KR101804225B1 - 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 추진제와 나노고에너지물질(nEMs)을 혼합하여 고체 추진제(KNSU/nEMs Composite Propellants)를 제조하여 성능을 향상시킨 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체에 관한 것으로, KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말;상기 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말과 고체 분말상태로 혼합되어 KNSU/nEMs 추진제를 구성하는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말;을 포함하고, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은 KNSU/nEMs 추진제의 점화시에 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제의 연소속도 및 연소온도를 상승시키는 것이다.

Description

나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체{Nano Energetic Materials Composite-based Solid Propellants and Method for Fabricating the Same and Rockets using the Same}
본 발명은 고체 추진제 제조에 관한 것으로, 구체적으로 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제와 나노고에너지물질(nEMs)을 혼합하여 고체 추진제(KNSU/nEMs Composite Propellants)를 제조하여 성능을 향상시킨 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체에 관한 것이다.
현재 금속연료가 주로 사용되고 있는 분야는 고체 추진제이다.
고체추진제는 분말 상태의 산화제와 연료가 바인더와 함께 비교적 균일하게 혼합되어 만들어진 고체 블럭으로, 주로 원통 형태로 성형되어 로켓의 추진기관에 활용되고 있다.
이때 금속분말을 연료에 함유시켜 추진력을 높이고 연소 불안정을 줄이는 첨가제로 사용하고 있다.
현재 금속분말은 첨가제로 사용될 뿐 주연료로 사용되지는 않고 있고, 효율이 좋지 못한 것으로 알려져 있는데, 이는 금속연료의 좋지 않은 점화/연소 특성과 재료적 특성으로 인한 것이다.
일반적으로 고체 추진제(solid propellants)는 간단한 구조를 가지고 유지 및 보수가 간편하다는 장점으로 군용 미사일 또는 우주발사체의 2차 추진제로 많이 사용되고 있다.
고체 추진제의 성능 향상을 위해서는 추진제의 빠른 연소속도와 높은 열과 압력의 방출이 요구된다. 이러한 요구조건을 충족시켜 줄 수 있는 미래형 고체 추진제 물질의 제조 기술의 개발이 요구되고 있다.
한국등록특허 제10-1649517호 한국공개특허 제10-2012-0095841호 한국공개특허 제10-2011-0110131호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 고체 추진제의 문제를 해결하기 위한 것으로, KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 추진제와 나노고에너지물질(nEMs)을 혼합하여 고체 추진제(KNSU/nEMs Composite Propellants)를 제조하여 성능을 향상시킨 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 기반으로 고체 추진제를 제조하여 추진제의 빠른 연소속도와 높은 열과 압력의 방출 특성을 갖도록 하여 고체 추진제의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 기반으로 고체 추진제를 제조하여 소형발사체에 적용하여 상승고도, 추진제의 연소속도 및 추진시간 등의 분석을 통해 추진제의 추진 특성을 분석하여 소형 발사체의 추진 성능을 개선할 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제에서 나노고에너지물질(nEMs)이 빠른 속도와 높은 온도로 연소하는 것에 의해 KNSU 추진제의 연소속도 및 연소온도의 상승과 완전 연소를 유도할 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 추진력 측정 결과를 바탕으로 실제 소형발사체의 발사 시험 전 시뮬레이션으로써 소형발사체 추진 시 비행고도, 속도, 가속도, 질량변화 등을 매트랩 프로그램을 이용하여 계산하여 신뢰성 높은 소형발사체의 시뮬레이션 예측 결과를 얻을 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 KNSU 추진제 내에 포함되는 nEMs의 혼합 수치 변화에 따른 소형발사체의 추진력 측정 데이터를 확보하여 임계적 의의를 갖는 KNSU 추진제 내에 포함되는 nEMs의 혼합 수치를 결정할 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU) 추진제의 구성성분으로서 평균직경 ~10㎛의 Sucrose(C12H22O11) 마이크로 입자와, 평균직경 ~2㎛의 질산칼륨(KNO3) 마이크로 입자를 각각 사용하고, KNSU 복합체와 nEMs 분말을 물리적으로 혼합하고 고체 분말상태로 섞어줌으로써 최종적으로 KNSU/nEMs(KNO3/C12H22O11/Al/CuO) 복합체 분말을 제조하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 수 마이크로 스케일의 비교적 큰 C12H22O11와 KNO3 입자 표면에 나노스케일의 Al과 CuO 입자들이 부착되어 C12H22O11/KNO3/Al/CuO 입자들이 균일하게 분산되어 혼합되도록 하여 고체 추진제의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제는 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말;상기 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말과 고체 분말상태로 혼합되어 KNSU/nEMs 추진제를 구성하는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말;을 포함하고, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은 KNSU/nEMs 추진제의 점화시에 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제의 연소속도 및 연소온도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말은, Sucrose : KNO3 = 35 : 65 의 질량비율로 물리적으로 혼합된 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은, 연료(Fuel) 물질로 Al 나노입자(Al Nanoparticle, Al NP)와 산화제(Oxidizer) 물질로 CuO 나노입자(CuO Nanoparticle, CuO NP)를 Al NP: CuO NP = 30 : 70의 질량비율로 혼합되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 KNSU/nEMs 추진제는 KNO3/C12H22O11/Al/CuO) 복합체 분말인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 KNSU/nEMs 추진제는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 1wt% ~ 5wt% 포함되는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말을 제조하는 단계;나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계;상기 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말과 노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 고체 분말상태로 혼합하여 KNSU/nEMs 추진제를 제조하는 단계;를 포함하고, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은 KNSU/nEMs 추진제의 점화시에 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제의 연소속도 및 연소온도를 상승시키도록 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말을 제조하는 단계에서, Sucrose(C12H22O11)와 Potassium Nitrate(KNO3)를 그라인딩(grinding)하고 건조 후 Sucrose : KNO3 = 35 : 65 의 질량비율로 물리적으로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
그리고 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계는, 연료(Fuel) 물질로 Al 나노입자(Al Nanoparticle, Al NP)와 산화제(Oxidizer) 물질로 CuO 나노입자(CuO Nanoparticle, CuO NP)를 Al NP: CuO NP = 30 : 70의 질량비율로 혼합하는 것을 특징으로 한다.
그리고 KNSU/nEMs 추진제를 제조하는 단계에서, KNO3/C12H22O11/Al/CuO) 복합체 분말이 제조되는 것을 특징으로 한다.
그리고 KNSU/nEMs 추진제를 제조하는 단계에서, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 1wt% ~ 5wt% 포함되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체는 상단의 클레이 블록(Clay Block)과 하단의 추진제의 폭발 압력을 분출해주는 클레이 노즐(Clay nozzle)을 갖고, 클레이 블록(Clay Block)과 클레이 노즐(Clay nozzle) 사이에 추진제 적층 영역을 갖는 발사체에, KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말과 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되어 KNSU/nEMs 추진제가 추진제 적층 영역에 적층되어, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은 KNSU/nEMs 추진제의 점화시에 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제의 연소속도 및 연소온도를 상승시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 추진제 적층 영역에 적층되는 추진제는, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되지 않은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제와 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 함유되는 KNSU/nEMs 추진제가 교대로 적층되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되지 않은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제와 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 함유되는 KNSU/nEMs 추진제가 교대로 적층되어 추진제 종류가 변화되는 구간에서 추력 변곡점이 발생하는 것을 특징으로 한다.
그리고 추진제 물질의 적층 수 및 순서를 변화시켜 추진제의 연소 속도, 연소 시간, 최대 추력, 평균 추력의 추진 특성을 제어하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체는 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 추진제와 나노고에너지물질(nEMs)을 혼합하여 고체 추진제(KNSU/nEMs Composite Propellants)를 제조하여 성능을 향상시킨다.
둘째, 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 기반으로 고체 추진제를 제조하여 추진제의 빠른 연소속도와 높은 열과 압력의 방출 특성을 갖도록 하여 고체 추진제의 성능을 향상시킬 수 있다.
셋째, 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)을 기반으로 고체 추진제를 제조하여 소형발사체에 적용하여 상승고도, 추진제의 연소속도 및 추진시간 등의 분석을 통해 추진제의 추진 특성을 분석하여 소형 발사체의 추진 성능을 개선할 수 있도록 한다.
넷째, KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제에서 나노고에너지물질(nEMs)이 빠른 속도와 높은 온도로 연소하는 것에 의해 KNSU 추진제의 연소속도 및 연소온도의 상승과 완전 연소를 유도할 수 있다.
다섯째, 추진력 측정 결과를 바탕으로 실제 소형발사체의 발사 시험 전 시뮬레이션으로써 소형발사체 추진 시 비행고도, 속도, 가속도, 질량변화 등을 매트랩 프로그램을 이용하여 계산하여 신뢰성 높은 소형발사체의 시뮬레이션 예측 결과를 얻을 수 있다.
여섯째, KNSU 추진제 내에 포함되는 nEMs의 혼합 수치 변화에 따른 소형발사체의 추진력 측정 데이터를 확보하여 임계적 의의를 갖는 KNSU 추진제 내에 포함되는 nEMs의 혼합 수치를 결정할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 및 소형발사체용 고체 추진제 적용을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트
도 3은 (a)(b)Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU, KNO3/C12H22O11)과 (c)(d) KNSU/nEMs 복합체 분말의 주사전자현미경 사진
도 4a내지 도 4c는 추진력 측정 장치 및 소형발사체의 구조를 나타낸 사진 및 발사체용 모터의 내부 구성도
도 5는 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제의 (a)추진력 측정 연속 정지이미지, (b)추진력 측정 결과 및 (c)총 역적(Total Impulse, Itotal) 비교 그래프
도 6은 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제를 발사체 모터에 장착한 소형발사체의 추진 시 (a)비행고도, (b)속도, (c)가속도 및 (d)질량변화 시뮬레이션 결과 비교 그래프
도 7은 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제를 장착한 소형발사체의 (a) 점화 시 추진 장면 연속 정지이미지, 소형발사체에 장착된 고도-가속도 센서를 이용하여 측정한 (b) 비행고도 기록 및 (c) 가속도 측정 결과 그래프
도 8은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체 구성도
도 9는 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체의 고체 추진제 적층 구조 그리고 추진력 특성 그래프
이하, 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 및 소형발사체용 고체 추진제 적용을 나타낸 구성도이다.
본 발명은 KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제에서 나노고에너지물질(nEMs)이 빠른 속도와 높은 온도로 연소하는 것에 의해 KNSU 추진제의 연소속도 및 연소온도의 상승과 완전 연소를 유도할 수 있도록 한 것이다.
고체 추진제의 성능 향상을 위해서는 추진제의 빠른 연소속도와 높은 열과 압력의 방출이 요구된다. 나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs)은 이러한 요구조건을 충족시켜 줄 수 있는 미래형 고체 추진제 물질이다.
이와 같이 본 발명은 나노고에너지물질을 고체 추진제에 적용함으로써 전통적인 고체 추진제보다 향상된 추진력 특성을 갖는 새로운 고체 추진제를 개발하기 위한 것이다.
이를 위해서 고체 추진제로 알려진 Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU) 복합체 추진제에 나노고에너지물질(nEMs)로서 알루미늄 나노분말과 산화구리 나노분말의 복합체를 특정 비율로 혼합하여 KNSU/nEMs 복합체 기반의 고체 추진제(KNSU/nEMs Composite Propellants)를 제조하고 이를 소형발사체 추진 시험을 통해 전통적인 KNSU 추진제와 KNSU/nEMs 복합체 기반의 고체 추진제의 추진력 향상 특성을 확인하였다.
또한, 추진력 테스트를 위해 KNSU/nEMs 복합체 고체 추진제 기반 발사체용 모터를 제조하고 이를 소형발사체에 설치하여 실질적인 추진 테스트를 통해 소형발사체의 상승고도, 추진제의 연소속도 및 추진시간 등의 분석을 통해 추진제의 추진 특성을 분석하여 KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제(KNSU/nEMs Composite Propellant)의 추진성능 향상을 소형발사체를 통해서 가시적으로 확인하였다.
Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU)/나노고에너지물질(nEMs) 복합체 기반 고체 추진제의 제조를 위하여,
본 발명은 Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU) 추진제의 구성성분으로서 평균직경 ~10㎛의 Sucrose(C12H22O11) 마이크로 입자와, 평균직경 ~2㎛의 질산칼륨(KNO3) 마이크로 입자를 각각 사용한다.
그리고 나노고에너지물질(nano energetic materials, nEMs)의 구성성분으로는 연료금속(Fuel Metal)으로 평균직경 ~100nm를 갖는 알루미늄(Al) 나노입자를 사용하였고, 금속산화제(Metal Oxide) 물질로 평균직경 ~100nm를 갖는 산화구리(CuO) 나노입자를 각각 사용한다.
도 1은 Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU;KNO3/C12H22O11)/나노고에너지물질(Nanoenergetic Materials, nEMs;Al/CuO) 복합체 분말 제조 공정과 소형발사체용 고체 추진제 적용 구성을 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제는 Sucrose : KNO3 = 35 : 65 의 질량비율로 물리적으로 혼합된 KNSU 복합체 분말과, 연료(Fuel) 물질로 알루미늄(Al) 나노입자를 사용하고, 산화제(Oxidizer) 물질로는 산화구리(CuO) 나노입자를 사용하여 두 물질이 혼합된 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 고체 분말상태로 혼합되어 KNSU/nEMs 추진제를 구성하는 것이다.
나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은 Al 나노입자(Al Nanoparticle, Al NP)와 CuO 나노입자(CuO Nanoparticle, CuO NP)를 Al NP: CuO NP = 30 : 70의 질량비율로 혼합되는 것이 바람직하고, 이로 제한되지 않는다.
그리고 KNSU/nEMs 추진제는 KNO3/C12H22O11/Al/CuO) 복합체 분말이다.
상기 KNSU/nEMs 추진제는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 1wt% ~ 5wt% 포함되는 것이 바람직하고, 이로 제한되지 않는다.
이와 같은 본 발명에 따른 KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제에서 나노고에너지물질(nEMs)이 빠른 속도와 높은 온도로 연소하면서, KNSU 추진제의 연소속도 및 연소온도의 상승과 완전 연소를 유도한다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 과정을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, 전통적인 KNSU 고체 추진제의 제조를 위해 Sucrose(C12H22O11)와 Potassium Nitrate(KNO3)를 그라인딩(grinding)하고(S201), 80℃에서 30분간 건조 후 Sucrose : KNO3 = 35 : 65 의 질량비율로 물리적으로 혼합하여 KNSU 복합체 분말을 제조한다.(S202)
그리고 nEMs의 경우 Al 나노입자(Al Nanoparticle, Al NP)와 CuO 나노입자(CuO Nanoparticle, CuO NP)를 Al NP: CuO NP = 30 : 70의 질량비율로 준비한다.(S203)
이어, 이들을 에탄올 용액 내에서 초음파에너지(Ultrasonication Energy, 초음파 출력=170 W, 초음파 주파수=40 kHz)를 인가하여 약 30분간 혼합하고(S204), 생성된 콜로이드 유체를 대류형 건조기(Convective Oven)에 넣고 80℃에서 30분간 가열함으로써 에탄올 용액을 증발시켜 제거한 후 최종적인 nEMs 복합체 분말을 준비한다.(S205)
마지막으로 각각 준비된 KNSU 복합체와 nEMs 분말을 물리적으로 혼합하고 고체 분말상태로 섞어줌으로써 최종적으로 KNSU/nEMs (즉, KNO3/C12H22O11/Al/CuO) 복합체 분말을 제조한다.(S206)
이와 같은 공정으로 제조한 KNSU와 KNSU/nEMs 복합체 분말의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 분석 이미지는 도 3에서와 같다.
도 3의 (a)(b)는 Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU, KNO3/C12H22O11) 주사전자현미경 사진이고, (c)(d)는 KNSU/nEMs 복합체 분말의 주사전자현미경 사진이다.
도 3에서 MP는 마이크로입자(Microparticle), NP는 나노입자(Nanoparticle)이다.
도 3에서 (a)(b)의 SEM 사진에서는 KNSU 추진제의 구성성분인 C12H22O11와 KNO3의 마이크로 크기의 주입자(Primary Particle)들이 비교적 균일하게 혼합되어 있는 것을 관찰할 수 있다.
그리고 도 3의 (c)(d)의 KNSU/nEMs 복합체의 SEM 사진에서 수 마이크로 스케일의 비교적 큰 C12H22O11와 KNO3 입자 표면에 나노스케일의 Al과 CuO 입자들이 부착되어 C12H22O11/KNO3/Al/CuO 입자들이 균일하게 분산되어 혼합되어 있음을 명확하게 확인할 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 적용하여 추진 성능을 분석하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제의 점화 시 추진 성능 평가를 위한 추진력 측정 및 소형발사체 추진 테스트를 위해 도 4a내지 도 4c에서와 같이 추진력 측정장치, 소형발사체 및 발사체용 모터를 설계하고 제작한다.
추진력 측정시험은 발사체 모터를 추진력 측정장치에 고정 설치하고 도화선을 통해 고체 추진제를 점화한 후 발생하는 추진력을 추진력 측정장치에 설치된 로드셀(load cell)을 통해 측정하였다.
소형발사체는 주로 가벼운 플라스틱 소재로 만들어졌고, 발사체 상단 내부에 낙하산이 설치되어 있으며 하단부에는 발사체용 모터가 설치되었다.
발사체용 모터는 PVC 파이프가 사용되었고, 내부에 추진력 발생을 위한 추진제(Propellant) 및 낙하산 사출 타이밍 조절을 위한 지연층(Delay Layer), 낙하산 사출 압력 발생을 위한 흑색화약(Black Powder)이 충진 되어있으며, 추진제의 폭발 압력을 분출해주는 클레이 노즐(Clay nozzle)이 사용되었다.
추진제 성능 및 소형발사체의 필드 추진 테스트 결과는 다음과 같다.
KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제의 성능평가를 위한 추진력 측정 테스트 결과는 도 5에서와 같다.
KNSU/nEMs(0 & 3wt%) 기반의 고체추진제 40g이 채워진 발사체용 모터의 추진력을 측정하였다.
도 5의 (a)는 KNSU/nEMs(0 & 3wt%) 복합체 기반 고체 추진제 발사체용 모터의 추진력 측정 연속 정지이미지이다.
도 5의 (a)에서와 같이, KNSU/nEMs(0 wt%)의 경우 보다 KNSU/nEMs(3 wt%) 복합체 추진제에서 점화 시 더욱 밝고 큰 화염과 함께 강하게 폭발 가스가 분출되는 것을 확인할 수 있다.
도 5의 (b)는 추진력 측정 시스템에 설치된 로드 셀에 의해서 측정된 추진력 측정 결과 그래프이다.
KNSU/nEMs(3wt%) 복합체 추진제에서 더 높은 최대 추진력(~30 N) 이 발생 되어 KNSU/nEM(0wt%) 복합체 추진제의 최대 추진력(~25 N) 보다 약 20% 가량 추진력이 증가한 것을 확인하였다.
발생한 추진력의 시간에 대한 적분값인 총 역적(Total Impulse, Itotal)은 도 5의 (c)에서와 같다.
총 역적도 KNSU/nEMs(3wt%) 복합체 추진제에서 16.3 Ns 로 KNSU/nEM(0wt%) 추진제의 14.4 Ns 보다 약 13% 가량 증가한 수치를 보였고, 파란색으로 표기한 실제 발사체의 추진에 이용될 수 있는 총 역적은 (발사체 무게보다 높은 추진력발생 영역에서의 총 역적) 13.3Ns 에서 15.7Ns 으로 약 18% 증가한 것을 확인할 수 있다.
이러한 추진력 테스트 결과는 KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제에서 나노고에너지물질(nEMs)이 빠른 속도와 높은 온도로 연소하면서, KNSU 추진제의 연소속도 및 연소온도의 상승과 완전 연소를 유도한 것을 의미한다.
도 5의 추진력 측정 결과를 바탕으로 실제 소형발사체의 발사 시험 전 시뮬레이션으로써 소형발사체 추진 시 비행고도, 속도, 가속도, 질량변화 등을 매트랩 프로그램을 이용하여 계산한 결과는 도 6에서와 같다.
도 6은 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제를 발사체 모터에 장착한 소형발사체의 추진 시 (a)비행고도, (b)속도, (c)가속도 및 (d)질량변화 시뮬레이션 결과 비교 그래프이다.
KNSU 추진제내에 nEMs를 3 wt% 넣었을 때 시간에 따른 추진 고도, 속도, 가속도가 nEMs를 넣지 않았을 때(즉, nEMs가 0 wt%인 경우)에 비해 월등하게 향상되는 결과를 확인할 수 있다.
그리고 KNSU/nEMs(0 & 3wt%) 복합체 기반 고체 추진제를 장착한 소형발사체의 실제 필드에서 점화 및 발사한 장면을 촬영하여 연속 정지이미지와 고도 및 가속도 측정 결과는 도 7에서와 같다.
도 7은 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제를 장착한 소형발사체의 (a)점화 시 추진 장면 연속 정지이미지, 소형발사체에 장착된 고도-가속도 센서를 이용하여 측정한 (b)비행고도 기록 및 (c)가속도 측정 결과 그래프이다.
도 7의 (a)의 연속 정지이미지에서 보듯이 발사체 모터의 점화 후 소형발사체가 강한 배기가스 분출과 함께 성공적으로 추진되었고, 발사된 후 약 4초가 지나자 최고 고도점에 이른 후 낙하산이 사출되며 안정적으로 낙하하는 것을 확인할 수 있었다.
도 7의 (b)(c)는 소형발사체에 장착된 고도-가속도 센서(Altimeter 3, Jolly Logic, USA)로 측정한 고도 및 가속도 결과이다.
최고비행 고도는 KNSU/nEMs(3wt%) 복합체 기반 고체 추진제 조건에서 약 81.4m로 KNSU/nEM(0wt%) 고체 추진제 조건에서의 59.1m 보다 약 38% 더 높은 고도를 비행하였고, 최대 가속도 역시 각각 8.8gs, 7.4gs를 기록하며, KNSU/nEM(3wt%) 복합체 기반 고체 추진제 조건에서 약 19% 더 높은 수치를 기록하였다.
또한, 이는 도 6에서 제시한 시뮬레이션 결과와도 매우 유사한 결과로, 소형발사체의 추진력 측정 데이터를 기반으로 신뢰성 높은 소형발사체의 시뮬레이션 예측 결과를 얻을 수 있음도 확인하였다.
본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체 구조에 관하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 8은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체 구성도이고, 도 9는 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체의 고체 추진제 적층 구조 그리고 추진력 특성 그래프이다.
본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체는 도 8에서와 같이 상단의 클레이 블록(Clay Block)과, 하단의 추진제의 폭발 압력을 분출해주는 클레이 노즐(Clay nozzle)을 갖고, 클레이 블록(Clay Block)과 클레이 노즐(Clay nozzle) 사이에 추진제가 적층되는 영역을 갖는다.
이와 같은 구조를 갖는 발사체를 이용하여 고체 추진제 적층 구조에 따른 추진력 특성을 설명하면 다음과 같다.
도 9의 (a)는 발사체의 추진제 적층 영역에 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 포함되지 않은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose)(100wt%) 추진제가 사용된 것으로, 추진력 측정결과를 보면 최대 추력이 상대적으로 낮고, 추력 발생 시간이 상대적으로 긴 것을 확인할 수 있다.
도 9의 (b)는 KNSU(98wt%) + nEM(2wt%)의 추진제가 사용된 것으로 최대 추력이 도 9의 (a)와 유사하고, nEM(2wt%)이 포함되어 있어 점화시에 빠른 연소를 통해 추력 발생 시간은 도 9의 (a)에 비하여 짧아지는 것을 확인할 수 있다.
도 9의 (c)는 KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제가 사용된 것으로, nEM(4wt%)의 함유량이 높아져 점화시에 연소 속도가 급상승하여 최대 추력이 도 9의 (a) 및 (b)의 경우보다 5배 정도로 매우 높게 나타나고, 추력 발생 시간은 짧아진 것을 확인할 수 있다.
도 9의 (d)는 클레이 블록(Clay Block)이 있는 상부에 KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제가 사용되고, 클레이 노즐(Clay nozzle)이 있는 하부에 KNSU(100wt%)의 추진제가 사용되어 적층된 것으로, 2단의 추력 구간이 발생한다.
KNSU(100wt%)의 추진제가 연소되는 초기 1단 구간(4-6초)에서는 상대적으로 낮은 추력이 발생하고, KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제가 연소되는 2단 구간(6-10초)에서는 높은 추력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 9의 (e)는 클레이 블록(Clay Block)이 있는 상부에 KNSU(100wt%)의 추진제가 사용되고, 클레이 노즐(Clay nozzle)이 있는 하부에 KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제가 사용되어 적층된 것으로, 2단의 추력 구간이 발생한다.
KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제가 연소되는 초기 1단 구간(3-5초)에서는 매우 높은 추력이 발생하고, KNSU(100wt%)의 추진제가 연소되는 2단 구간(5-8초)에서도 어느 정도 높은 추력이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그리고 도 9의 (f)는 클레이 블록(Clay Block)이 있는 상부에서부터 KNSU(100wt%)의 추진제, KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제, KNSU(100wt%)의 추진제, KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제를 차례로 적층한 것으로, 추진제의 적층 구간의 변화층에서 약간의 추력 변곡점들이 발생한다.
이는 추진제 물질의 적층 수 및 순서에 따라 추진제의 연소 속도, 연소 시간, 최대 추력, 평균 추력 등의 추진 특성을 제어하는 것이 가능하다는 것을 의미한다.
적층되는 추진제의 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말의 함유량을 일정하게 하지 않고 발사체의 사용 목적에 따라 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말의 함유량을 다르게 하여 적층하는 것도 가능하다.
이와 같이 본 발명은 전통적인 고체 추진제 중의 하나인 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 고체 추진제내에 Al 나노입자와 CuO 나노입자를 기반으로 한 나노고에너지물질(nEMs)을 혼합하여, KNSU/nEMs 복합체 기반 고체 추진제를 제조하고, 이를 발사체 모터에 장착한 소형발사체를 설계 및 제작하고 필드에서 점화 및 발사 테스트를 실시함으로써 고체 추진제의 추진력 향상을 확인하였다.
이를 통하여 고체 추진제에 nEMs를 적용함으로써 추진력이 향상된 새로운 개념의 KNSU/nEMs 복합체 고체 추진제를 얻을 수 있음을 확인하여 나노고에너지물질을 이용한 고성능 고체 추진제의 제조가 가능하도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (14)

  1. KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말;
    상기 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말과 고체 분말상태로 혼합되어 KNSU/nEMs 추진제를 구성하는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말;을 포함하고,
    추진제의 적층시에 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되지 않은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제와 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 함유되는 KNSU/nEMs 추진제가 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말은,
    Sucrose : KNO3 = 35 : 65 의 질량비율로 물리적으로 혼합된 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은,
    연료(Fuel) 물질로 Al 나노입자(Al Nanoparticle, Al NP)와 산화제(Oxidizer) 물질로 CuO 나노입자(CuO Nanoparticle, CuO NP)를 Al NP: CuO NP = 30 : 70의 질량비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 KNSU/nEMs 추진제는 KNO3/C12H22O11/Al/CuO) 복합체 분말인 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 KNSU/nEMs 추진제는 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 1wt% ~ 5wt% 포함되는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제.
  6. KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말을 제조하는 단계;
    나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계;
    상기 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말과 노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 고체 분말상태로 혼합하여 KNSU/nEMs 추진제를 제조하는 단계;를 포함하고,
    나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되지 않은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제와 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 함유되는 KNSU/nEMs 추진제를 교대로 적층하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말을 제조하는 단계에서,
    Sucrose(C12H22O11)와 Potassium Nitrate(KNO3)를 그라인딩(grinding)하고 건조 후 Sucrose : KNO3 = 35 : 65 의 질량비율로 물리적으로 혼합하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말을 제조하는 단계는,
    연료(Fuel) 물질로 Al 나노입자(Al Nanoparticle, Al NP)와 산화제(Oxidizer) 물질로 CuO 나노입자(CuO Nanoparticle, CuO NP)를 Al NP: CuO NP = 30 : 70의 질량비율로 혼합하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, KNSU/nEMs 추진제를 제조하는 단계에서,
    KNO3/C12H22O11/Al/CuO) 복합체 분말이 제조되는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법.
  10. 제 6 항에 있어서, KNSU/nEMs 추진제를 제조하는 단계에서,
    나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 1wt% ~ 5wt% 포함되도록 하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제의 제조 방법.
  11. 상단의 클레이 블록(Clay Block)과 하단의 추진제의 폭발 압력을 분출해주는 클레이 노즐(Clay nozzle)을 갖고,
    클레이 블록(Clay Block)과 클레이 노즐(Clay nozzle) 사이에 추진제 적층 영역을 갖는 발사체에,
    KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 복합체 분말과 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되어 KNSU/nEMs 추진제가 추진제 적층 영역에 적층되어,
    나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은 KNSU/nEMs 추진제의 점화시에 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제의 연소속도 및 연소온도를 상승시키고,
    추진제 적층 영역에 적층되는 추진제는, 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되지 않은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제와 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 함유되는 KNSU/nEMs 추진제가 교대로 적층되는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 혼합되지 않은 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제와 나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말이 함유되는 KNSU/nEMs 추진제가 교대로 적층되어 추진제 종류가 변화되는 구간에서 추력 변곡점이 발생하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체.
  14. 제 11 항에 있어서, 추진제 물질의 적층 수 및 순서를 변화시켜 추진제의 연소 속도, 연소 시간, 최대 추력, 평균 추력의 추진 특성을 제어하는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체.

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