Combustion characteristics of the solid composite propellants were studied from burning rate, ignition and steady combustion processes, and structure of the extinguished surfaces. Optical Vacuum Strand Burner (OVSB) system was desisted and configured to study those. Burning rates of the propellants were measured by OVSB at low pressure range by developed ten method. video camera(30 frames/s) was used to take potographs of the phenomena of ignition and combustion of propellant within the test cell of the OVSB. Burning surfaces of the propellants that were extinguished by rapid depressurization method were analyzed with Scanning Electron Microscope. (SEM).
연소 중인 고체추진제는 일반적으로 소화가 어렵지만, 연소실 내의 압력을 급격하게 강하시키면 추진제는 동적소화가 일어난다. 본 연구에서는 복합형 고체 추진제의 조성별 소화특성에 따른 실험적 연구에 대해 기술하였다. 폐쇄형 연소 챔버에 노즐 및 파열판을 장착하여 압력 강하시점, 압력 강하율, 초기 압력을 조절할 수 있는 실험장치를 구성하였다. 이 장치를 이용하여 추진제 조성별로 소화가 가능한 임계 압력 강하율을 실험적으로 연구하였다. 실험 결과 산화제의 입자크기, 산화제 혼합비, 알루미늄 첨가 유무가 고체 추진제의 소화 특성에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.
By depicting the transfer of heat and combustion reaction to take place within thin gas layers close to the propellant surface burning in a steady-state fashion, a mathematical equation has been deduced to describe the burning rate of solid propellant as a function of initial grain temperature and chamber pressure. It has been also assumed that chemical reaction could take place in premixing-diffusing zone but were carried out mainly in the reaction-flame zone. All these phenomena taken place in each zone of combustion have been assumed to be steady-state. In the present investigation, the equation, γ=$\kappa$$.$(1/R(T(sub)i+C))(sup)n$.$exp(-E(sub)a/R(T(sub)i+C))(P/z) is being presented and it is compared with experimental data. The proposed model has been tested and evaluated vis-a-vis strand burner data for three different propellants based on CTPB, and it has been found that the deviation of the computed burning rates from the measured rates ranged up to 2%.
120 mm 박격포탄 중 RAP탄에 사용된 혼합형 고체로켓추진제의 조성 및 탄 형상을 설계하여 탄에 적용된 추진기관의 성능을 분석하고, 해당 성능에 관련하여 외탄도 성능을 비교함으로서 일련의 탄 성능 개량의 절차와 과정을 수행하였다. 혼합형 추진제의 기본적인 특성을 위해, 성능해석과 더불어 추진기관의 지상연소시험을 수행하여 분석하고, 탄의 발사시험으로 기존 탄에 비해 70% 사거리 연장에 대한 성능을 얻을 수 있었다.
A survey is offered of the present status of microaluminized propellants industrially used worldwide in most space applications, but new directions are also pointed out making profitable use of the nanoaluminized propellants currently tested in many laboratories. Different industrial- and research-type of solid rocket propellants, mainly but not only, of the well-known family oxidizer/Al/HTPB(oxidizer being AP, AN or a mixture of the two) were experimentally analyzed at the Space Propulsion Laboratory of Politecnico di Milano. In general, they feature the same nominal composition but implement different grain size distributions of the oxidizer or metal fuel. The basic properties of all formulations were compared to that of a standard propellant already certified for flight.
기존 연구를 통해 고체추진제 연소속도 측정을 위한 초음파 측정 시스템 및 연소속도 산정 기법을 개발하였으며, 개발 시스템을 적용하여 composite 추진제의 연소속도를 측정하였다. 본 연구에서는 연소 압력 증가에 따라 연소속도가 비선형적으로 변하는 double base형 고체 추진제 인 N-5와 AA-2 고체추진제의 연소속도를 개발 시스템을 이용하여 측정하였으며, 스트랜드버너법으로 측정된 값과의 비교를 통해 측정결과의 신뢰성을 평가하였다.
모든 고체로켓 추진제들은 화학적 상태에 따라 균질(복기)과 비균질(혼합형)의 2가지 기본 종류로 나뉜다. 오늘날 혼합형 추진제는 가스발생기와 소형 로켓으로부터 우주개발을 위한 거대 발사체까지 동력원으로써 광범위하게 사용된다. 과거에 혼합형 로켓 추진제의 개발은 주로 열경화성 폴리머에 국한되었다. 그러나 열경화성 혼합형 추진제는 로켓 체계조건에 부합하기 위해 조성과 제조공정에 있어 복잡성을 갖는다. 열경화성 추진제와 대조해서, 개량된 PVC 및 TPE 계열 열가소성 추진제는 중간 정도의 성능과 기계적 성질을 갖지만 제조공정에서의 손실, 원재료의 저가와 취급 공정의 안정성을 갖는다. 이런 장점으로 인해 향후, 열가소성 추진제가 여타 추진제보다 폭넓게 사용될 것이라 예측된다.
혼합형 고체추진제의 저압하에서의 연소특성을 연소속도측정, 점화 및 정상 연소현상 관찰, 그리고, 소화표면의 구조 관찰의 측면에서 연구하였다. 이를 위하여 OVSB 장치를 제작하였으며, 저압 연소속도 측정기법을 정립하여 혼합형 고체추진제의 저압 연소속도를 측정하였고, OVSB의 연소실에 장착된 창을 통하여 추진제의 점화 및 연소현상을 비디오 카메라를 사용하여 초당 30 장의 속도로 촬영하여 분석하였다. 또한, 급속감압법을 이용하여 얻은 추진제의 소화표면의 구조를 주사전자현미경으로 분석하였다. 시험 대상 추진제들은 대기압 이하(2.0∼15psia)의 저압하에서 압력 지수가 0.6∼0.88로 높은 압력의존성을 보였으며, 추진제에 포함된 금속입자(Al) 함량이 연소속도와 압력 지수에 크게 영향을 주는 것으로 나타났다. 금속함량이 클수록 연소속도가 빨랐으며, 압력 지수는 작았다. 시험대상 추진제들은 2.0psia 부근에서 자체 소화되는 특성을 보였다. 그리고, 연소표면에서의 AP 입자의 분해속도가 바인더의 분해속도 보다 느렸으며, 낮은 압력으로 인해 바인더가 쉽게 기체상태로 승화하는 것으로 판단되었다. Al이 다량 함유된(17.5%) 추진제가 점화성이 우수하였다.
HTPB/AP 혼합형 추진제(A형)와 니트라민계 산화제가 소량 함유된 추진제의 진공 점화 특성을 고찰하였다. A형 추진제의 임계 점화 압력은 4psia로 판단되었고, AP의 일부를 HMX와 HNIW로 $5\sim15%$ 치환한 니트라민계 혼합형 추진제(B형)에서는 임계 압력은 0.4psia, 점화지연시간은 50% 이상 향상되었다. 이러한 이유는 HMX나 HNIW 성분이 AP에 비해 낮은 온도$(\sim220^{\circ}C)$에서 발열 분해되는 특성에 기인되는 것으로 보인다. 점화도움물질인 $B/KNO_3$를 추진제 표면에 코팅한 결과, 15% 정도 점화성이 개선되는 효과를 보였다. $B/KNO_3$ 점화제에 2차 결합제로 NC를 소량 사용하고, 이를 추진제 그레인의 점화도움물질로 적용하였다.
고체 추진기관은 다른 추진기관에 비해 구조가 간단하고 운용성이 좋아 전략무기의 추진기관으로 주로 사용되고 있다. 그러나 고체 추진기관의 추력형상은 추진제의 연소속도와 추진제 그레인의 연소면적에 의해 결정되며, 추진제의 외경, 길이, 무게, 충전율 등과 같은 다른 설계요소들에 의해 요구되는 추력형상의 획득에 제약을 받는다. 고체 추진기관의 이중추력 성능은 일반적으로 사거리 연장과 종말 속도 향상에 장점이 있으나 추진제 그레인의 형상만으로 성능을 획득하고자하는 경우 연소관 내 추진제의 충전율이 저하된다. 따라서 연소속도가 다른 이종추진제를 적용하여 이중추력을 획득하는 것이 유리하다. 본 연구에서는 연소속도가 다른 이종 추진제를 적용하여 소형 고체 추진기관의 내외탄도 해석 및 지상연소시험을 통해 이중추력 성능을 확인함으로써 이중추력 추진기관 개발 가능성을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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