KR102335952B1 - 티타늄계 추진제 조성물 - Google Patents

티타늄계 추진제 조성물 Download PDF

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KR102335952B1
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민병선
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은, 티타늄계 추진제 조성물에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 티타늄(Ti), 또는 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 금속연료; 및 산화제; 를 포함하는 추진제 조성물로서, 상기 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al)은 각각, 상기 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 30 중량%로 포함되는, 추진제 조성물에 관한 것이다.

Description

티타늄계 추진제 조성물{TITANIUM BASED PROPELLANTS}
본 발명은, 티타늄계 추진제 조성물에 관한 것이다.
덕티드(Ducted) 추진기관(공기 흡입식 추진기관)은 고체연료 추진기관과 액체연료 추진기관 각각의 장점을 활용하고 있는 중간 형태의 시스템으로, 연료는 고체연료를 그리고 연소 시 부족한 산화제는 대기의 공기를 도입하여 추력을 발생한다. 덕티드 추진기관이 정상적으로 작동을 하기 위해서는 비행체가 일정속도 이상으로 비행 중일 때만 가능하기 때문에 부스터(Booster) 시스템이 요구되며, 이 부스터는 비행체가 일정속도 이상으로 비행할 수 있도록 만들기 위해 큰 추력을 발휘하는 추진제가 반드시 적용되어야 한다.
이러한 부스터도 기술의 발전과 함께 다양한 형태로 변화되었는데, 최근에는 제작비용, 무게 절감, 시스템 및 임무수행 신뢰성 등을 고려하여 무노즐 부스터(Nozzleless Booster)를 적용하는 기술이 다방면으로 연구/개발 중이다. 하지만 무노즐 부스터의 적용 시 가장 큰 단점으로 지적되는 것이 노즐의 부재로 인한 연소실 내부압력 강하와 이로 인한 비행체의 성능 감소이다. 이를 보완하기 위해서는 무노즐 부스터 연소면적을 증가시킬 수 있는 그레인(Grain) 설계 및 고추력 및 고연소속도(High Specific Impulse & High Burning Rate)를 가지는 추진제를 적용해야만 한다.
이러한 추진제 조성물은 일반적으로 고밀도(High Density)의 금속연료를 사용하여 추진제의 밀도를 높이게 되는데, 이것은 부스터 내부에 단위 부피당 더 많은 질량의 추진제를 충전할 수 있게 도와주어 무노즐의 단점을 상쇄시킬 수 있기 때문이다.
예를 들어, 기 개발된 Zirconium(Zr, 지르코늄) 금속연료 기반의 고추력 및 고연소속도 추진제 조성물은, 무노즐 부스터 시스템에 적용될 수 있는 훌륭한 추진제 후보 중의 하나이지만, 민감도 특성 중에서 정전기에 예민하게 반응하는 결정적 단점이 있다. 특히, 인체에서 발생하는 정전기에 의해서도 추진제 점화가 가능할 정도로 민감하기 때문에 해당 추진제의 취급과 사용에 있어서 특별한 주의가 요구되고 있는 상황이다.
본 발명은 상기 언급한 문제점을 해결하기 위해서, 기존 고추력 및 고연소속도 지르코늄 추진제 조성물이 가지는 정전기 민감 특성을 극복할 수 있는 티타늄 (Ti, Titanium) 금속연료 기반의 정전기 둔감 고추력 및 고연소속도를 갖는, 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 따라, 티타늄(Ti), 또는 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 금속연료; 및 산화제; 를 포함하는 추진제 조성물로서, 상기 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al)은, 각각, 상기 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것인, 추진제 조성물에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 금속연료는, 상기 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 티타늄(Ti)는, 상기 추진제 조성물 중 12 중량% 이하로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)의 입자크기는, 각각, 0.5 μm 내지 50 μm에서 선택되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 산화제는, 입자크기가 1 μm 내지 400 μm를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 산화제는, 상기 추진제 조성물 중 10 중량% 내지 80 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 산화제는, 과염소산암모늄(AP, ammonium perchlorate), 과염소산칼륨(potassium perchlorate), 질산칼륨(potassium nitrate), 질산암모늄(ammonium nitrate) 및 구아니딘니트레이트(guanidine nitrate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 추진제 조성물은, 바인더를 더 포함하고, 상기 바인더는, 상기 추진제 조성물 중 3 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 바인더는, HTPB(Hydroxyl-terminated polybutadiene), PCL(Polycaprolactone), PEG(Polyethylene glycol), GAP(Glycidyl azide polymer), CTPB(Carboxyl terminated polybutadiene) 및 HTPE(Hydroxyl terminated polyether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 프리폴리머(pre-polymer)를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 추진제 조성물은, 경화제를 더 포함하고, 상기 경화제는, 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 경화제는, IPDI(Isophorone diisocyanate), DDI(Dimer diisocyanate) 및 HDI(Hexamethylene diisocyanate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 추진제 조성물은, 결합제를 더 포함하고,상기 결합제는, 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 2.0 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 결합제는, HX-752(Bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine), HX-868 (Trimesoyl-1-(2-ethyl) aziridine), TEPA(Tetraethylene pentaamine), TEPAN(TEPA와 Acrylonitrile의 반응생성물), TEPANOL(TEPAN과 glycidol의 반응생성물) 및 BHEGA(Bis-hydroxyethyl glycol amide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 추진제 조성물은, 경화촉매를 더 포함하고, 상기 경화촉매는, 상기 추진제 조성물 중 0.005 중량% 내지 1.0 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 경화촉매는, TPB(Triphenyl bismuth), TEPB(three-(ethyoxyl) phenyl bismuth), TPC (triphenyl tin chloride) 및 DY-12(dibutyl tin laurate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 추진제 조성물은, 가소제를 더 포함하고,상기 가소제는, 상기 추진제 조성물 중 1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 가소제는, IDP(Isodecyl pelargonate), DOA(Dioctyl adipate), DOS(Dioctyl sebacate), DEGDN(Diethylene glycol dinitrate), TMETN(Trimethyl ethylene trinitrate), BTTN(Butanetriol trnitrate) 및 TEGDN(Triethylene glycol trinitrate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 추진제 조성물은, 무노즐 부스터 추진제로 적용되는 것일 수 있다.
본 발명은, 티타늄 금속연료를 포함하는 정전기 둔감의 고추력 및 고연소속도뿐만 아니라, 낮은 압력지수를 나타내는 추진제 조성물을 제공하고, 상기 추진제 조성물은, 공기흡입식 추진기관의 무노즐 부스터용 추진제 및 고성능 유도무기의 고체 추진제로 적용할 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. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
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 티타늄계 추진제 조성물에 대해 실시예를 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은, 티타늄계 추진제 조성물을 제공하는 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명은, 고추력 및 고연소속도뿐만 아니라 정전기 둔감 특성이 개선된 티타늄 금속연료 기반의 추진제 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 티타늄계 추진제 조성물은, 금속 연료, 산화제 및 바인더를 포함하고, 첨가제를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 금속 연료는, 티타늄 (Ti, Titanium) 단독 또는 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Aluminum, Al)의 혼합물을 포함하고, 정전기 둔감의 고추력, 고연소속도 그리고 낮은 압력지수를 나타내는 추진제 조성물을 제공할 수 있다. 또한, 상기 추진제 조성물은, 공기흡입식 추진기관의 무노즐 부스터용 추진제 및 고성능 유도무기의 고체 추진제로 적용할 수 있다.
즉, 비추력의 크기는 연소실 내부의 연소온도에 비례하여 커지기 때문에 일반적으로 추진제의 비추력을 높이기 위해서는 높은 연소열을 가지는 금속연료를 사용하게 되는데, 현재 범용으로 사용하는 금속연료인 알루미늄은 밀도가 2.70 g/cm3, 연소열이 200.25 kcal/mol 값을 나타낸다. 알루미늄의 이러한 수치는 고밀도 및 고추력 성능을 나타내야 하는 무노즐 부스터용 추진제 적용에 한계로 작용한다. 기 보고된 추진제 조성물에서 적용되는 금속연료 지르코늄의 밀도는 6.49 g/cm3, 연소열은 263.04 kcal/mol 값을 보이고, 금속연료 티타늄의 밀도는 4.50 g/cm3, 연소열은 224.36 kcal/mol 값을 가지기 때문에 지르코늄과 티타늄이 무노즐 부스터용 추진제 금속연료로 알루미늄보다 더 적합하다는 것을 알 수 있고, 본 발명은 티타늄과 알루미늄의 혼합을 통해서 정전기 둔감과 고추력 및 고연소속도를 동시에 개선시킬 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al)은 각각, 상기 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 30 중량%로 포함되며, 비추력과 연소속도를 고려해서, 상기 조성물 내 상기 금속연료의 함량이 5 중량% 내지 30 중량%; 또는 10 중량% 내지 26 중량%로 유지되도록 상기 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al)의 함량이 선택될 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면 연소속도, 압력지수, 비추력 등과 같은 연속특성이 개선된 추진제 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 티타늄(Ti)은, 상기 알루미늄(Al)과 동일하거나 또는 상이한 함량으로 포함될 수 있으며, 예를 들어, 상기 티타늄(Ti)는 상기 추진제 조성물 중 15 중량% 이하; 12 중량% 이하; 10 중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위 내에 포함되면 연소속도, 압력지수, 비추력 등과 같은 연속특성이 개선된 추진제 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 티타늄(Ti)과 알루미늄(Al)의 입자크기는, 각각, 0.5 μm 내지 50 μm; 0.5 μm 내지 40 μm; 또는 10 μm 내지 40 μm에서 선택될 수 있으며, 상기 입자크기 범위 내에 포함되면 적절한 연소 면적을 확보하여 연소 안정성, 연소 특성의 개선 효과에 도움을 줄 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 산화제는, 입자크기가 1 μm 내지 400 μm를 포함하는 것일 수 있으며, 상기 입자 크기 범위 내에 포함되면 금속연료 분말, 첨가제 등과 혼합이 잘 이루어지고 안정적인 연소 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 산화제는, 상기 추진제 조성물 중 10 중량% 내지 80 중량%로 포함되며, 상기 함량 범위 내에 포함되면 추진제의 연소 시 필요한 산소를 충분히 공급하고, 연소 성능 저하, 연소 불안정성 등을 방지할 수 있다.
즉, 상기 산화제의 입자크기 및 함량을 조절하여, 연소속도, 압력지수, 비추력 등과 같은 추진제 성능을 개선시킬 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 산화제는, 과염소산암모늄(AP, ammonium perchlorate), 과염소산칼륨(potassium perchlorate), 질산칼륨(potassium nitrate), 질산암모늄(ammonium nitrate) 및 구아니딘니트레이트(guanidine nitrate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 추진제 조성물은 바인더를 더 포함하고, 상기 바인더는, 상기 추진제 조성물 중 3 중량% 내지 30 중량%로 포함될 수 있으며, 상기 범위 내에 포함되면 기계적 특성이 안정적으로 유지되면 고추력 및 고연소속도의 구현이 가능한 추진제 조성물을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 바인더는, HTPB(Hydroxyl-terminated polybutadiene), PCL(Polycaprolactone), PEG(Polyethylene glycol), GAP(Glycidyl azide polymer), CTPB(Carboxyl terminated polybutadiene) 및 HTPE(Hydroxyl terminated polyether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 프리폴리머(pre-polymer)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 첨가제는, 경화제, 결합제, 가소제, 연소촉매 및 경화촉매를 포함할 수 있고, 상기 첨가제는 본 발명의 목적을 벗어나지 않는다면, 고추력 및 고연소속도의 추진제 성능과 추진제의 민감도 둔화에 도움을 줄 수 있도록 적절하게 선택될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 경화제는 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위 내에 포함되면 추진제 조성물의 기계적 물성 저하를 방지하고 안정적인 연소 성능을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 경화제는, IPDI(Isophorone diisocyanate), DDI(Dimer diisocyanate) 및 HDI(Hexamethylene diisocyanate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 결합제는 바인더와 산화제의 결합력을 증대시켜 추진제의 기계적 물성, 연소 성능 및 둔감 특성 개선에 도움을 주며, 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 2.0 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 결합제는, HX-752(Bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine), HX-868 (Trimesoyl-1-(2-ethyl) aziridine), TEPA(Tetraethylene pentaamine), TEPAN(TEPA와 Acrylonitrile의 반응생성물), TEPANOL(TEPAN과 glycidol의 반응생성물) 및 BHEGA(Bis-hydroxyethyl glycol amide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 가소제는, 유리전이온도(Tg)를 낮춰 저온 최대 연신율 및 가공성능을 개선하여 기계적 물성 저하를 방지하는 것으로, 상기 추진제 조성물 중 1 중량% 내지 10중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 가소제는, IDP(Isodecyl pelargonate), DOA(Dioctyl adipate), DOS(Dioctyl sebacate), DEGDN(Diethylene glycol dinitrate), TMETN(Trimethyl ethylene trinitrate), BTTN(Butanetriol trnitrate) 및 TEGDN(Triethylene glycol trinitrate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 경화촉매는, 상기 추진제 조성물 중 0.005 중량% 내지 1.0 중량%로 포함될 수 있다. 상기 경화촉매는, TPB(Triphenyl bismuth), TEPB(three-(ethyoxyl) phenyl bismuth), TPC (triphenyl tin chloride) 및 DY-12(dibutyl tin laurate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 연소촉매는, Butacene ®(부타센)를 포함하고, 상기 추진제 조성물은, 티타늄 단독 또는 알루미늄(Aluminum, Al)을 혼용하여 금속연료, 산화제 및 연소촉매를 포함하는 혼합형 고체 추진제로 제공될 수 있다. 이는 정전기 둔감, 고추력 및 고연소속도와 더불어 낮은 압력지수(pressure exponent) 값을 나타내는 추진체 조성물을 제공할 수 있다. 상기 연소촉매는 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함될 수 있다.
본 발명의 일 예로, 본 발명의 추진제 조성물은 밀도 비추력 490 g/cm3·s 이상, 연소속도 30 mm/s (@6.9 MPa) 이상 및 압력지수 0.40 이하 중 적어도 하나 또는 전체를 나타낼 수 있다.
실시예 1
바인더(HTPB 계) 10.7wt%, 산화제(AP) 57wt%, 알루미늄(Al) 10wt% 및 티타늄(Ti) 22wt%의 티타늄 기반 고추력 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 2
바인더(HTPB 계) 11.2wt%, 산화제(AP) 62.5wt%, 알루미늄(Al) 17wt% 및 티타늄(Ti) 9wt%의 티타늄 기반 고추력 추진제 조성물을 제조하였다.
비교예 1
바인더(HTPB 계) 10.7wt%, 산화제(AP) 57wt%, 알루미늄(Al) 10wt% 및 지르코늄 Zr(22wt%)의 지르코늄 기반 고추력 추진제 조성물을 제조하였다.
비교예 1의 지르코늄 기반 고추력 추진제 조성과 마찬가지로 실시예 1의 티타늄을 포함하는 금속연료 32wt%인 추진제 조성을 설계 및 혼화를 실시하여 추진제 연소특성을 결과를 획득하였다.
추진제 성능 계산 도구인 CEA(Chemical Equilibrium with Applications, NASA computer program)를 통해 최적의 금속연료 함량을 도출하고, 그 양을 26중량%로 고정시킨 후 티타늄계 추진제 조성을 설계(실시예 2) 및 추진제 혼화 후 연소특성을 측정하였다. 그 결과는 표 1에 나타내었다. 표 1은 지르코늄계 추진제와의 비교 및 티타늄 금속연료 첨가에 따른 연소특성 결과를 나타낸 것이다.
No. 조성구분 금속연료
함량
(wt%)		 금속연료
구성		 비추력
(s)		 밀도 비추력
(g/cm3·s)		 연소속도
(mm/s)
@6.9 MPa 		압력지수
비교예 1 Zr(22wt%) 32 Zr+Al 247.7 518.7 35.94 0.32
실시예 1 Ti(22wt%) 32 Ti+Al 243.8 493.7 37.99 0.58
실시예 2 Ti(9wt%) 26 Ti+Al 257.0 490.2 36.04 0.27
표 1을 살펴보면, 기존 지르코늄 기반 추진제(비교예 1)와 티타늄 기반 추진제(실시예 1)의 비추력, 연소속도, 그리고 압력지수 등의 값들이 큰 차이가 나지 않음을 확인할 수 있다. 물론, 지르코늄의 큰 밀도로 인해 밀도 비추력에서(밀도 비추력이 클수록 단위부피당 추진제 에너지 밀도가 큼) 일부 차이가 나지만, 티타늄 금속연료 9wt% 포함 추진제 조성물(실시예 2)의 더 큰 비추력과 연소속도 그리고 더 낮은 압력지수를(압력지수가 낮을수록 부스터 내부의 큰 압력변화에도 그 영향성을 최소화하여 연소 안정성을 기대할 수 있음) 고려하면 무노즐 부스터용 추진제로 더 적합함을 알 수 있다.
무노즐 부스터용 추진제로 활용하기 위해서는 앞서 설명한 바와 같이 고밀도, 고추력의 성능을 보여야 하는데, 추진제의 성능 측면만 고려한다면 지르코늄이 추진제 금속연료로 가장 우수한 후보임에는 틀림없다. 하지만, 지르코늄 금속연료를 포함하는 추진제는 인체에서 발생하는 정전기에도 반응하여 점화될 정도로 상당히 민감한 특성을 보이기 때문에 취급에 특별한 주의가 요구된다. 따라서 정전기에도 둔감하고, 비추력 성능도 뛰어난 티타늄계 추진제가 무노즐 부스터용 고추력 추진제로의 적용 가능성이 높으며, 하기에 정전기 둔감 특성에 대해서구체적으로 설명한다.
실시예 3
바인더(HTPB 계) 11.2wt%, 산화제(AP) 62.5wt%, 알루미늄(Al) 19wt%, 티타늄(Ti 400 mesh : ~18 μm) 7wt%의 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 4
바인더(HTPB 계) 11.2wt%, 산화제(AP) 62.5wt%, 알루미늄(Al) 19wt%, 티타늄(Ti 200 mesh : ~30μm) 7wt%의 추진제 조성물을 제조하였다.
입자의 크기가 다른 티타늄 금속연료를 첨가하여 제조한 추진제 조성물의 연소특성 결과를 표 2에 나타내었다. 표 2는 티타늄 금속연료 입자크기에 따른 추진제 조성물의 연소특성을 나타낸 것이다.
No. 조성구분 금속연료
함량
(wt%)		 금속연료
구성		 비추력
(s)		 밀도 비추력
(g/cm3·s)		 연소속도
(mm/s)
@6.9 MPa		 압력지수
실시예 3 Ti(7wt%), 400mesh 26 Ti+Al 258.4 490.1 29.71 0.33
실시예 4 Ti(7wt%), 200mesh 26 Ti+Al 258.4 490.1 28.98 0.35
표 2에서 나타낸 바와 같이 티타늄 금속연료의 입자크기가 작을수록 추진제 조성물의 연소속도는 빨라지고, 압력지수는 낮아지는 현상을 보이고 있다. 이것은 대부분의 금속연료에서 볼 수 있는 일반적인 현상으로 금속연료 입자크기가 작아질수록 연소면적은 넓어지고 연소 안정성이 증가하기 때문이다.
실시예 5
바인더(HTPB 계) 11.2wt%, 산화제(AP) 62.5wt%, 알루미늄(Al) 19wt% 및 티타늄(Ti 400 mesh : ~18μm) 7wt%의 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 6
바인더(HTPB 계) 11.2wt%, 산화제(AP) 62.5wt%, 알루미늄(Al) 17wt% 및 티타늄(Ti 400 mesh : ~18μm) 9wt%의 추진제 조성물을 제조하였다.
실시예 7
바인더(HTPB 계) 11.2wt%, 산화제(AP) 62.5wt%, 알루미늄(Al) 15wt% 및 티타늄(Ti 400 mesh : ~18μm) 11wt%의 추진제 조성물을 제조하였다.
티타늄 금속연료 함량에 따른 추진제 조성물의 연소 특성을 측정하였으며, 그 결과는 표 3에 나타내었다. 표 3은 티타늄 금속연료 함량에 따른 연소특성을 나타낸 것이다.
No. 조성구분 금속연료
함량
(wt%)		 금속연료
구성		 비추력
(s)		 밀도 비추력
(g/cm3·s)		 연소속도
(mm/s)
@6.9 MPa		 압력지수
실시예 5 Ti(7wt%) 26 Ti+Al 258.4 490.1 34.18 0.42
실시예 6 Ti(9wt%) 26 Ti+Al 257.0 490.2 36.04 0.27
실시예 7 Ti(11wt%) 26 Ti+Al 255.5 490.1 32.91 0.34
앞서 언급한 것처럼 무노즐 부스터 시스템에는 노즐이 없기 때문에 내부압력 강하가 쉽게 일어나고 이것은 부스터 성능의 감소로 이어지기 때문에 연소속도가 빠르고, 압력지수가 낮은 고추력의 추진제가 요구된다. 따라서 최적의 추진제 조성을 찾기 위해 26wt%의 금속연료 함량 중 티타늄 조성비를 늘려가며 연소특성을 관찰하였다. 표 3을 살펴보면, 그 중 티타늄 9wt% 첨가된 추진제 조성물의 연소특성이 연소속도, 압력지수, 비추력 등 모든 측면에서 우수한 것을 확인할 수 있다.
실시예 7
바인더(HTPB 계) 11.2wt%, 산화제(AP) 62wt%, 티타늄(Ti) 7wt%, 알루미늄(Al) 19wt%의 추진제 조성물을 제조하였다.
비교예 2
바인더(HTPB 계) 10.7wt%, 산화제(AP) 57wt%, 지르코늄(Zr) 22wt% 및 알루미늄(Al) 10wt%의 추진제 조성물을 제조하였다.
기존 고추력, 고연소속도 추진제 조성물은 보통 밀도와 몰(mol)당 연소열이 큰 지르코늄 금속연료를 활용하여 제조를 한다. 하지만 지르코늄계 추진제 조성물은 정전기 민감도가 상당히 예민하다. 일반적으로 인체에서 자연스럽게 발생할 수 있는 정전기량이 20mJ 정도인데, 지르코늄계 추진제 조성물은 ~수 mJ 이하에서도 점화가 가능하기 때문에 저장, 운반, 작업 시 상당히 위험한 상황을 초래할 수 있다.
실시예 7 및 비교예 2의 추진제 조성물의 민감도 특성을 측정하였으며, 그 결과는 표 4에 나타내었다. 표 4는 지르코늄 및 티타늄 금속연료를 포함하는 추진제 조성물의 민감도 특성을 나타낸 것이다.
민감도 시험
(Sensitivity Test)		 지르코늄
추진제 조성물		 티타늄
추진제 조성물
충격
(Impact)		 Drop Weight
(kg)		 2 5
H50%(cm) 91.7
(18.3 J)		 84.1
(42.1 J)
마찰
(Friction)		 L50%(kgf) 4.05 5.37
정전기
(Electrostatic discharge)		 Minimum Ignition Energy(MIE)
(mJ)		 0.5 No Reaction
표 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 민감도 시험 항목 중 충격과 마찰 시험은 티타늄 추진제 조성물이 지르코늄계 추진제 조성물보다 더 둔감하게 측정이 되었음을 확인할 수가 있다(티타늄 추진제 조성물에 충격과 마찰 모두 더 큰 에너지를 가해야 반응이 일어남). 또한 정전기 시험에서는 지르코늄계 추진제 조성물은 0.5mJ 정도로 상당히 민감하게 측정되었으나, 티타늄이 첨가된 추진제 조성물은 정전기 시험 장비의 최대 에너지를 인가해도 반응하지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 티타늄 금속연료를 포함하는 정전기 둔감 추진제 조성물을 제공할 수 있다.
즉, 기존 고추력 및 고연소속도 추진제를 개발하기 위해서는 금속연료 중에서도 밀도가 큰 지르코늄 금속연료를 활용하여 조성을 설계하였지만, 이런 경우 정전기에 민감하게 반응하여 항상 주변이 위험에 노출되는 단점이 존재한다. 하지만 본 발명에 따라 티타늄 추진제 조성물을 설계 및 제조하게 되면 고추력 및 고연소속도의 추진제 성능은 유지하면서 추진제의 민감도는 둔화시켜 전체적인 무기 시스템 신뢰도를 향상시키는 효과를 제공할 수 있다.
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 (18)

  1. 티타늄(Ti)을 포함하는 금속연료; 및
    산화제;
    를 포함하는 추진제 조성물로서,
    상기 티타늄(Ti)은, 상기 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 30 중량%로 포함되고,
    상기 티타늄(Ti)의 입자크기는, 각각, 0.5 μm 내지 50 μm에서 선택되고,
    상기 추진제 조성물은, 결합제를 더 포함하고,
    상기 결합제는, 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 2.0 중량%로 포함되고,
    무노즐 부스터 추진제로 적용되는 것인,추진제 조성물.
  2. 티타늄(Ti) 및 알루미늄(Al)을 포함하는 금속연료; 및
    산화제;
    를 포함하는 추진제 조성물로서,
    상기 티타늄(Ti) 및 상기 알루미늄(Al)은, 각각, 상기 추진제 조성물 중 5 중량% 내지 30 중량%로 포함되고,
    상기 티타늄(Ti) 및 상기 알루미늄(Al)의 입자크기는, 각각, 0.5 μm 내지 50 μm에서 선택되고,
    상기 추진제 조성물은, 결합제를 더 포함하고,
    상기 결합제는, 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 2.0 중량%로 포함되고,
    무노즐 부스터 추진제로 적용되는 것인, 추진제 조성물.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 티타늄(Ti)는, 상기 추진제 조성물 중 12 중량% 이하로 포함되는 것인,
    추진제 조성물.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화제는, 입자크기가 1 μm 내지 400 μm를 포함하는 것인,
    추진제 조성물.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화제는, 상기 추진제 조성물 중 10 중량% 내지 80 중량%로 포함되는 것인,
    추진제 조성물.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 산화제는, 과염소산암모늄(AP, ammonium perchlorate), 과염소산칼륨(potassium perchlorate), 질산칼륨(potassium nitrate), 질산암모늄(ammonium nitrate) 및 구아니딘니트레이트(guanidine nitrate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    추진제 조성물.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 추진제 조성물은, 바인더를 더 포함하고,
    상기 바인더는, 상기 추진제 조성물 중 3 중량% 내지 30 중량%로 포함되는 것인,
    추진제 조성물.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 바인더는, HTPB(Hydroxyl-terminated polybutadiene), PCL(Polycaprolactone), PEG(Polyethylene glycol), GAP(Glycidyl azide polymer), CTPB(Carboxyl terminated polybutadiene) 및 HTPE(Hydroxyl terminated polyether)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 프리폴리머(pre-polymer)를 포함하는 것인,
    추진제 조성물.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 추진제 조성물은, 경화제를 더 포함하고,
    상기 경화제는, 상기 추진제 조성물 중 0.1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것인,
    추진제 조성물.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 경화제는, IPDI(Isophorone diisocyanate), DDI(Dimer diisocyanate) 및 HDI(Hexamethylene diisocyanate)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    추진제 조성물.
  12. 삭제
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 결합제는, HX-752(Bis-isophthanyl-1-methyl-aziridine), HX-868 (Trimesoyl-1-(2-ethyl) aziridine), TEPA(Tetraethylene pentaamine), TEPAN(TEPA와 Acrylonitrile의 반응생성물), TEPANOL(TEPAN과 glycidol의 반응생성물) 및 BHEGA(Bis-hydroxyethyl glycol amide)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    추진제 조성물.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 추진제 조성물은, 경화촉매를 더 포함하고,
    상기 경화촉매는, 상기 추진제 조성물 중 0.005 중량% 내지 1.0 중량%로 포함되는 것인,
    추진제 조성물.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 경화촉매는, TPB(Triphenyl bismuth), TEPB(three-(ethyoxyl) phenyl bismuth), TPC (triphenyl tin chloride) 및 DY-12(dibutyl tin laurate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    추진제 조성물.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 추진제 조성물은, 가소제를 더 포함하고,
    상기 가소제는, 상기 추진제 조성물 중 1 중량% 내지 10 중량%로 포함되는 것인,
    추진제 조성물.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 가소제는, IDP(Isodecyl pelargonate), DOA(Dioctyl adipate), DOS(Dioctyl sebacate), DEGDN(Diethylene glycol dinitrate), TMETN(Trimethyl ethylene trinitrate), BTTN(Butanetriol trnitrate) 및 TEGDN(Triethylene glycol trinitrate)으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것인,
    추진제 조성물.
  18. 삭제
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