한국추진공학회 2011년도 추계학술대회 논문집 pp.85~91 2011 KSPE Fall Conference
* (주)한화 ** 국방과학연구소
*** 충남대학교 녹색에너지기술전문대학원 †교신저자, E-mail: [email protected]
Carbon Fabric을 삽입한 EPDM계 연소관 내열재 삭마 특성 연구
김진용* ․ 최지용* ․ 노태호* ․ 이원복* ․ 조원만* ․ 함희철** ․ 윤남균** ․ 이영우***†
Ablation Characteristic Study for Carbon Fabric/EPDM Chamber Insulation
Jinyong Kim* ․ Jiyong Choi* ․ Taeho Rho* ․ Wonbok Lee* ․ Wonman Cho* ․ Heecheol Ham** ․ Namgyun Yun** ․ Youngwoo Rhee***†
ABSTRACT
We developed carbon fabric/EPDM chamber insulation in order to protect motor case with high intensity gas flow. Six-inch simulation motor connected with extension tube was designed to test ablation characteristic of insulation. High intensity gas flow was induced by FRP disc with hole between motor and extension tube. After ground test, ablation depth of carbon fabric/EPDM insulation was decreased compared to another insulations after ground static test.
초 록
본 연구에서는 높은 강도의 가스흐름으로부터 연소실 내부를 보호하기 위하여 carbon fabric을 삽 입한 EPDM계 내열재를 개발하였다. 연소관 내열재의 삭마 특성을 시험하기 위하여 6-inch 모사모타 에 extension tube를 연결하였고, 모타와 extension tube 사이에 구멍이 있는 FRP를 삽입하여 추진제 연소시 높은 강도의 가스흐름을 유도하였다. 결과적으로 연소시험후 carbon fabric/EPDM 연소관 내 열재의 삭마량은 다른 연소관 내열재들에 비해 감소하는 것으로 확인되었다.
Key Words: Carbon Fabric(탄소직물), EPDM(Ethylene-propylene diene Termonomer), High Intensity Gas Flow(고강도 가스흐름), Ablation(삭마)
1. 서 론
고체 로켓 추진기관에서의 연소관 내열재는
일차적으로 추진제 연소시 발생되는 높은 온도 의 연소가스에 대하여 연소관을 보호하는 역할 을 한다. 연소관 내열재는 원하지 않는 특정 추 진제 그레인 표면에 불이 붙는 것과 추진제로 연소관 응력이 전이되는 것을 방지해주며, 모타 안에서 화학종들의 이동과 연소생성물의 충돌을 막아준다. 그리고 고온의 연소가스로부터 손상과
압력손실을 방지하기 위하여 연소관의 기밀을 유지하며, 노즐로 연소가스를 분출시켜 추력을 발생시킨다. 추진기관내 추진제 연소시 연소관 내열재는 Fig. 1과 같이 표면에서부터 삭마가 진 행되는데 화학적/물리적 영향에 기반을 두고 있 다. 화학적인 영향은 추진제 연소가스와 액체 입 자에 의한 숯층 성분의 표면화학반응과 숯 영역 과 분해 영역에서의 열분해 반응이 진행되는 것 이다. 물리적인 영향은 표면마찰에 의한 전단응 력과 입자충돌에 기인한 표면침식, 열전달에 의 한 열응력, 숯층과 분해 영역의 기계적/열적 응 력에 기인한 표면층약화에 의한 것이다. 이는 열 분해 가스에 의해 생성되는 내부압력에 기인한 파쇄 현상을 말한다. 이러한 화학/물리적 영향에 의한 내열재 삭마는 이중 하나에 의해서 일어날 수도 있지만 동시 다발적으로 발생할 수도 있다 [1, 2].
연소관 내열재 등으로 쓰이는 NBR, EPDM 등 의 고무는 추진제의 연소가스로부터 연소관을 보호하고 기밀을 유지하기위한 재료로 많이 사 용되고 있다. 내열재는 모재를 기본으로 보강재 역할을 하는 충진제 및 기타 첨가제로 이루어진 복합재료이며 고분자로 이루어진 모재는 기계적 성질을, 충진제는 삭마 특성과 열적 특성을 결정 하게 된다. 연소관 내열재는 높은 인장 강도와 추진제가 충전, 저장, 이송되는 과정에서의 기계 적인 스트레스를 흡수할 수 있는 신율을 가져야 한다. 또한, 추진기관 연소 시 고온의 연소가스 흐름에 대해 삭마 특성이 우수해야 한다[2, 3].
본 연구에서는 Fig. 2와 같이 높은 강도의 가 스 흐름으로부터 연소실 내부를 보호하기 위하여 carbon fabric을 삽입한 EPDM계 내열재를 개발 하였다. 이중펄스 모타의 경우 1단 펄스모타 연소 후 2단 펄스모타가 연소될 때 펄스분리장치를 통 하여 연소가스가 1단 펄스모타로 전달되게 된다.
따라서 격벽형 펄스분리장치 갖는 이중펄스 모타 에서는 펄스분리장치 홀을 통하여 전달되는 가스 흐름에 의해 1단 펄스모타 연소관 내열재 삭마가 많이 일어나게 된다. 또한 고체 로켓모타의 노즐 수렴부와 근접한 후방 내열재의 경우 빠른 가스 유속과 vortex에 의해 실린더 부위에 비해 연소관
내열재 삭마량이 증가하게 된다. 따라서 개발된 연소관 내열재의 삭마 특성을 시험하기 위하여 6-inch 모사 모타에 extension tube를 연결하였고, 모타와 extension tube 사이에 구멍이 있는 FRP 를 삽입하여 추진제 연소시 높은 강도의 가스흐 름을 유도하였다. 구멍이 있는 FRP를 삽입한 모 타의 경우 구멍의 개수와 모양에 따라 연소관 내 부의 유동장이 달라지기 때문에 유동해석을 통하 여 분석 후 지상연소시험을 통하여 carbon fabric/EPDM 내열재의 삭마 특성을 확인하였다.
Fig. 1 Model of Ablative Insulation
Fig. 2 Severe Ablation of Case Insulation : (1)Internal Flow Field and (2)1st Pulse Motor Case for Dual Pulse Rocket Motor with Pulse Separation Device, (3)Rear Insulation of Solid Rocket Motor
2. 삭마시험 모타 설계
2.1 내열재 시편 제작
본 연구에서 사용한 모재는 EPDM과 CR로, EPDM은 에틸렌 함량이 53.0~60.0wt%, ENB 함 량이 6.9~8.9wt%인 금호 폴리켐에서 생산되는 KEP-330을 사용하였다. CR은 Dupont에서 생산 되는 NEOPRENEⓇ GRT M 시리즈를 20phr 이 내에서 적용하였다. Table 1에서는 각각의 재료 에 대한 조성을 대략적으로 나타내었다. HI-5 조 성의 경우 3mm 길이의 Kevlar를 첨가하였고, HI-0 조성은 Kevlar를 첨가하지 않았다. HIJ-CF 는 HI-0 조성에 3K carbon fabric(평직)을 삽입 하여 제작하였다.
위의 조성은 Fig. 3의 소형 Kneader 믹서를 통하여 혼합이 되며 롤러를 통하여 Sheet 상태 의 고무가 제작된다. Sheet 상태의 미가류 고무 는 온도 160℃, 압력 50kg/cm2이하에서 1 시간 동안 유압 프레스를 이용하여 경화시켜 내열재 시편으로 준비된다. 가황 고무의 기계적특성은 Table 2에 정리하였으며 KS M 6518 가황고무의 물리시험 계획에 의거하여 인장강도, 신율, 비중 및 경도를 측정하였다.
Figure 4에서는 내열재 삭마시험을 위한 모타 에 연결되는 extension tube 제작 공정을 나타내 었다.
Compositions
Quantity (phr)
HI-5 HI-0 HIJ-CF
EPDM/CR 100 100 100
Filler 35 35 35
C.B. 2 2 2
Kevlar 5 0 0
Carbon Fabric × × ○
Table 1. Formulations of the EPDM-based Rubbers
Fig. 3 Kneader for the Rubber Mixing
Item HI-5 HI-0 HIJ-CF
Tensile strength
(kgf/cm2) 96 157 313
Elongation at break
(%) 508 620 5
Hardness
(Shore A) 70 57 63
Density
(g/cm2) 1.078 1.069 1.090 Table 2. Mechanical Properties of Vulcanized Rubber
Fig. 4 Fabricating Process for Extension Tube
2.2 삭마 시험모타 설계
연소관 내열재 삭마시험을 위한 모타는 높은 강도의 가스흐름을 유도하기 위하여 Fig. 5-7과 같이 연소실과 extension tube 사이에 구멍이 있 는 FRP 구조물을 설계에 반영하였다. 1차 설계 는 FRP 구조물이 없어 추진제 연소시 일반적인 가스흐름을 갖게 설계하였으며 2차 설계는 FRP 구조물 중앙에 유동구멍을 만들어 연소가스가 구멍을 통하여 extension tube 내부 벽으로 확산 될 수 있게 했고, 3차 설계에서는 FRP 구조물에 15도의 경사가 있는 6개의 구멍을 만들어 extension tube 내부내열재에 직접적으로 연소가 스가 부딪치도록 설계하였다.
위의 설계 목적을 검증하기 위하여 상용 소프 트웨어인 Ansys Fluent 12를 사용하여 CFD 해 석을 수행하였다. 총 85000개의 헥사 격자계를 구성하여 Axisymmetric 조건을 이용한 2D 해석 을 수행하였고, 각 경우에 대한 Transient 해석 을 통해 초기 연소시 연소관에서의 유동 패턴을 분석 하였으며 이를 통해 FRP 구조물 형상에 따 라 발생할 수 있는 영향에 대해 파악 하였다.
Fig. 5 1st Design of the Simulation Motor
Fig. 6 2nd Design of the Simulation Motor Motor
Fig. 7 3rd Design of the Simulation Motor
3. 시험 결과
연소관 내열재 삭마시험 모타는 Fig. 8에서와 같이 연소시간 2.14sec, 최대압력 964psi, 평균압 력 892psi로 분석되었고, 시험후 extension tube 내부 내열재의 상태는 Fig. 9와 같다. 지상연소 시험 후 연소관 내열재 삭마량을 분석하기 위하 여 extension tube를 분리하였고, 3차원 측정기 를 사용하여 시험 전/후의 값을 비교하여 계산 하였다. Fig. 14-16에서는 1-3차 설계 모타에 대 한 내열재 삭마량을 extension tube 거리에 따라 나타내었다.
1차 설계 모타의 내열재 삭마량에서 알 수 있 듯이 전체적으로는 2.0 mm 이내의 삭마량을 보 였고, kevlar를 첨가하지 않은 HI-0 내열재는
kevlar를 첨가한 HI-5 내열재에 비해 최대 0.8mm, Carbon fabric을 삽입한 HIJ-CF 내열재 에 비해 최대 1.2mm 더 삭마가 진행되었다.
HIJ-CF는 HI-5와 비교하여 삭마량은 대부분의 영역에서 비슷하나 가스흐름이 빨라지는 노즐 수렴부와 근접한 100~160mm 영역에서 최대 0.4mm 감소하는 것으로 분석되었다.
2차 설계 모타의 내열재는 FRP 홀에서부터 노즐 입구쪽으로 가면서 삭마량이 더 증가하는 경향이 있으며 이는 1차 설계 모타 내열재에 비 해 확실한 경향성을 나타내는 것으로 판단된다.
이는 Fig. 10, 11의 유동해석 결과에서 알 수 있 듯이 연소 초기 구멍을 통하여 나오는 연소가스 가 노즐 수렴부 영역에 먼저 도달하고, 이후 노 즐을 통하여 빠져나가기 때문이다. 이와 더불어 재순환 영역이 노즐 수렴부에서 전방부위로 확 대되는 것으로 알 수 있다. HIJ-CF와 HI-5를 비 교해 보면 10~90mm까지는 삭마량이 비슷하나 100mm 이후부터는 HI-5가 최대 0.5mm 더 삭마 되는 것으로 분석되었다.
3차 설계 모타 내열재의 경우 FRP 구조물의 6 개의 구멍을 통하여 나오는 높은 강도의 가스흐 름을 유발하여 Fig. 12, 13과 같이 50~110mm에 서 가장 많은 삭마량을 나타내었다. 삭마량이 정점에 도달하는 80~90mm 영역에서는 HI-0는 최대 6.3mm, HI-5는 최대 6.0mm, HIJ-CF는 최 대 5.25mm 삭마가 진행되었다. 이는 FRP 구멍 을 통하여 나오는 가스흐름이 15도 경사각에 의 하여 직접적으로 extension tube 내부 내열재에 부딪쳐 기계적인 삭마량이 최대가 되기 때문인 것으로 판단된다. 1, 2차 설계 모타 내열재에 비 해 전체적으로 삭마량이 증가하는 것은 extension tube 중앙에서부터 재순환 영역이 강 하게 발생하기 때문이다. HIJ-CF는 HI-5에 비해 최대 1.4mm 삭마량이 감소하는 것으로 분석되 었다.
결과적으로 extension tube 내부의 연소관 내 열재는 연소 가스흐름의 강도에 따라 Table 3 에 나타낸 것 같이 평균 삭마율이 달라진다. 가 장 높은 강도의 가스흐름인 3차 설계 모타 내열 재에서는 HI-0가 2.48mm/sec, HI-5가
2.32mm/sec, HIJ-CF가 2.09mm/sec의 평균 삭마 율을 나타냈다. 삭마 및 열적 특성을 보강하기 위하여 충진제로서 kevlar를 첨가한 HI-5가 kevlar를 첨가하지 않은 HI-0에 비해 약 6.5% 정 도 삭마율이 감소되었으며 carbon fabric을 삽입 한 HIJ-CF가 HI-5에 비해 약 10% 정도 삭마율 감소를 보이는 것으로 분석되었다. HIJ-CF는 일 반적인 연소실 가스흐름보다는 이중펄스모타의 펄스분리장치 구멍을 통하여 나오는 유동현상과 같은 높은 강도에서의 가스흐름에 적합한 연소 관 내열재라 판단된다.
Fig. 8 Ground Static Test and P-T Curves
Fig. 9 Extension Insulation tube after Ground Static Test
Design No. 1st design motor
Insulation HI-0 HI-5 HIJ-CF
Aver. ablation thickness(mm) 1.83 1.35 1.27 Aver. ablation rate(mm/sec) 0.86 0.63 0.59 Design No. 2nd design motor
Insulation HI-0 HI-5 HIJ-CF
Aver. ablation thickness(mm) 3.10 2.82 2.65 Aver. ablation rate(mm/sec) 1.45 1.32 1.24 Design No. 3rd design motor
Insulation HI-0 HI-5 HIJ-CF
Aver. ablation thickness(mm) 5.31 4.97 4.47 Aver. ablation rate(mm/sec) 2.48 2.32 2.09
Table 3. Average Ablation Rate of Insulation
Fig. 10 Internal Flow Field for Extension tube of 2nd Design
Fig. 11 Insulation Surface Pressure with Time of 2nd Design
Fig. 12 Internal Flow Field for Extension tube of 3rd Design
Fig. 13 Insulation Surface Pressure with Time of 3rd Design
Fig. 14 Ablation Thickness in Insulation tube of 1st Design
Fig. 15 Ablation Thickness in Insulation tube of 2nd Design
Fig. 16 Ablation Thickness in Insulation tube of 3rd Design
4. 결 론
본 연구에서는 높은 강도의 연소가스 흐름과 재순환 영역으로부터 연소실 내부를 보호하기 위 하여 carbon fabric을 삽입한 EPDM계 연소관 내 열재를 개발하였다. 개발된 연소관 내열재는 연소
가스 흐름의 강도를 다르게 설계한 모사모타를 제작하여 지상연소시험을 통하여 삭마 특성을 검 증하였다.
1~3차 설계에 걸쳐 시험한 결과 모든 연소관 내열재에서 노즐 수렴부로 갈수록 삭마량이 증가 하는 것으로 분석되었지만 3차 설계 모타 연소관 내열재에서와 같이 높은 강도의 연소가스 흐름에 직접 노출되는 영역에서의 삭마량은 더욱더 증가 됨을 알 수 있었다. 이와 같은 연소가스 흐름에서 는 kevlar를 첨가한 HI-5 연소관 내열재보다 carborn fabric을 삽입한 HIJ-CF 연소관 내열재가 약 10% 정도 삭마율을 감소시키는 것으로 분석되 었다.
따라서 carborn fabric을 삽입한 HIJ-CF 내열재 는 이중펄스모타의 1단 펄스모타 내부 내열재와 같은 고강도의 열유동현상이 존재하는 영역에 적 용할 수 있을 것이라 판단된다.
참 고 문 헌
1. Tauzia, J. M., "Thermal Insulation, Liners and Inhibitors in Solid Rocket Propulsion Technology", Pergamon Press, New York, 1993, pp.553-583
2. NASA space vehicle design criteria, "Soild Rocket Motor Internal Insulation", 1976 3. Rajeev, R. S. and De, S. K. et al., "Studies
on Thermal Degradation of Short Melamine Fibre Reinforced EPDM, Maleated EPDM and Nitrile rubber composites", Polymer Degradation and Stability, Vol. 79, 2003, pp.449-463
