KR102021126B1 - 고 압력지수 고체 추진제 조성물 - Google Patents

고 압력지수 고체 추진제 조성물 Download PDF

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KR102021126B1
KR102021126B1 KR1020180041376A KR20180041376A KR102021126B1 KR 102021126 B1 KR102021126 B1 KR 102021126B1 KR 1020180041376 A KR1020180041376 A KR 1020180041376A KR 20180041376 A KR20180041376 A KR 20180041376A KR 102021126 B1 KR102021126 B1 KR 102021126B1
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민병선
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 고 압력지수 고체 추진제 조성물에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 니트라민계, 나이트레이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 산화제; 및 사슬 말단에 수산기를 가지는 프리폴리머;를 포함하고, 0.6 내지 1.0의 압력지수를 가지는, 고체 추진제 조성물에 관한 것이다.

Description

고 압력지수 고체 추진제 조성물 {HIGH PRESSURE EXPONENT SOLID COMPOSITE PROPELLANT}
본 발명은 고 압력지수 고체 추진제 조성물에 관한 것이다.
로켓 및 미사일의 추진기관은 운용성 및 신뢰성으로 인하여 액체 추진기관 보다는 고체 추진기관을 주로 사용하고 있다. 하지만, 액체 추진기관에 비해 고체 추진기관은 추력 조절이 쉽지 않다는 커다란 단점을 가지고 있어, 최근에는 이를 극복하기 위하여 여러 가지 방안을 연구하고 있다. 대표적인 연구방안은 추진기관 내 그레인 형상을 달리하여 추력을 조절하는 방법이 있으며, 또한 추진제 그레인 내 격막을 설치하여 필요시 추력을 발생시킬 수 있는 기술을 연구하고 있다. 하지만, 위와 같은 추력 조절 방법은 1~2회성에 한해 추력 조절이 가능한 소극적인 추력 조절 방법이다.
한편, 적극적인 추력 조절 방법으로서, 고체 추진기관 내, 노즐목의 면적을 변화시켜 추력의 크기를 변화시킬 수 있는 가변 추력 로켓 추진기관에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 노즐목의 면적을 변화시킬 수 있는 방법으로 현재까지 가장 널리 알려진 방법은 핀틀(Pintle)의 노즐조립체 내 위치변동에 의한 것이다.
추진기관 내 이와 같이 핀틀을 적용할 경우, 핀틀의 이동에 의하여 모터 내 압력의 변화폭이 상당히 크기 때문에 특성화된 고체 추진제로 모터가 충전되어야만 한다. 아래 수학식 1에 나타낸 바와 같이, 로켓 모터의 추력은 모터 내 압력에 비례하며, 압력은 추진제 연소면적은 물론 노즐목 면적과 밀접한 관계가 있다.
Figure 112018035426946-pat00001
(
Figure 112018035426946-pat00002
=연소관 압력,
Figure 112018035426946-pat00003
=추진제 밀도,
Figure 112018035426946-pat00004
=상수,
Figure 112018035426946-pat00005
=방출계수,
Figure 112018035426946-pat00006
=연소면적,
Figure 112018035426946-pat00007
=노즐 직경,
Figure 112018035426946-pat00008
=압력지수이다.)
또한, 추진제 압력지수(n)에 의하여 연소실 내 압력이 결정이 되는 데, 즉 압력지수가 클수록 연소 압력이 증가하여 추력을 증가시킬 수 있게 된다. 따라서, 가변 추력 로켓 추진기관의 추진제는 일반적으로 낮은 압력지수를 요구하는 일반 유도무기용 추진제와는 달리 높은 압력지수를 가져 압력변화 따른 추력변화를 증가시킬 수 있어야 한다.
따라서, 일반적으로 0.6 이상의 높은 압력지수를 가진 추진제를 추력을 조절할 수 있는 가변 추력용 로켓 모터의 추진제로 선호하고 있으며, 이를 구현하기 위한 연구가 진행중이다.
본 발명의 목적은, 압력에 민감한 연소속도를 가진 즉, 압력지수가 높은 혼합형 고체 추진제 조성물을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 추진제 조성물은, 니트라민계, 나이트레이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 산화제; 및 사슬 말단에 수산기를 가지는 프리폴리머;를 포함하고, 0.6 내지 1.0의 압력지수를 가진다.
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 40 중량% 내지 80 중량%인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 시클로 트리메틸렌테트라니트라민(cyclo trimethylene tetranitramine: HMX), 헥사니트로 헥사아자이소부르치탄 (hexanitro hexaaza isowurtzitane: HNIW) 및 시클로트리메틸렌 트리니트라민 (cyclotrmethylene trinitramine: RDX)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 니트라민, 암모늄 나이트레이트(ammonium nitrate: AN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다,
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 50 ㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 제1 산화제 및 150 ㎛ 내지 250 ㎛의 입자 크기를 가지는 제2 산화제를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 상기 제1 산화제와 상기 제2 산화제를 3 : 7 내지 7 : 3의 중량 비율로 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 프리폴리머는, 상기 고체 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 15 중량%인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 프리폴리머는, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 글리콜, 글리시딜 아지드 폴리머 및 폴리글리시딜 아디페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 암모늄 퍼클로레이트(ammonium perchlorate: AP), 구아니딘 디니트라미드 (guanidine Dinitramide: GUDN), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 조산화제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 조산화제는, 50 ㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 제1 조산화제 및 150 ㎛ 내지 250 ㎛의 입자 크기를 가지는 제2 조산화제를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 조산화제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 10 중량% 내지 40 중량%인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 이소포론 디이소시아네이트(Isophorone Diisocyanate: IPDI), 다관능성 이소시아네이트 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 우레탄 경화제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 하기 화학식 1, 하기 화학식 2 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 첨가제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112018035426946-pat00009
(R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
[화학식 2]
Figure 112018035426946-pat00010
(R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
일 측면에 따르면, 상기 첨가제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 3 중량%인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 부탄트리올 트리니트레이트(butanetriol trinitrate: BTTN), 트리메틸올에탄 트리니트레이트(trimethylolethane trinitrate: TMETN), 디에틸렌 글리콜 디니트레이트(diethylene glycol dinitrate: DEGDN), BuNENA(N-n-Butyl-N-(2-nitratoethyl)nitramine) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가소제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 알루미늄, 지르코늄, 붕소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 연료 충전제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, N-메틸 나이트로아닐린(N-methyl nitroaniline: NMA), 2-나이트로디페닐아민(2-nitrodiphenylamine: 2-NDPA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 노화 안정제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 트리페닐비스무스(triphenylbismuth: TPB), 디니트로살리사이클릭 에시드(dinitrosalicylic acid: DNSA), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 경화 촉매;를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 고체 추진제 조성물은, 니트라민계, 나이트레이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 산화제를 포함함으로써, 0.6 내지 1.0의 압력지수를 구현할 수 있다.
또한, 암모늄 퍼클로레이트(ammonium perchlorate: AP), 구아니딘 디니트라미드 (guanidine Dinitramide: GUDN), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 조산화제를 더 포함함으로써, 0.6 내지 0.7의 압력지수를 구현할 수 있다.
또한, 고체 추진제 조성물에 포함되는 산화제와 조산화제의 입자크기 및 함량을 조절하여, 최적의 압력지수를 구현할 수 있다.
이하 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 고 압력지수 고체 추진제 조성물에 대하여 실시예를 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고체 추진제 조성물은, 니트라민계, 나이트레이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 산화제; 및 사슬 말단에 수산기를 가지는 프리폴리머;를 포함하고, 0.6 내지 1.0의 압력지수를 가진다.
혼합형 고체 추진제의 압력지수는, 포함되는 산화제의 종류에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 혼합형 고체 추진제에 널리 사용되는 산화제인 암모늄 퍼클로레이트(AP, Ammonium Perchlorate)는 연소 특성이 우수하지만, 암모늄 퍼클로레이트(AP, Ammonium Perchlorate)를 산화제로서 사용하는 고체 추진제의 압력지수는 0.5 이하로 낮게 형성된다.
이에 반해, AP와는 다른 연소 메커니즘에 의하여 연소하는 니트라민계, 나이트레이트계 산화제를 고체 추진제의 주 산화제로서 포함할 경우, 0.6 내지 1.0의 압력지수를 구현할 수 있다. 바람직하게는, 0.6 내지 0.8의 압력지수를 구현하는 것이 바람직하며, 0.6 내지 0.7의 압력지수를 구현하는 것이 추력 조절용 추진제로서 매우 바람직하다.
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 40 중량% 내지 80 중량%인 것일 수 있다. 바람직하게는, 상기 고체 추진제 조성물 중 60 중량% 내지 80 중량%인 것일 수 있다. 고체 추진제의 사용방안 및 요구 특성에 따라 범위는 달라질 수 있으나, 상술한 범위를 만족하면, 추진제의 기계적 특성, 연소특성 및 점화성에 가장 유리한 효과가 있다.
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 시클로 트리메틸렌테트라니트라민(cyclo trimethylene tetranitramine: HMX), 헥사니트로 헥사아자이소부르치탄 (hexanitro hexaaza isowurtzitane: HNIW) 및 시클로트리메틸렌 트리니트라민 (cyclotrmethylene trinitramine: RDX)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 니트라민, 암모늄 나이트레이트(ammonium nitrate: AN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다, 상술한 것과 같이 니트라민계, 나이트레이트계 산화제를 고체 추진제의 주 산화제로서 포함할 경우, 0.6 내지 1.0의 압력지수를 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 50 ㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 제1 산화제 및 150 ㎛ 내지 250 ㎛의 입자 크기를 가지는 제2 산화제를 포함하는 것일 수 있다. 더욱 자세하게, 상기 제1 산화제는, 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 입자 크기를 가지는 것이 바람직하고, 상기 제2 산화제는, 150 ㎛ 내지 200 ㎛의 입자 크기를 가지는 것이 바람직하다.
또 다른 일 예로, 상기 산화제는, 1 ㎛ 내지 10 ㎛의 입자 크기를 가지는 제1 산화제, 150 ㎛ 내지 200 ㎛의 입자크기를 가지는 제2 산화제 및 50 ㎛ 내지 100 ㎛의 입자크기를 가지는 제3 산화제를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 산화제는, 상기 제1 산화제와 상기 제2 산화제를 3 : 7 내지 7 : 3의 중량 비율로 포함하는 것일 수 있다. 고체 추진제에 요구되는 압력지수에 따라 작은 산화제(제1 산화제)와 큰 산화제(제2 산화제)의 중량 비율을 적절하게 조절하여 사용할 수 있으며, 상술한 범위를 만족하면, 추진제 조성물의 슬러리 점도, 공정 수행 등에 유리한 효과를 나타낸다.
혼합형 고체 추진제의 압력지수는 추진제 조성에 적용되는 산화제 종류에 많은 영향을 받을 뿐 아니라, 산화제의 입자 크기 및 혼합비율에 의해서도 많은 영향을 받는다. 150 ㎛ 이상의 큰 입도의 산화제 함량이 증가함에 따라 고체 추진체의 압력지수가 증가하며, 50 ㎛ 이하의 작은 입도의 산화제와 혼합하여 고체 추진체의 압력지수 및 슬러리 점도를 적절하게 조절하는 것이 바람직하다.
일 측면에 따르면, 상기 프리폴리머는, 상기 고체 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 15 중량%인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 프리폴리머는, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 글리콜, 글리시딜 아지드 폴리머 및 폴리글리시딜 아디페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 암모늄 퍼클로레이트(ammonium perchlorate: AP), 구아니딘 디니트라미드 (guanidine Dinitramide: GUDN), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 조산화제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
0.8 이상의 압력지수를 가진 추진제의 경우, 추진제의 연소속도가 압력 변화에 아주 민감하게 변하기 때문에, 추력을 수 회 또는 수십 회 조절해야 하는 로켓 모터에 적용하는 데에 많은 제약이 발생된다.
따라서, 니트라민계 및 나이트레이트계 산화제 기반 고체 추진제에 조산화제(Co-oxidizers)를 병행 사용함으로써, 압력지수를 최적의 압력지수인 0.6 내지 0.7로 조절할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 조산화제는, 50 ㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 제1 조산화제 및 150 ㎛ 내지 250 ㎛의 입자 크기를 가지는 제2 조산화제를 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 고체 추진제 조성물의 연소속도는, 1000 psi의 압력조건에서 5 mm/sec 이상인 것일 수 있으며, 작은 입자 크기의 조산화제를 혼합하여 사용함으로써, 고체 추진제 조성물의 연소속도를 1000 psi의 압력조건에서 9 mm/sec 이상으로 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 조산화제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 10 중량% 내지 40 중량%인 것일 수 있다. 사용되는 산화제의 종류에 따라 상기 조산화제의 중량이 조절된다. 일 예로, 산화제로서 MHX을 사용할 경우, AP 조산화제를 20 중량% 포함하여 0.6 내지 0.7의 압력지수를 가지는 고체 추진제 조성물을 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 이소포론 디이소시아네이트(Isophorone Diisocyanate: IPDI), 다관능성 이소시아네이트 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 우레탄 경화제;를 더 포함하는 것일 수 있다. 우레탄 경화제로서, IPDI, 다관능성 이소시아네이트 화합물 및 이들의 조합을 사용할 경우, 적절한 범위의 인장강도를 가지면서도 공정성이 유리해질 수 있고, 고체 함량이 높은 추진제를 제조할 수 있다.
일 측면에 따르면, 하기 화학식 1, 하기 화학식 2 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 첨가제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
Figure 112018035426946-pat00011
(R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
Figure 112018035426946-pat00012
(R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
일 측면에 따르면, 상기 첨가제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 3 중량%인 것일 수 있다.
상기 화학식 1 및 화학식 2로 표기되는 이관능성 알킨 화합물 첨가제를 첨가함으로써, 니트라민계 산화제 기반 고체 추진제의 압력지수를 조절할 수 있으며, 첨가량에 따라 압력지수가 증가하는 효과가 있다. 일 예로, HNIW 산화제를 포함하는 고체 추진제에 0.5 중량%의 이관능성 알킨 화합물을 첨가할 경우, 고체 추진제의 압력지수가 0.6에서 0.8로 증가한다.
일 측면에 따르면, 부탄트리올 트리니트레이트(butanetriol trinitrate: BTTN), 트리메틸올에탄 트리니트레이트(trimethylolethane trinitrate: TMETN), 디에틸렌 글리콜 디니트레이트(diethylene glycol dinitrate: DEGDN), BuNENA(N-n-Butyl-N-(2-nitratoethyl)nitramine) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가소제;를 더 포함하는 것일 수 있다. 상기 가소제는 혼합형 고체 추진제의 연소특성이나 기계적 특성을 변화시키기 위한 것으로, 상기 혼합형 고체 추진제의 요구 특성에 따라 고에너지를 함유하는 물질인 BTTN, TMETN, DEGDN, BuNENA 및 이들의 조합을 상기 고체 추진제 조성물 중 0 중량% 초과 20 중량% 이하로 포함할 수 있다.
일 측면에 따르면, 알루미늄, 지르코늄, 붕소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 연료 충전제;를 더 포함하는 것일 수 있다. 일 측면에 따르면, 상기 금속 연료 충전제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 0 중량% 초과 20 중량% 이하인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, N-메틸 나이트로아닐린(N-methyl nitroaniline: NMA), 2-나이트로디페닐아민(2-nitrodiphenylamine: 2-NDPA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 노화 안정제;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 노화 안정제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 1 중량%인 것일 수 있다. 1 중량%를 초과하는 경우 추가에 대한 효과가 더 우수하게 나타나지 않으며, 0.1 중량% 미만일 경우에는 안정제의 효과가 매우 미미하다.
일 측면에 따르면, 트리페닐비스무스(triphenylbismuth: TPB), 디니트로살리사이클릭 에시드(dinitrosalicylic acid: DNSA), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 경화 촉매;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 경화 촉매는 우레탄 경화 속도를 조절하기 위해 첨가하는 것일 수 있으며, 상기 고체 추진제 조성물 중 0.01 중량% 내지 0.1 중량%인 것일 수 있다. 0.1 중량%를 초과하는 경우 추진제 경화 속도가 지나치게 빠른 문제점이 발생할 수 있으며, 0.01중량% 미만일 경우에는 추진제가 경화되지 않거나 추진제의 경화 속도가 매우 느려지는 문제점이 발생할 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[비교예 1 내지 비교예 3]
AP를 주 산화제서로 포함하는 고체 추진제 조성물을 준비하였다. 조성물의 함량은 아래의 표 1과 같다.
샘플 바인더
(함량, 중량%)		 산화제(함량, 중량%) 연소속도
(mm/sec @1,000psi)		 압력지수
AP HMX AN
6㎛ 200㎛ 5㎛ 30㎛
비교예 1 HTPB(12) 28 43 12.2 0.3524
비교예 2 HTPB(12) 8 43 20 6.5 0.3324
비교예 3 HTPE(20) 25 45 10 9.08 0.3763
[실시예 1 내지 실시예 11]
HMX, RDX, HNIW, AN 또는 이들의 조합을 산화제로서 포함하는 고체 추진제 조성물을 준비하였다. 조성물의 함량은 아래의 표 2와 같다.
샘플 바인더
(함량, 중량%)		 산화제(함량, 중량%) 연소속도,
(mm/sec
@1,000psi)		 압력지수
HMX RDX HNIW AN
5㎛ 200㎛ 5㎛ 5㎛ 50㎛ 200㎛ 5㎛ 150㎛
실시예1 PCP(28) 28 43 4.2 0.9409
실시예 2 PEG(28) 28 43 6.7 0.9684
실시예 3 GAP(28) 37 34 7.1 0.8622
실시예 4 GAP(28) 46 25 7.0 0.8399
실시예 5 GAP(28) 51 20 6.9 0.7842
실시예 6 PCP(28) 28 43 11.2 0.9214
실시예 7 PEG(28) 28 43 14.3 0.9040
실시예 8 GAP(38) 27 35 16.4 0.7531
실시예 8 GAP(38) 29 32 14.5 0.6061
실시예 9 GAP(28) 44 28 4.1 0.9235
실시예 10 GAP(28) 18
(AP)		 20 34 9.2 0.9082
실시예 11 GAP(28) 18
(AP)		 54 4.8 1.0571
[실시예 12 내지 실시예 33]
HMX, RDX, HNIW 또는 이들의 조합을 산화제로서 포함하고, AP를 조산화제로서 포함하는 고체 추진제 조성물을 준비하였다. 조성물의 함량은 아래의 표 3와 같다.
샘플 바인더
(함량, 중량%)		 산화제(함량, 중량%) 연소속도,
(mm/sec
@1,000psi)		 압력지수
HMX GUDN HNIW AP
5㎛ 200㎛ 150㎛ 5㎛ 50㎛ 200㎛ 6㎛ 200㎛
실시예 12 PCP(28) 28 43 4.2 0.9409
실시예 13 PCP(28) 28 33 10 4.6 0.7658
실시예 14 PCP(28) 28 23 20 5.3 0.7243
실시예 15 PCP(28) 18 33 20 9.2 0.6123
실시예 16 PEG(28) 28 43 6.7 0.9684
실시예 17 PEG(28) 28 33 10 7.5 0.8265
실시예 18 PEG(28) 28 23 20 8.0 0.7115
실시예 19 PEG(28) 13 43 15 13.2 0.6742
실시예 20 GAP(28) 17 54 7.2 0.9239
실시예 21 GAP(28) 17 34 10 7.8 0.8703
실시예 22 GAP(28) 17 34 20 8.5 0.7515
실시예 23 GAP(28) 18 54 7.6 0.5634
실시예 24 PCP(28) 28 43 11.2 0.9214
실시예 25 PCP(28) 28 23 20 10.2 0.8673
실시예 26 PEG(28) 28 43 14.3 0.9040
실시예 27 PEG(28) 28 23 20 14.0 0.8019
실시예 28 GAP(38) 29 32 14.5 0.6061
실시예 29 GAP(38) 29 20 12 14.4 0.6006
실시예 30 GAP(38) 29 10 22 15.0 0.5023
실시예 31 GAP(38) 29 15 15 19.7 0.5175
실시예 32 GAP(28) 18 54(AN) 4.7 0.8247
실시예 33 GAP(28) 18 10,44(AN) 5.4 0.7737
[실시예 34 내지 실시예 37]
HMX, HNIW 또는 이들의 조합을 산화제로서 포함하고, 이관능성 알킨 화합물 첨가제를 포함하는 고체 추진제 조성물을 준비하였다. 조성물의 함량은 아래의 표 4와 같다.
샘플 바인더
(함량, 중량%)		 산화제(함량, %) 연소속도,
mm/sec
@1,000psi		 압력지수
HMX HNIW 첨가제
50㎛ 200㎛ 5㎛ 50㎛ 200㎛
실시예 34 GAP(38) 29 32 14.5 0.6061
실시예 35 GAP(38) 44 15 이관능성 알킨, 0.5% 15.4 0.8149
실시예 36 GAP(38) 29 30 13.8 0.6305
실시예 37 GAP(38) 29 30 이관능성 알킨, 2% 13.4 0.7452
비교예 1 내지 비교예 3은 현재 가장 많이 로켓 및 미사일에 적용되는 고체 추진제의 연소 특성을 구현한 것이다. 상기 표 1을 참조하면, 추진제의 산화제로 압력지수를 높이는 니트라민계 산화제인 HMX과 AN을 포함하고 있음에도 불구하고, 많은 양의 AP를 주산화제로 포함하기 때문에 압력지수가 0.3 내지 0.4로 아주 낮게 형성되는 것을 알 수 있다.
상기 표 2를 참조하면, 상기 비교예 1 내지 비교예 3과는 달리, HMX, RDX, HNIW, AN 또는 이들의 조합을 주산화제로서 포함하는 고체 추진제인 실시예 1 내지 실시예 11은 압력지수가 0.6 이상인 것을 알 수 있다.
한편, 실시예 3, 실시예 4, 및 실시예 5를 참조하면, 큰 입도의 HMX의 함량이 증가함에 따라 압력지수가 증가하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 HNIW를 산화제로 사용한 실시예 7 및 실시예 8에서도 동일하게 나타난다.
HMX와 HNIW간 압력지수에 미치는 영향은 큰 차이가 없는 것을 알 수 있으며, 고체 추진제의 바인더 종류도 압력지수에 큰 영향을 주지는 않는 것을 알 수 있다.
또한, 공유결합 형태로 형성된 니트라민계 산화제와는 달리, 이온 화합물인 AN을 추진제의 주 산화제로 사용할 경우(실시예 9 내지 실시예 11), 높은 압력지수를 유지하는 추진제를 제조할 수 있었다. 특히, 실시예 10을 참조하면, AP와 HMX를 공동 산화제로 적절한 양으로 사용함으로써, 높은 압력지수를 유지하면서, 연소속도를 9 mm/sec 이상으로 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
상기 실시예 1 내지 실시예 11에서 나타낸 0.8이상의 압력지수를 가진 추진제의 경우, 추진제의 연소속도가 압력 변화에 아주 민감하게 변하기 때문에, 추력을 수 회 또는 수십 회 조절해야 하는 로켓 모터에 적용하는 데에 많은 제약이 발생된다.
상기 표 3을 참조하면, HMX, RDX, HNIW 또는 이들의 조합을 산화제로서 포함하고, AP를 조산화제로서 포함하는 고체 추진제 조성물인 실시예 12 내지 실시예 33의 경우, 압력지수가 적절하게 조절된 것을 알 수 있다.
실시예 12 내지 실시예 14를 참조하면, AP를 일정양만큼 포함하여 압력지수를 0.9대에서 0.7대로 낮출 수 있음을 알 수 있다.
또한, 실시예 15를 참조하면, 작은 입자의 AP를 포함하여 연소속도를 9 mm/sec 이상으로 증가시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 24 내지 실시예 27을 참조하면, HNIW 기반 추진제에 AP를 사용함으로써, 연소속도에 대해서는 영향을 주지 않으면서 압력지수를 0.9대에서 0.8대로 낮출 수 있다는 것을 알 수 있다.
한편, 실시예 28 내지 실시예 31을 참조하면, 입도가 작은 HNIW를 사용함으로써, 0.6대의 압력지수를 가진 고체 추진제를 제조할 수 있음을 알 수 있다. 이 경우에는 AP를 20% 이상 투입해야 압력지수를 낮출 수 있다.
이와 더불어 AN 추진제에 조산화제로서 GUDN을 투입할 경우, 연소속도는 증가하고 압력지수는 낮아지는 것을 알 수 있다.
니트라민계 산화제 기반 고체 추진제의 압력지수는 특정 첨가제를 투입하여 조절할 수 있다. 이를 실시예 34 및 실시예 35로 구현하였으며, 그 결과를 상기 표 4에 나타냈다. 상기 표 4를 참조하면, HNIW 기반 고체 추진제에 아래 화학식 1 또는 화학식 2로 표기되는 분자 양말단에 알킨기를 관능기로 가지는 이관능성 알킨 화합물을 첨가함으로써, 압력지수를 0.6대에서 0.8대로 상승시킬 수 있음을 알 수 있다. 이와 같은 현상은, HMX와 HNIW가 동일 양으로 적용된 실시예 36과 실시예 37에서도 나타나는 것을 알 수 있으며, 이관능성 알킨 화합물을 2% 사용함으로써, 압력지수를 0.6대에서 0.7대로 증가시킬 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112018035426946-pat00013
(R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
[화학식 2]
Figure 112018035426946-pat00014
(R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 니트라민계, 나이트레이트계 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 산화제; 및
    사슬 말단에 수산기를 가지는 프리폴리머;를 포함하고,
    0.6 내지 1.0의 압력지수를 가지는 것이며,
    하기 화학식 1, 하기 화학식 2 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 첨가제;를 더 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물:
    [화학식 1]
    Figure 112019043864829-pat00017

    (R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
    [화학식 2]
    Figure 112019043864829-pat00018

    (R은 단순결합, C1-5의 알킬렌, 폴리카프로락톤(polycaprolactone), 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리테트라메틸렌 옥사이드(polytetramethylene oxide) 또는 폴리디에틸렌 글리콜 아디페이트(polydiethylene glycol adipate)이다.)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 40 중량% 내지 80 중량%인 것인,
    고체 추진제 조성물.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는, 시클로 트리메틸렌테트라니트라민(cyclo trimethylene tetranitramine: HMX), 헥사니트로 헥사아자이소부르치탄 (hexanitro hexaaza isowurtzitane: HNIW) 및 시클로트리메틸렌 트리니트라민 (cyclotrmethylene trinitramine: RDX)로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 니트라민, 암모늄 나이트레이트(ammonium nitrate: AN) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화제는, 50 ㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 제1 산화제 및 150 ㎛ 내지 250 ㎛의 입자 크기를 가지는 제2 산화제를 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 산화제는, 상기 제1 산화제와 상기 제2 산화제를 3 : 7 내지 7 : 3의 중량 비율로 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리폴리머는, 상기 고체 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 15 중량%인 것인,
    고체 추진제 조성물.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프리폴리머는, 폴리카프로락톤, 폴리에틸렌 글리콜, 글리시딜 아지드 폴리머 및 폴리글리시딜 아디페이트로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  8. 제1항에 있어서,
    암모늄 퍼클로레이트(ammonium perchlorate: AP), 구아니딘 디니트라미드 (guanidine Dinitramide: GUDN), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 조산화제;를 더 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 조산화제는, 50 ㎛ 이하의 입자 크기를 가지는 제1 조산화제 및 150 ㎛ 내지 250 ㎛의 입자 크기를 가지는 제2 조산화제를 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 조산화제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 10 중량% 내지 40 중량%인 것인,
    고체 추진제 조성물.
  11. 제1항에 있어서,
    이소포론 디이소시아네이트(Isophorone Diisocyanate: IPDI), 다관능성 이소시아네이트 화합물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 우레탄 경화제;를 더 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서,
    상기 첨가제는, 상기 고체 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 3 중량%인 것인,
    고체 추진제 조성물.
  14. 제1항에 있어서,
    부탄트리올 트리니트레이트(butanetriol trinitrate: BTTN), 트리메틸올에탄 트리니트레이트(trimethylolethane trinitrate: TMETN), 디에틸렌 글리콜 디니트레이트(diethylene glycol dinitrate: DEGDN), BuNENA(N-n-Butyl-N-(2-nitratoethyl)nitramine) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 가소제;를 더 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  15. 제1항에 있어서,
    알루미늄, 지르코늄, 붕소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속 연료 충전제;를 더 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  16. 제1항에 있어서,
    N-메틸 나이트로아닐린(N-methyl nitroaniline: NMA), 2-나이트로디페닐아민(2-nitrodiphenylamine: 2-NDPA) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 노화 안정제;를 더 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.
  17. 제1항에 있어서,
    트리페닐비스무스(triphenylbismuth: TPB), 디니트로살리사이클릭 에시드(dinitrosalicylic acid: DNSA), 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 경화 촉매;를 더 포함하는 것인,
    고체 추진제 조성물.

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