다양한 수식이 있으나, Prony series가 널리 사용되고 있다.

여기서 E_e는 탄성 모듈러스, E_g는 유리화 모듈러스 및 n은 Log-Log 좌표상의 기울기이며, D는 Compliance이다. 이를 측정하는 기법 중의 하나가 일축 응력완화 시험으로서 2% Pre-strain에 따른 결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 6 
Modulus Curves of Various Temp. & Rate.

이를 Time-Temp. Shaft Factor로 보정하여 일치 선으로 만들면, Fig. 7과 같은 Master Curve가 된다.

Fig. 7 
Relaxation Modulus Master Curve.

고체 추진제의 점탄성 특성은 Fig. 8과 같이 외부하중이 부가되면 모듈러스에 의해 인장과 이완을 동시에 한다. 이를 취급하기 편리하게 사용하기 위하여 Eq. 8, 9를 수정된 멱급수로 표현하면 다음과 같다.

Fig. 8 
Graphical representation of the concept of convolution[4].

다양한 온도하에서 일정변형률 속도의 추진제 인장은 Fig. 9와 같은 기계적 거동을 나타낸다. 고체 추진제 일축인장 거동은 온도와 변형속도에 종속되는 점탄성 특성에 의해 인장강도와 변형률이 다르게 나타난다.

Fig. 9 
Typical Behavior of Strain-Stress.

Fig. 10은 기계물성 중 최대인장강도, S_m을 Master화 한 것이다. Fig. 10-a)와 같이 혼돈된 값들이 Log-Log 과정을 거치면서 일직선화 되는 것을 알 수 있다. 특이사항은 Fig. 10-d)에서 Normal [t/a_T] -Normal 좌표를 통해 모든 물성치가 매우 짧은 시간에 몰려 있는 현상을 볼 수 있다.

Fig. 10 
Maximum Strength with Various Time Scale, a) Normal-Normal, b) Log-Log, c) Log[t/aT]-Log, d) Normal[t/aT]-Normal.

물론 Log 좌표계의 특징이긴 하지만, 실제로 추진기관은 Curing 직후 급속 냉각 이외에는 짧은 시간의 환경에 경험하는 일은 거의 없다. 단, 공중발사 추진기관인 경우 급격한 고도 상승에 따른 저온 온도충격 반복하중이 발생될 수도 있을 것이다. 동일한 방법으로 Initial 모듈러스와 e_m(Elongation at S_m)의 Master Curve를 구하면 Fig. 11과 같다. 여기서의 문제는 e_m과 e_b(Break Elongation)에 대하여 온도-시간 이송 계수를 응력이나 탄성계수로부터 구한 것을 적용한다는 것이다. Fig. 11에서 변형률은 온도에 대하여 랜덤하게 나타내는 특성이 있음을 알 수 있다.

Fig. 11 
Master Curves of Uniaxial Tensile Test.

Fig. 12는 고체 추진제 시험분야에서 자주 표현하는 Failure Envelop이다.

Fig. 12 
Two Dimensional Failure Envelop(S_m-e_m, S_m-e_b).

Fig. 12에 나타낸 Failure Envelop을 이해하기 위하여 시간 축을 갖는 3차원으로 표현하면 Fig. 13과 같다. 흥미로운 것은 Log-Log 좌표 상에서 시간에 따라 최대강도, S_m은 선형적, E₀는 2차 곡선, e_m은 랜덤한 특성을 나타내며, 그 이유는 인장 후 내부 손상 및 파괴과정에서 나타나는 폴리머 AP와의 Dewetting, Vacuole 및 체인 절단 등의 형성에 따른 비선형특성에 기인된다고 알려져 있다.

Fig. 13 
Three Dimensional Space of Failure Envelope.

2% 응력이완 모듈러스에 일축인장 초기 모듈러스 선분을 중첩하면 Fig. 14와 같이 거의 일치한다. 또한 각각의 Time-Temperature Shift Factor를 중첩하면 Fig. 15와 같이 유사하다. 순서로는 20℃를 기준으로 저온은 E₀ > S_m > E_rel, 고온은 S_m > E₀ > E_rel이다. 이는 변위률 순서로 판단되며, 점탄성 특성상 변형이 작거나 저온인 경우 건전하게 스프링 강성만 남는 것으로 설명가능하다.

Fig. 14 
Comparison between Relaxation & Initial Modulus, and T-t Shifting Factor from S_m, E₀, E_rel.

Fig. 15 
Extension to Long Time Storage of S_m - σ_F and e_m - ε_rr.

20℃에서 60일 이상 견디는 응력(σ_∞)과 변형률(ε_∞)을 산출하였으며, 이를 Master Curve에 적용 후 내삽하여 3.3.3 절에서 계획된 6개의 시간에 해당되는 상온(20℃) 응력과 변형률을 Table 5와 같이 계산하고 고온(60℃)에서 실험하였다. 이는 a_T를 적용하여 60℃에서 시간이 단축되는가를 파악하는 시험으로서 Fig. 15에 중첩하였다. 여기서 적용한 aT는 Fig. 14의 Shifting-Factor Sm @ 60℃ 값인 –0,784를 사용하였다.

실험 결과를 검토하면, Relaxation(σ∞) 시험의 경우, 상온 20℃하에서 60일은 고온 60℃에서 9.8일로 예측되었으나, 실제로는 1.8일 만에 파단 되었고, Creep(ε_∞)시험에서는 예측된 Strain에서 모두 파단 되어 더 낮은 값에 대하여 실험하여 60일 유지 Strain 값을 기준으로 백분율 4%가 작은 Strain 값에서 30일을 유지하였다.

Fig. 15의 Master 선도와 중첩하면 큰 차이가 없어 보이나, Fig. 16과 같이 장시간 영역부위에서 비교하면 무시하지 못하는 현상이 발생됨을 알 수 있다.

Fig. 16 
Comparison of Long Time Sm Properties.

추진제의 기계적 물성은 파괴역학이나 반복하중 선도(S-N 곡선)와 같이 Log-Log 좌표로 정리하여야 하는 특성이 있어 규명하기가 쉽지 않다.

이런 현상이 고유 특성에서 비롯된 것인지, 또는 Inert 추진제에 따른 특성인지, 아니면 열유변학적 단순성(Thermo-Rheological Simplicity)이 장시간의 크립이나 응력이완 현상에는 적용되지 않는 것인지는 계속 연구할 필요가 있다.