발간 현황

본 연구를 위한 추진제 제조에 있어 기본적인 조성은 산화제로 이성분 모드의 AP (200 ㎛, 9 ㎛)를 적용하였으며 함량비는 55:45% (b:F)로 고체 함량은 87-88% 사이에서 조절하였다. 그리고 금속연료는 Al과 Zr을 적용하였으며 함량은 CEA 프로그램을 이용한 추진제 성능계산 결과 및 Min 등의 선행 연구 결과를 참고하여 23~32%사이에서 조절하였다[8]. 사용된 Al 입자는 레이저 입도 분석 결과 28 ㎛와 10 ㎛를 그리고 Zr입자는 35 ㎛와 13 ㎛의 평균 사이즈를 가진다. 입도분석에 사용된 장비는 Laser diffraction particle size analyzers (Model: LS 13 320, Beckman Coulter, Inc.)이다.

바인더는 HTPB 프리폴리머와 함께 연소촉매제인 Butacene (OH index 0.325 meq/g, Iron 8±0.5 wt%)을 5% 적용하였으며, 경화제로 IPDI (Isophorone diisocyanate)를 적용하였다. 그리고 나머지 가소제, 결합제, 노화방지제, 경화촉매 등의 첨가제를 3.34%가량 첨가하여 경화 당량비 0.85-0.82인 추진제를 제조하였다. 이들 원료는 정해진 순서에 의해 50-60oC로 온도가 조절되는 혼합기 (4 L)에서 진공 하에 혼화되었으며, 제조된 미경화 추진제는 온도가 일정하게 유지되는 오븐에서 50oC, 7일 동안 경화하여 제조하였다.

본 연구에 사용된 추진제 조성은 금속연료의 함량이 많고 바인더 및 연소촉매제로 사용되는 Butacene은 점도가 HTPB보다 7-8배 가량 높아서 제조되는 추진제의 점도가 높을 것이라 판단하였다. 추진제의 충전공정성 및 Pot life를 확인하기 위하여 혼합 공정이 끝난 후 각 시료의 점도 측정을 실시하였으며 점도 측정에 사용된 점도계는 Brookfield (Model : RVT Type) Viscometer이다. 점도 측정은 Spindle number 03, RPM 2.5의 조건에서 50oC 항온수조안에서 온도를 충분히 안정화시키기 위하여 경화제 투입 후 완전한 항온이 이루어지는 2시간 경과일 때부터 1시간 간격으로 총 3시간 동안의 점도변화를 확인하였다.

추진제의 연소속도는 혼합된 추진제를 온도가 일정하게 유지되는 항온오븐에서 50oC, 7일 동안 경화시킨 후 특정 길이의 궐련형 형상을 가진 Strand Burner용 시험시편을 제작하였다. 연소실의 실험 압력조건은 600-2500 psi범위에서 가압한 후 점화시켜 질소분위기 하에서 연소속도 및 압력지수를 측정하였다. 연소속도는 시편이 일정하게 유지되는 압력 하에서 연소되는 시간을 측정하여 연소된 길이를 시간으로 나누어 계산하였으며 계산식은 Vieille‘s Law로 아래와 같다.

여기서 r은 연소속도, α는 실험상수, P_C는 연소실 압력 및 n은 압력지수이다.

실험 전 Al과 Zr을 이용하여 금속연료 종류 및 함량에 따른 추진제의 이론적 성능을 CEA 프로그램으로 계산하여 밀도비추력(Solid 87%)을 비교하였다. Al의 함량이 높아질수록 비추력은 증가하는 경향을 나타내며 Threshold value가 약 23%로 그 이상이 되면 밀도비추력이 낮아지는 결과를 나타냈다.

금속연료에 따른 연소특성을 알아보기 위하여 동일한 조성을 가진 추진제에 Al과 Zr의 연소특성 및 Zr 사이즈에 대한 연소특성을 비교하였다. 금속의 함량은 Al을 함유하는 추진제의 밀도비추력 증가의 Threshold value인 23%로 적용하여 추진제를 제조하였으며 28 ㎛사이즈를 가지는 Al과 35 ㎛와 13 ㎛의 사이즈를 가지는 Zr을 사용하였다. Fig. 1은 금속연료에 따른 연소특성 결과를 나타낸 것으로 28 ㎛ Al을 함유하는 추진제의 경우 24 mm/s의 연소속도와 0.3721의 압력지수를 보였다. 그리고 35 ㎛ Zr을 함유하는 추진제는 31 mm/s의 연소속도와 0.3263의 압력지수를 나타냄으로서 Al을 함유하는 추진제와 비교하였을 때 연소속도가 30% 가량 증가하고 압력지수도 낮아졌음을 확인하였다.

Fig. 1 
Burning rate results on metal particles of 23% contents.

Min 등이 35 ㎛ Zr과 5 ㎛ Al를 함유하는 추진제의 연소특성 연구에서 각각 비슷한 연소특성을 나타내는 것을 확인하였으며 Al를 포함하는 추진제는 금속연료의 함량이 높아질수록 연소속도가 낮아지는 결과를 나타냈다[8]. 비록 완전히 동일한 사이즈를 가진 금속은 아니지만 28 ㎛ Al과 35 ㎛ Zr 추진제들의 연소속도를 비교하였을 때 Zr을 함유하는 추진제의 연소속도의 개선 효과가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였다. 하지만 나노 사이즈를 가지는 Al을 적용할 경우에는 연소속도가 급격하게 증가하는 것으로 알려져 있다[11]. 13 ㎛ Zr을 함유하는 추진제의 연소속도는 35 mm/s와 0.3282의 압력지수를 나타냄으로서 Zr금속의 입자 사이즈가 작을수록 연소속도는 증가하였다. 사이즈가 더 작은 수 마이크로 사이즈의 Zr을 함유하는 추진제의 경우 금속함량이 증가할수록 연소속도 증진 효과는 크게 나타나지만[12] 미세분말일 때 자연발화의 위험이 있어 운반 및 제조공정에 주의가 요구되어 대량적용에 어려움을 가진다.

일반적인 추진제와 비교하였을 때 부스터용 추진제는 밀도비추력을 높이기 위하여 금속의 함량이 높은 편이고 연소속도를 증가시키기 위하여 Fine한 AP와 금속연료가 도입되는 경우가 많다. 그래서 충전공정의 안정성을 확보하기 위하여 점도특성의 확인이 중요하다. 점도특성은 경화제 투입 후 총 4시간 동안의 점도 변화로서 Fig. 2에 나타내었으며 금속연료의 입도에 따른 점도특성을 확인하였다. 입도 사이즈가 가장 작은 13 ㎛ Zr을 함유하는 추진제가 가장 많이 증가하였으며 경화제 투입 후 4시간이 지난 후에 13 kP의 점도를 나타냈다. 35 ㎛ Zr과 28 ㎛ Al을 함유하는 추진제들은 4시간 후 각각 9 kP와 8 kP의 점도특성을 보여 28 ㎛이 입도가 작음에도 불구하고 35 ㎛의 입도를 가진 추진제의 고체 충전분율(packing fraction)이 상대적으로 낮아 점도가 오히려 높은 값을 보이는 것으로 판단된다.

Fig. 2 
Viscosity properties on metal particles of 23% contents.

일반적으로 Al은 연소하면서 산화되어 Al₂O₃ (101.96 g/mol)가 형성되지만 Al의 함량이 증가할수록 추진제의 연소 시 화염온도의 증가율이 Al₂O₃의 증가율보다 높아 비추력이 증가하는 것으로 알려져 있다. 반대로 Zr은 높은 밀도로 인하여 밀도비추력은 증가하지만 Al보다 매우 낮은 화염온도 증가율을 가지며 연소 시 생성되는 ZrO₂ (123 g/mol)의 증가영향이 화염온도보다 높아 Zr이 증가할수록 비추력은 낮아지는 결과를 보인다고 알려져 있다[12]. 또한 Zr을 사용한 추진제의 성능을 CEA 프로그램으로 계산한 결과 threshold value가 약 40% 이상에서 나타나지만 추진제의 기계적인 물성특성도 고려해야 하므로 금속연료의 함량을 높이는데 제한이 따른다.

비추력에 기여하는 Al과 추진제의 밀도를 높이는데 기여하는 Zr의 각각 다른 함량비를 가진 3가지 종류의 추진제를 제조하여 연소특성을 비교 분석하였다. 전체 금속연료 함량은 선행 연구결과를 참고하여 32%로 적용하고 금속함량의 비율을 조절하였다[8]. Fig. 3은 28 ㎛ Al:35 ㎛ Zr의 함량비가 23:9, 6:26, 0:32로 제조된 추진제들의 연소특성 결과를 나타내었으며 Zr의 함량이 높을수록 연소속도는 증가하고 압력지수는 낮은 값을 보였다. 35 ㎛ Zr의 함량이 32%일 때 32 mm/s로 가장 높은 연소속도와 0.3077의 압력지수를 보였으며 3가지 종류의 추진제 모두 경화제 투입 후 4시간일 때 8-9 kP수준의 점도특성을 보였으며 Table 1에 정리하였다. 그리고 추진제의 밀도비추력을 비교하기 위하여 혼화 후 7일 동안 50oC 오븐에서 경화된 추진제의 밀도를 측정하였으며 Table 1에 결과 값을 정리하였다. 밀도가 큰 Zr의 함량이 증가할수록 추진제 밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 이 값을 이용하여 CEA 프로그램으로 계산된 이론적인 비추력에 측정된 밀도 값을 적용하여 밀도비추력을 계산하였다. 밀도비추력은 Fig. 4에 나타냈으며 Zr의 함량이 증가할수록 비추력이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. Al:Zr의 함량비가 6:26일 때 가장 높은 밀도비추력을 나타냄으로서 비추력 증가에 기여하는 Al 금속이 같이 적용되어야 추진제의 성능이 높아질 수 있음을 확인하였다. 또한 Al의 도입 함량이 Zr의 함량보다 낮음에도 불구하고 가장 높은 밀도비추력을 나타냄으로서 비추력보다 밀도가 밀도비추력에 대한 기여도가 더 큰 것을 알 수 있었다.

Fig. 3 
Burning rate results on ratio for contents of 28 Al:35 ㎛ Zr particles.

Fig. 4 
Calculation results of performance on ratio for contents of 28 ㎛ Al:35 ㎛ Zr particles.

일반적으로 혼합형 추진제의 경우 산화제 함량이 증가할수록 비추력은 증가하며 보통 80-90% (wt.%) 부근에서 최대의 비추력을 나타내게 된다. Zr만 적용된 추진제의 비추력을 높이기 위하여 산화제의 함량을 55% (Solid 87%)에서 58% (Solid 88%)로 조절하고 Zr의 금속연료의 함량도 32%에서 30%로 낮추어 추진제를 제조하여 연소특성을 확인하였으며 Table 2에 정리하였다. 고체함량 88%인 #2의 추진제의 연소속도 36 mm/s와 압력지수 0.3103을 나타냄으로서 #1과 비교하였을 때 연소속도가 17% 가량 증가하였음을 알 수 있다. 이것은 200 ㎛과 9 ㎛의 입도를 가진 산화제를 사용함으로써 금속연료의 함량이 줄어든 만큼 고체함량이 증가함에 따라 Fine한 입자의 AP가 소폭 증가하여 나타난 결과로 AP를 사용하는 추진제에서 일반적으로 나타나는 현상이다[13]. 또한 Fine한 AP가 증가함으로서 압력지수도 약간 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 마이크로 사이즈를 가진 Al의 입도에 대한 연소속도 증가는 보이지 않았으며 오히려 연소속도가 낮아지고 압력지수도 높아지는 결과를 보였다.