KR101811956B1 - 황색 산화철을 포함하는 추진기관용 고체 추진제 조성물 - Google Patents

황색 산화철을 포함하는 추진기관용 고체 추진제 조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 로켓 혹은 포탄 등 추진기관에 사용되는 고체 추진제와 관한 것으로, 보다 상세하게는 산화제로 10 중량% 내지 95 중량%, 바인더를 0.1 중량% 내지 20 중량%, 경화제를 0.1 중량% 내지 20 중량%, 가소제를 0.1 중량% 내지 30 중량%, 결합제를 0.1 중량% 내지 10 중량% 및 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)을 0.01 중량% 내지 10 중량%를 포함함으로써 침식연소가 급격하게 일어나는 구간에서 압력지수 값이 낮은 특성을 갖는 고체 추진제 조성물에 관한 것이다.

Description

황색 산화철을 포함하는 추진기관용 고체 추진제 조성물{SOLID PROPELLANTS FOR PROPULSION SYSTEM INCLUDING A YELLOW IRON OXIDE}
본 발명은 로켓 혹은 포탄 등 추진기관에 사용되는 고체 추진제와 관한 것으로, 보다 상세하게는 연소 촉매로서 황색 산화철(FeOOH)를 포함함으로써 침식연소가 급격하게 일어나는 구간에서 압력지수 값이 낮은 특성을 갖는 고체 추진제 조성물 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 로켓 혹은 포탄 등은 추진기관, 탄두, 신관으로 구분되며, 이때 상기 추진기관은 금속 재질의 연소관에 여러 가지 화합물로 구성된 혼합형 고체 추진제가 충전되어 구성된다.
여기서 고체 추진제라 함은 고체형의 추진 장약으로써 이 고체 추진제는 일반적으로 산화제, 연료, 바인더가 결합하고 있는 형태이며, 추진제에 포함된 산화제를 연소시켜 추진효과를 나타내도록 한 화약제를 의미한다.
추진제의 연소 속도는 이론상 공학적인 정확도로 예측하는 것은 매우 어려우므로 실험적으로 측정되며 Saint Robert's Law로 가장 일반적인 연소 속도 관계식이며, 압력에 대한 식으로 나타난다.
Figure 112016106213239-pat00001
일반적인 고체 로켓 모터 연소 속도는 압력과 온도에 대한 함수로 나타낼 수 있다. 그러나 연소가스의 유동속도가 특정 속도 이상이 되면 추진제 연소 속도에 영향을 미치게 되며 이러한 현상을 침식연소(erosive burning)이라고 한다.
침식연소는 추진제의 길이에 따라 내부 유동에 의해 추진제의 연소속도가 일정하지 않고 노즐목으로 갈수록 연소 속도가 빨라지며, 연소관 내 축 방향으로 연소 가스의 빠른 유동 속도로 인해 발생하며 급격한 내부 압력 상승(ignition pressurization)을 유발한다. 이처럼 압력 거동이 달라지기 때문에 내탄도 성능은 물론 구조적 안정성에도 큰 영향을 끼친다. 심할 경우 연소관 파열 등 로켓 성능에 치명적인 결함을 야기한다.
이러한 침식연소는 추진기관 작동 초기에 주로 발생되며 고온, 고압으로 갈수록 더욱 많이 발생하게 되어 압력지수 값이 낮아지는 고체 추진제를 필요로 한다.
로켓이나 포탄용으로 사용되는 고체 추진제는 주로 복합형 고체추진제(composite solid propellant)을 사용되며, 이것의 조성에는 고체 상태의 산화제와 바인더 및 연료 역할을 하는 유기물질의 고분자 재료가 포함되며, 이 밖에도 고분자 바인더를 가교시키기 위한 경화제, 가소제, 결합제, 연소촉매, 산화방지제, 가교반응촉매 등을 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 고체 추진제의 조성에 있어 일반적으로 사용되고 있는 연소속도 개선제는 산화철(iron oxide)이며, 다양한 종류의 산화철 중 주로 사용되고 있는 것은 적색 산화철(Fe2O3)이다.
그러나 고체 추진제에서 연소촉매로 적색 산화철(Fe2O3)을 사용할 경우 고온, 고압의 조건에서 압력지수 값이 높아지게 되어 침식연소가 발생될 수 있는 문제점이 있다.
일본공개특허 제2007-99565호
고체 추진제의 성능은 실제로 이들의 조성이 조금씩만 변화하여도 성능 및 특성이 판이하게 달라지게되며, 대량 첨가되는 산화제 및 연료뿐만 아니라 소량 첨가되는 첨가제의 종류와 양에 따라 그 성능이 크게 좌우된다.
따라서 본 발명은 고체 로켓 모터의 작동 초기의 침식연소 현상을 해결하기 위해 기존 연소촉매로 사용된 적색 산화철(Fe2O3) 대신에 황색 산화철(FeOOH)을 포함하는 고체 추진제 조성물을 형성함으로써 고온, 고압에서의 압력지수 값을 상대적으로 낮출 수 있어 침식연소를 방지할 수 있는 추진기관용 고체 추진제 조성물의 제공에 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 추진기관용 고체 추진제 조성물은 고체 추진제 조성물 총 중량에 대하여 산화제를 10 중량% 내지 95 중량%, 바인더를 0.1 중량% 내지 20 중량%, 금속연료를 0.1 중량% 내지 30중량%, 경화제를 0.1 중량% 내지 20 중량%, 가소제를 0.1 중량% 내지 30 중량%, 결합제를 0.1 중량% 내지 10 중량% 및 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)을 0.01 중량% 내지 10 중량% 포함한다.
상기 산화제는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP), 암모늄나이트레이트(ammonium nitrate, AN), 시클로트리메틸렌트리니트라민(cyclotrmethylene trinitramine, RDX), 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(hexanitro hexaaza isowurtzitane, HNIW), 상안정화 암모늄나이트레이트(phase stabilized ammonium nitrate, PSAN), 암모늄디니트라미드(ammonium dinitramide, ADN) 및 시클로트리메틸렌테트라니트라민(cyclo trimethylene tetranitramine, HMX) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 사용한다.
여기서 상기 산화제로 암모늄 퍼클로레이트(Ammonium Perchlorate)을 사용할 경우 상기 암모늄 퍼클로레이트는 제1입자와 상기 제1입자보다 상대적으로 작은 입자 크기를 갖는 제2입자가 2.3:1 내지 2.8:1의 중량비로 포함할 수 있으며, 바람직하게 제1입자와 제2입자가 2.8:1의 중량비로 포함될 수 있다.
본 명세서에서 명명하는 상기 '제1입자'는 직경이 169 내지 210㎛인 암모늄 퍼클로레이트 입자이며, 상기 '제2입자'는 5 내지 7㎛인 암모늄 퍼클로레이트 입자이다.
실제적으로 암모늄 퍼클로레이트의 분말의 입자 형태는 완전한 구형이 아니면서, 입자의 크기가 균일하지 않으므로, 암모늄 퍼클로레이트의 총 중량, 입자의 크기 및 입자의 분포도에 따라 산화제의 고체 입자 충진율이 달라진다. 따라서 상기 암모늄 퍼클로레이트에서 제1입자 대 제2입자의 중량비가 상기 제시된 범위를 벗어나면, 산화제의 고체 입자 충진율이 낮아져 고체 추진제의 연소속도가 감소되는 문제가 발생될 수 있다.
상기 바인더는 하이드록시 터미네이트 폴리에테르(hydroxy terminated polyether, HTPE) 및 하이드록시 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyterminated polybutadiene, HTPB) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
상기 금속연료는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 붕소(B) 및 납(Pb) 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함한 것을 사용할 수 있다. 바람직하게는 입자의 평균 직경이 30㎛인 알루미늄(Al) 사용할 수 있다.
상기 경화제는 다이머디이소시아네이트(dimer diisocyanante, DDI), 이소포론디이소시아네이트(isophorone diisocyanante, IPDI) 및 헥사메틸렌디이소시아네이트 (hexamethylene diisocyanate, HDI) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
상기 가소제는 디옥틸세바케이트(dioctyl sebacate, DOS), 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate, DOA) 및 이소데실펠라고네이트(isodecyl pelargonate, IDP) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
상기 결합제는 비스이소프타닐메틸아지리딘(bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine, HX-752), 트리 메소일에틸아지리딘(trimesoyl-1-(2-ethyl)aziridine, HX-868), 시아노 폴리아민(cyanoethylated Polyamine, HX-879), 테파놀(TEPANOL) 및 비스하이드록시에틸글리콜아미드(bis-hydroxyethyl glycol amide, BHEGA) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
상기 고체 추진제 조성물은 전체 조성물의 총 중량이 100중량%가 되도록 경화 촉매를 더 포함할 수 있으며, 상기 경화 촉매는 트리페닐 비스무스(Triphenyl bismuth)이고, 경화 부촉매로서는 말레인 무수물(Maleic anhydride) 및 산화 마그네슘(magnesium oxide) 중에서 선택되는 어느 하나 이상의 물질을 추가적으로 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같은 고체 추진제 조성물은 15 내지 60℃ 온도와 0 내지 3000psia 압력 조건으로, 특히 15℃ 온도와 1800psia 조건에서 압력지수가 0.5 미만이고, 연소 속도가 15 내지 17 mm/s이다.
아울러 상기 고체 추진제 조성물은 60℃에서 점도가 3 내지 7kPs인 특징을 나타낸다.
이러한 본 발명의 고체 추진제 조성물은 연소 속도를 개선시키는 연소 촉매로서 적색 산화철(Fe2O3) 대신에 황색 산화철(FeOOH)를 포함하여 고온, 고압의 조건에서 압력지수 값을 상대적으로 낮출 수 있으며, 이와 같은 압력지수의 감소는 고체 로켓 모터에서의 문제가 되었던 침식 연소 현상을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 고체 추진제 조성물은 고체 추진제의 구조적 안정성과 추진기관의 최대압력을 낮출 수 있어 추진기관에서 연소관의 구조 마진을 증대시킬 수 있으며, 이로 인해 연소관의 구조 마진이 클수록 연소관의 두께는 감소시킬 수 있어 추진기관의 무게의 경량화가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실험예 1에 따라 BATES(Ballistic Test) 방법을 수행하기 위해 제작된 고체 추진제의 형상을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고체 추진제 조성물의 압력구간별 압력지수(n)를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고체추진제 조성물의 시간에 따른 압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 고체 추진제 조성물에서 연소촉매 종류에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험예 4를 수행하기 위해 제조된 고체 추진제 시편의 형상을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 고체 추진제 조성물에서 연소촉매 중량 비율과, 제1입자 및 제2입자의 중량비 변화에 따른 연소속도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 고체 추진제 조성물에서 연소촉매 중량 비율과, 제1입자 및 제2입자의 중량비 변화에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프이다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다”, “포함한다” 또는 “첨가된다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수 도 있고, 또한 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 설명되는 각 단계의 반복 횟수, 온도, 시간과 같은 공정 조건 등은 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 한 특별히 한정되지 않는다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 추진기관용 고체 추진제 조성물 총 중량에 대하여, 산화제를 10 중량% 내지 95 중량%, 바인더를 0.1 중량% 내지 20 중량%, 금속연료를 0.1 중량% 내지 30중량%, 경화제를 0.1 중량% 내지 20 중량%, 가소제를 0.1 중량% 내지 30 중량%, 결합제를 0.1 중량% 내지 10 중량% 및 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)을 0.01 중량% 내지 10 중량%가 포함되며, 이와 같은 각 구성 물질의 함량을 한정하는 이유는 다음과 같다.
추진기관용 고체 추진제 조성물 내에 산화제의 함량이 10 중량%미만이면, 추진제 연소에 필요한 산소의 양을 만족하지 못하므로 추진제가 연소되지 못하는 문제가 발생할 수 있으며, 반대로 산화제 함량이 95 중량%를 초과하면 상대적으로 바인더의 함량이 적어 추진제 연소속도가 감소되는 문제점이 발생한다.
금속연료는 추진기관의 추진력을 높이고 고체 추진제의 연소 불안정을 줄이는 등 고체 추진제의 성능을 향상시키기 위한 첨가제이며, 고체 추진제 조성물 내에서 금속연료의 함량이 0.1 중량% 미만이면, 그 함량이 적어 고체 추진제의 추진력이 감소하여, 추진력 향상 효과가 미미하다. 그리고 금속연료가 30중량%를 초과하면 추진제 내부에 연료농후(fuel rich) 상태가 되어 금속연료로 사용되는 알루미늄(Al)이 응집 현상에 의해 불완전 연소가 되므로 추진기관의 성능을 저하시키는 문제점이 발생될 수 있으므로 0.1 중량% 내지 30 중량%의 범위로 한정할 필요성이 있다.
산화제는 상대적으로 밀도가 크고 금속연료 분말은 산화제에 비해 상대적으로 밀도가 작으므로 혼합하면 비중의 차이로 인하여 심하기 분리되어 혼합이 완전하게 잘 이루어지지 않는다. 따라서 고체 추진제 조성물 내에서 바인더(binder)는 산화제와 금속연료를 물리·화학적으로 결합시켜 넓은 범위의 작동 온도 하에서 노출되어 있는 추진제 그레인이 만족할 만한 기계적 성질을 유지시켜주고 추진력 발생에 필요한 연소성 물질로도 작용하는 역할을 한다.
그러므로 바인더의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우, 그 함량이 적어 전술한 바인더의 산화제와 연료의 결합시켜 기계적 성질을 유지시키는 효과가 미미하게 나타나는 문제점이 발생된다. 그리고 바인더가 20중량%를 초과할 경우, 상기 산화제의 함량이 상대적으로 감소하므로 0.1 중량% 내지 20중량%의 범위로 한정할 필요가 있다.
경화제, 가소제, 결합제 및 연소 촉매는 고분자의 바인더를 가교시키기 위해 첨가하는 물질로 추진기관용 고체 추진제 조성물에 포함된다.
상기 경화제는 고체 추진제 조성물에 0.1 중량% 내지 20 중량%로 포함할 수 있다. 상기 경화제의 함량은 바인더의 경화 반응에 필요한 함량으로서, 상기 제시된 범위를 벗어나면 고체 추진제의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 가소제는 유리전이온도(Tg)를 낮춰 저온 최대 연신율을 향상시키며, 또한 가공성능을 개선하고 점도를 낮추어 유동성을 증가시키는 등 기계적 물성을 개선시키는 역할을 하며, 고체 추진제 조성물에 0.1 중량% 내지 30 중량%로 포함할 수 있다. 따라서 상기 가소제가 상기 제시된 범위를 벗어나면 고체 추진제의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 결합제는 바인더와 산화제의 결합력을 증대시켜 추진제의 기계적 물성 향상에 기여하며, 추진기관용 고체 추진제 조성물에서 0.1 중량% 내지 10 중량%의 함량으로 포함할 수 있고, 상기 결합제가 상기 제시된 범위를 초과하면 추진제 성능저하에 문제가 발생할 수 있다.
상기 연소 촉매는 황색 산화철(FeOOH)로, 이 연소 속도 촉매는 추진제의 연소 시에 바인더 및 산화제의 분해반응을 촉진하여 연소속도를 증가시킨다.
상기 연소 촉매는 상기 추진기관용 고체 추진제 조성물에서 0.01 중량% 내지 10 중량%의 함량으로 포함할 수 있으며, 연소 촉매는 미량으로 연소속도를 증가시키는 것으로, 연소 촉매가 과량으로 그 함량의 증가에 따라 연소속도가 선형으로 증가하지 않고, 고체 추진제 조성물 중 10 중량%를 초과하면 오히려 추진제 성능 손실을 초래할 수 있다.
본 발명의 추진기관용 고체 추진제 조성물은 제시된 물질뿐만 아니라 본 발명의 추진기관용 고체 추진제 조성물의 주요 특성을 변화시키지 않은 조건 하에서, 고체 추진제 성능을 향상시킬 수 있는 물질로서 추진제의 연소 불안정을 해소시킬 수 있는 연소 안정제나, 산화방지제 등의 첨가물을 추가적으로 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일례를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 일례는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명한 바에 한정되지 않는다.
실시예 1은 본 발명에 따른 추진기관용 고체 추진제 조성물은 산화제로 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP) 70.5 중량%, 금속연료로 입자의 평균직경이 30㎛인 알루미늄 분말 18 중량%, 바인더로 하이드록시 터미네이트 폴리에테르(hydroxy terminated polyether, HTPE)와 경화제로 이소포론디이소시아네이트(isophorone diisocyanante, IPDI)의 함량의 합이 8.5 중량%, 가소제로 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate, DOA) 2.5 중량%, 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH) 0.3 중량%를 포함하는 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다. 이 실시예 1의 조성물에서 암모늄 퍼클로레이트의 제1입자 및 제2입자의 중량 비율은 2.8:1이다.
본 발명의 추진기관용 고체 추진제 조성물에서 산화제로 사용되는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에서 제1입자 및 제2입자의 중량 비율에 따라 특성 변화를 알아보고자, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 그 원료를 조성함에 있어, 하기 실시예 2 내지 실시예 4에서와 같이 산화제로 사용되는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에 있어서 제1입자 및 제2입자의 중량비를 달리한 암모늄 퍼클로레이트를 사용하였다.
실시예 2는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 산화제로 사용되는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에서 제1입자 및 제2입자를 2.6:1 중량비로 하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 3은 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 산화제로 사용되는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에서 제1입자 및 제2입자를 2.4:1 중량비로 하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 4은 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 산화제로 사용되는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에서 제1입자 및 제2입자를 2.3:1 중량비로 하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
금속 연료로 사용하는 황색 산화철(FeOOH)의 함량에 따라 고체 추진제의 연소 속도와 압력지수를 알아보고자, 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 각 원료를 조성함에 있어 하기 실시예 5 내지 실시예 7과 같이 황색 산화철(FeOOH)의 함량을 달리하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 5는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 연소 촉매로 사용되는 황색 산화철(FeOOH) 0.4 중량%로 하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 6은 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 연소 촉매로 사용되는 황색 산화철(FeOOH) 0.5 중량%로 하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 7은 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 연소 촉매로 사용되는 황색 산화철(FeOOH) 0.6 중량%로 하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
비교예 1은 상기 실시예 1과 동일하게 실시하되, 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)이 아닌 적색 산화철(Fe2O3)을 0.3 중량%로 포함하여 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하였다.
상기에 설명된 각 실시예의 추진기관용 고체 추진제 조성물을 제조하고, 다음 실험예들과 같은 고체 추진제 특성 시험을 실시하여 고체 추진제 조성물의 연소 속도, 점도 및 기계적 특성을 분석하였다.
실험예 1은 고체 추진제의 연소 속도(Burinig rate) 측정에 관한 것으로, 상기 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1에 따라 제조된 각 고체 추진제 조성물의 연소 속도를 측정하기 위하여 15℃ 온도 및 1800psia 압력조건으로 다음과 같은 BATES(Ballistic Test) 방법을 수행하였다.
BATES(Ballistic Test) 방법은 소형의 시험용 로켓 연소관과 도 1과 같은 형태의 일정 크기의 고체 추진제를 제작하여 직접 연소시켜 압력-시간 곡선을 획득함으로써, 압력에 따른 연소 속도를 측정하는 방법이다. 여기서 추진제의 평균 연소속도는 추진제의 두께를 연소시간으로 나누어 계산할 수 있다.
구체적으로 고체 추진제의 연소속도(Burning rate)는 하기와 같은 Vieille's Law에 의한 Saint Robert 수학식을 따라 계산하였다.
Figure 112016106213239-pat00002
상기 수학식에서
Figure 112016106213239-pat00003
는 연소속도(inches/s 또는 mm/s)를 나타내고,
Figure 112016106213239-pat00004
는 추진제 온도에 따른 상수를 나타내고,
Figure 112016106213239-pat00005
는 연소실 압력(MPa 또는 psi)을 나타내고,
Figure 112016106213239-pat00006
는 압력지수를 나타낸다.
상기 실험예 1의 결과는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다.
구분 연소속도(mm/s) 압력지수
실시예 1 16.51 0.4510
실시예 2 16.85 0.4665
실시예 3 17.34 0.4805
실시예 4 17.57 0.4928
실시예 5 16.51 0.4510
실시예 6 16.82 0.4681
실시예 7 17.18 0.4908
비교예 1 16.30 0.5260
상기 표 2에서처럼 실시예 1 내지 실시예 7의 압력지수(n)는 0.5 미만으로 나타나는 바 0.5260로 0.5 이상의 압력지수를 보이는 비교예 1보다 낮은 압력지수를 나타내며, 실시예 1 내지 실시예 7의 연소속도는 15 내지 17 mm/s 정도로 비교예 1과 비교하였을 때 상대적으로 높은 연소속도를 나타내었다. 이는 본 발명의 실시예에 따른 고체 추진제는 기존 고체 추진제 대비 압력지수가 낮지만 연소속도가 감소되지 않음을 확인할 수 있었다.
실험예 2는 고체 추진제에서 연소 촉매의 종류에 따른 압력지수를 비교해보고자 실시예 1 및 비교예 1의 고체 추진제를 1800psia 압력에서 상온(15℃) 및 고온(60℃)조건으로 상기 BATES(Ballistic Test) 방법을 통해 압력지수를 측정하였다.
상기 실험예 2의 결과는 하기 표 2, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같다.
연료 촉매 종류 온도 조건 초기압력
(psia)		 초기추력
(lbf)
Fe2O3 15℃ 2,477 33,680
Fe2O3 60℃ 3,138 42,873
FeOOH 15℃ 2,464 34,176
FeOOH 60℃ 2,691 37,128
도 2는 각각 상온(15℃) 및 고온(60℃)에서의 압력구간별 압력지수(n)를 나타낸 그래프로서, 고체 추진제 조성 및 함량이 동일한 조건에서 연소촉매의 종류에 따른 압력지수를 비교한 결과이다.
상기 표 2와 도 2에 도시된 바와 같이 적색 산화철(Fe2O3)과 황색 산화철(FeOOH) 비교시 고체 추진제에 황색 산화철(FeOOH)을 적용하였을 때, 고온(60℃)과 높은 압력에서 압력지수가 낮은 것을 알 수 있다.
도 3은 시간에 따른 압력 변화를 보여주는 그래프로서 고체 추진제에 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)을 적용 시 추진기관 작동 초기 압력이 적색 산화철(Fe2O3)을 적용했을 경우보다 상대적으로 낮은 것을 확인할 수 있었다.
실험예 3은 고체 추진제의 점도 측정으로 상기 실시예 1 내지 실시예 7 및 비교예 1에 따라 제조된 각 고체 추진제 조성물은 각 조성물질을 넣고 혼합 공정이 완료된 직후에 60℃ 온도에서 Brookfield 회전식 점도계로 측정하였다.
상기 실험예 3의 결과는 도 4에 나타내었다.
도 4는 고체 추진제에서 연소 촉매의 종류에 따른 점도 변화를 나타낸 그래프로 도시된 바와 같이, 적색 산화철(Fe2O3)을 포함하는 고체 추진제 조성물은 60℃에서 점도가 6kPs 이상 8kPs 미만으로 나타나고, 황색 산화철(FeOOH)을 포함하는 고체 추진제 조성물은 60℃에서 점도가 4 내지 6kPs으로 나타나는 바, 황색 산화철(FeOOH)을 포함하는 고체 추진제는 적색 산화철(Fe2O3)을 포함하는 고체 추진제 보다 상대적으로 낮은 초기 점도를 나타내었다. 이는 황색 산화철(FeOOH)을 포함하는 고체 추진제 조성물이 낮은 점도인해 추진기관 제작에 유리한 공정성을 가짐을 알 수 있었다.
실험예 4는 추진제용 고체 추진제에 있어서 산화제로 사용하는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에서 제1입자 및 제2입자의 비율에 따라 특성 변화를 알아보고자, 상기 실시예 1 내지 실시예 4에 따라 제조된 각 고체 추진제 조성물을 시편을 제작하여 인장 강도 측정방법을 실시하였다.
구체적으로 실험예 4는 경화가 완료된 추진제는 시편(JANNAF Specimen)을 제조하였으며, 시편은 굵기 12.7mm, 길이 127mm 정도로 하여 도 5과 같이 도시된 바와 같은 치수와 형상으로 제조하였다. 이렇게 제조된 시편을 인장 시험기(Universal Tensile Tester)를 통해 50mm/분의 인장속도로 20℃ 온도에서 측정하였고, 이와 같은 인장 시험에 의해 얻어진 시편의 신율-응력 곡선을 제작된 시편의 인장 강도, 시편 변형율, 탄성률 및 밀도를 측정하였다.
상기 실험예 4의 결과를 정리하면 하기 표 3에 나타낸 바와 같다.
구분 인장 강도
(bar)		 변형율
(%)		 탄성율
(bar)		 밀도
(g/cc)
실시예 1 9.05 34.67 83.30 1.82
실시예 2 9.29 32.56 72.78 1.82
실시예 3 10.31 32.93 85.75 1.82
실시예 4 10.37 35.64 73.76 1.82
또한 연소촉매로 황색 산화철(FeOOH)과 산화제의 입자 중량비 변화에 따른 연소 속도 및 점도 특성을 분석하여, 최적 중량비를 갖는 조성을 확인하였다.
여기서 연소 속도 특성은 상기 실험예 2와 같이 고체 추진제 조성물을 1800psia 압력과 20℃ 온도조건에서 BATES(Ballistic Test) 방법을 이용하여 연소 속도를 측정하였다. 그리고 점도는 상기 실험예 3에서와 같은 방법으로 혼합 공정이 완료된 고체 추진제 조성물을 60℃ 온도에서 Brookfield 회전식 점도계를 사용하여 점도를 측정하였으며, 그 결과는 도 6과 도 7에 나타내었다.
도 6은 황색 산화철(FeOOH)과 산화제의 입자 중량비 변화에 따른 연소 속도 그래프이며, 도 6에 도시된 바와 같이 산화제의 총량이 일정할 경우 연소 촉매의 함량 비율이 증가할수록 연소 속도가 증가하며, 연소 촉매의 중량이 동일할 경우에는 산화제로 사용하는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에서 제1입자 대 제2입자의 중량비가 감소하는 경우 즉 제2입자의 중량 비율이 증가할수록 연소속도가 증가하는 결과가 나타났다.
도 7은 황색 산화철(FeOOH)과 산화제의 입자 중량비 변화에 따른 점도 그래프이며, 도 7에 도시된 바와 같이 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)의 중량이 동일한 경우 산화제로 사용하는 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate, AP)에서 제1입자 대 제2입자의 중량비에 따른 점도의 변화는 크게 나타나지 않았으며, 암모늄 퍼클로레이트에서 제1입자 대 제2입자의 중량비가 일정할 때, 연소 촉매의 중량이 증가할수록 점도는 증가하는 결과가 나타났다.
이처럼 상기 실험예 결과를 바탕으로 하여 본 발명에 따라 제조된 고체 추진제 조성물의 연소 속도를 측정하였을 때, 고체 추진제에 연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)을 적용하였을 경우 고온, 고압에서의 압력지수(n) 및 초기압력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 고온, 고압 조건에서의 압력지수(n) 및 초기압력이 낮은 고체 추진제 조성을 통해 침식 연소 현상을 줄일 수 있으므로 내탄도 성능은 물론 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 추진기관의 최대압력을 낮출 수 있어 연소관의 구조 마진을 증대 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 추진기관에서 연소관의 구조 마진이 클수록 연소관의 두께를 감소시킬 수 있고, 추진기관 무게의 30%이상을 차지하는 연소관의 무게를 낮출 수 있어 경량화가 가능한 효과가 있다.
앞서 살펴본 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자인 당업자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것이 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

Claims (11)

  1. 고체 추진제 조성물 총 중량에 대하여,
    산화제로 암모늄 퍼클로레이트(ammoniun perchlorate)를 10 중량% 내지 95 중량%,
    바인더를 0.1 중량% 내지 20 중량%,
    금속연료를 0.1 중량% 내지 30중량%,
    경화제를 0.1 중량% 내지 20 중량%,
    가소제를 0.1 중량% 내지 30 중량%,
    결합제를 0.1 중량% 내지 10 중량% 및
    연소 촉매로 황색 산화철(FeOOH)을 0.01 중량% 내지 10 중량% 포함하며,
    상기 암모늄 퍼클로레이트는 암모늄 퍼클로레이트 입자의 직경이 169 내지 210㎛인 제1입자와 암모늄 퍼클로레이트 입자의 직경이 5 내지 7㎛인 제2입자를 2.3:1 내지 2.8:1의 중량비로 포함하는 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 바인더는 하이드록시 터미네이트 폴리에테르(hydroxy terminated polyether) 및 하이드록시 터미네이티드 폴리부타디엔(hydroxyterminated polybutadiene) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속연료는 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 붕소(B) 및 납(Pb) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 경화제는 다이머디이소시아네이트(dimer diisocyanante), 이소포론디이소시아네이트(isophorone diisocyanante) 및 헥사메틸렌디이소시아네이트 (hexamethylene diisocyanate) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가소제는 디옥틸세바케이트(dioctyl sebacate), 디옥틸아디페이트(dioctyl adipate) 및 이소데실펠라고네이트(isodecyl pelargonate) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 결합제는 비스이소프타닐메틸아지리딘(bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine), 트리 메소일에틸아지리딘(trimesoyl-1-(2-ethyl) aziridine), 시아노 폴리아민(cyanoethylated Polyamine), 테파놀(TEPANOL) 또는 비스하이드록시에틸글리콜아미드(bis-hydroxyethyl glycol amide) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 고체 추진제 조성물은 전체 조성물의 총 중량이 100중량%가 되도록 경화 촉매 및 경화 부촉매를 더 포함하며,
    상기 경화 촉매는 트리페닐 비스무스(triphenyl bismuth)이고, 상기 경화 부촉매는 말레인 무수물(maleic anhydride) 및 산화 마그네슘(magnesium oxide) 중에서 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 고체 추진제 조성물은 15 내지 60℃ 온도와 0 내지 3000psia 압력 조건에서 압력지수가 0.5 미만이고, 연소 속도가 15 내지 17 mm/s인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 고체 추진제 조성물은 60℃에서 점도가 4 내지 6kPs인 것을 특징으로 하는 추진기관용 고체 추진제 조성물.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102021126B1 (ko) * 2018-04-10 2019-09-11 국방과학연구소 고 압력지수 고체 추진제 조성물
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