KR20070115204A - 수중 추진을 위한 수 반응성 추진제 - Google Patents

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임승빈
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김경무
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채재우
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Abstract

본 발명은 수중 추진을 위한 수 반응성 추진제에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 추진제의 비추력과 추진체 사거리를 증가시키기 위하여, 수 반응성 추진제에 포함된 제 1 산화제의 비율을 낮추고, 수 반응성 연료의 비율을 높임과 동시에 추가 산화제인 제 2 산화제로 바깥쪽 물을 사용하는 것으로서, 수 반응성 금속 연료 10~90 중량부를 기준으로, 연소 개시제로서의 제 1 산화제 10~90 중량부 및 제 2 산화제인 물 40~60 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 추진을 위한 수 반응성 추진제에 관한 것이다.
수중 추진, 추진제, 액체 반응 연료, 산화제

Description

수중 추진을 위한 수 반응성 추진제{Hydro reactive propellant for underwater vehicle}
본 발명은 수중 추진을 위한 수 반응성 추진제에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 추진제를 구성하는 연료의 비율을 높여, 추진제의 비추력과 추진체 사거리를 증가시키기 위하여, 산화제의 비율을 낮추는 대신 물을 첨가하여 물을 제 2 산화제로 사용하는 수 반응성 추진제에 관한 것이다.
일반적으로 종래의 수중 추진을 위한 추진제는 연료와 산화제를 동일한 비율로 혼합하여 이루어진 것이 사용되었다.
이때 사용되는 연료로는 리튬(Li), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 지르코늄(Zr)과 같은 금속 및 마그네슘과 알루미늄 합금이 있으며, 금속의 점화 특성, 연소의 완전성, 구매 용이성, 가격, 기술 및 환경 문제 해결 가능성에 따라 결정된다.
또한, 상기 금속 뿐만 아니라, LiH, NaH, MgH2, AlH3, CaH2, TiH2, ZrH2와 같은 금속 수소화물도 연료로 사용되었다.
상기 연료와 함께 수중 추진을 위한 추진제의 다른 구성 성분은 산화제로서, 산화제는 흡습성(hygroscopicity), 충격에 대한 감도(sensitivity)와 같은 특성을 고려하여 선택하며, 염소산염(KClO3, NaClO3), 과염소산염(NH4ClO4, KClO4, NaClO4) 질산염(NaNO3, KNO3, Ba(NO3)2, Sr(NO3)2) 등이 산화제로 사용된다.
그러나, 연료 및 산화제는 유한한 자원으로써, 추진체에 적재한 연료 및 산화제를 전부 소진한 후에는 외부에서 이를 다시 공급하는 것이 어렵게 된다.
따라서, 종래의 연료와 산화제를 동일한 비율로 혼합한 추진제를 추진체에 사용하게 되면, 연료를 추진체에 적재할 수 있는 양이 한정되어, 추진제의 비추력 및 추진체의 사거리가 떨어지며 이를 증가시키기 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 추진제에 함유된 산화제의 비율을 줄이는 것과 동시에 연료의 비율을 늘리고, 부족한 산화제는 바깥쪽 물을 사용함으로써, 추진제의 비추력과 추진체의 사거리를 획기적으로 증가시킬 수 있는 수 반응성 추진제를 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 추진을 위한 수 반응성 추진제는 수 반응성 금속 연료 10~90 중량부를 기준으로, 연소 개시제로서의 제 1 산화제 10~90 중량부 및 제 2 산화제인 물 40~60 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 연료는 알루미늄 분말, 마그네슘 분말, 마그날륨 분말, 마그 네슘-알루미늄 합금, 규소 분말, 실루민 분말, 규소-알루미늄 합금, 규소화마그네슘 분말, 규소철 분말, 페로실리콘, 붕소 분말, 붕소화마그네슘 분말, 티타늄 분말, 지르코늄 분말, 리튬, 칼슘, 베릴륨, 수소화알루미늄, 수소화마그네슘, 수소화지르코늄, 수소화칼슘, 수소화티타늄, 수소화리튬, 수소화나트륨, 수소화칼륨, 수소화바륨, 수소화베릴륨, 테트라실란, 트리실란, 데카보란, 펜타보란, 디보란, 수소화베릴륨, 수소화알루미늄리튬, 수소화알루미늄나트륨, 수소화알루미늄칼륨, 붕수소화리튬, 붕수소화나트륨, 붕수소화칼륨, 탄화알루미늄, 탄화마그네슘 및 탄화칼슘을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 산화제는 과염소산암모늄, 과염소산칼륨, 과염소산바륨, 과염소산스트론튬, 과염소산나트륨 무수물, 과염소산나트륨 일수화물, 과염소산리튬 무수물, 과염소산리튬 삼수화물, 과염소산알루미늄, 과염소산히드라지늄, 과염소산히드록실암모늄, 질산칼륨, 질산바륨, 질산암모늄, 질산나트륨, 질산리튬, 질산스트론튬, 질산칼슘, 질산납, 질산알루미늄 무수물, 질산알루미늄 구수화물, 질산제이철 무수물, 질산제이철 육수화물, 질산제이철 구수화물, 질산제일철 무수물, 질산제일철 육수화물, 질산제일철 구수화물, 질산히드록실암모늄, 염소산칼륨, 염소산바륨, 염소산나트륨, 염소산스트론튬, 염소산리튬, 염소산칼슘, 암모늄 디시안디아미드, 칼륨 디시안디아미드, 바륨 디시안디아미드, 스트론튬 디시안디아미드, 나트륨 디시안디아미드, 리튬 디시안디아미드, 중크롬산암모늄, 중크롬산칼륨, 중크롬산나트륨, 중크롬산제이철, 중크롬산제일철, 중크롬산납, 크롬산동, 크롬산암모늄, 크롬산나트륨, 크롬산칼륨, 크롬산제이철, 크롬산제일철, 크롬산납, 망간산암 모늄, 망간산칼륨, 망간산나트륨, 망간산동, 망간산제이철, 망간산제일철, 과망간산칼륨, 과망간산나트륨, 과망간산바륨, 이산화망간, 과산화바륨, 테트라니트로메탄 및 트리니트로메탄을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 수중 추진체는 물로 산화되는 수 반응성 추진제를 사용하여, 추진체가 수중에서 흡입되는 물을 제 2 산화제로 사용하여 연료를 완전하게 연소시키면서 추진된다.
수 반응성 추진제(hydro reactive propellant)란, 추진제에 포함된 연료의 비율을 보다 증가시키기 위하여, 제 1 산화제의 비율을 낮추는 대신, 외부에서 흡입이 가능한 물을 제 2 산화제로 이용함으로써, 소량의 제 1 산화제와 수 반응성 연료가 혼합된 혼합물을 말한다.
상기 수 반응성 연료(hydro reactive fuel)란, 담수 또는 해수 등의 물과 반응하여 열 및 기체를 발생하는 성질을 지니고 있는 연료를 말한다.
수 반응성 추진제는 연료, 제 1 산화제 및 제 2 산화제를 포함하여 이루어지는데, 이중 연료는 추진제의 필수 요소이며, 추진체 외부인 공중이나 수중에서는 전혀 얻을 수가 없으므로, 추진체에 적재하고 있는 연료를 모두 소진하고 나면, 다시 공급받을 수가 없다. 따라서, 연료는 추진체 내에서 유한한 자원이므로 추진체에 반드시 적재되어 있어야 한다.
또한, 과염소산암모늄과 같은 제 1 산화제(oxidizer) 역시 추진제의 필수요 소일 뿐만 아니라, 추진체의 외부에서는 전혀 얻을 수가 없으므로, 반드시 추진체에 적재되어 있어야만 하는 성분이다.
반면, 공기 및 물과 같은 제 2 산화제는 추진체의 외부인 공중이나 수중에서 무한히 공급될 수 있는 것으로서, 상기 연료 및 제 1 산화제와는 달리, 추진체에 반드시 적재되어 있을 필요가 없는 성분이다.
상기에서 언급한 바와 같이, 액체 반응 연료의 기본 성분은 금속 분말과 제 1 산화제이다. 많은 형태의 액체반응 연료 성분이 존재하나, 기본적으로 이것은 활성 금속 또는 이 금속을 함유하고 있는 화학적 화합물이며, 제 2 산화제로는 바깥쪽 물(outside water)을 이용하는 것이 필수적이다.
임의의 금속을 액체반응 연료 성분으로 사용하는 것은 금속의 점화 특성, 연소의 완전성, 구매 용이성, 가격, 기술 및 환경 문제 해결 가능성에 따라 결정된다.
금속 중 스칸듐(Sc), 바나듐(V) 및 이트륨(Y)과 같은 희귀 금속은 높은 가격으로 인해 추진연료로 사용하는 것이 불가능하며, 베릴륨(Be)은 BeO2의 독성으로 인해 사용이 어렵다.
또한, 보론(B)을 액체반응 연료 성분으로 이용하는 것은 점화 및 연소가 능력이 떨어지고, 녹는점(2050℃)과 끓는점(2550℃)이 매우 높아 어렵다. 이때, 보론의 연소 과정을 방해하는 것은 연소하는 입자를 덮고 있는 B2O3 산화 필름이다. 따라서, 보론 입자의 효과적인 연소는 B2O3 산화 필름을 신속히 제거하는 경우 가능 하며, 반응열 값이 클 경우(QV=12.5 kJ/cm3), 추진연료 성분으로 보론을 이용하는 것에 대한 연구가 촉진되고 있으나, 현재 액체반응 연료 성분으로는 사용되지 않고 있다.
규소(Si)는 점화하기가 매우 어려워 불꽃 성분(pyrotechnic component)으로 드물게 이용되며, 칼슘(Ca)은 습한 공기 중에서 물과 쉽게 반응하므로, 칼슘을 사용한 액체 반응 연료 생산이 어려워 기술적 원인에 의해 이용이 어려워 실제로 이용되지 않는다.
티타늄(Ti) 금속은 액체반응 연료로 유망하나, 현재 실제 이용하기에는 가격이 비싸다.
따라서, 현재 리튬(Li), 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg) 및 지르코늄(Zr)과 같은 금속들이 액체반응 연료에 이용되고 있다.
먼저, 상기 알루미늄은 다양한 추진 연료에 고칼로리 연료로 이용된다. 알루미늄 분말 제조기술은 현재 잘 발달되어 있어, 가격이 저렴하고 구입이 쉬우며 기술적으로 적용이 가능하다.
마그네슘은 신호탄에서 금속 연료로 이용되며, 알루미늄보다 다소 비싸나, 쉽게 점화가 되므로, 불꽃 시스템 및 액체반응 연료에 널리 적용이 가능하다.
지르코늄은 매우 높은 에너지를 지닌 금속이고, 쉽게 점화가 가능하나, 높은 가격으로 인해 주요 액체 연료로 널리 적용되지 못하고 있다.
알칼리 금속인 리튬은 매우 활성적인 금속으로 대기 중 습기와 쉽게 반응하 므로, 액체 반응 연료 성분으로 사용하는 것은 기술적으로 어렵다. 리튬은 이탈리아에서 1942년 최초의 어뢰에 이용되었으나, 부피단위당 반응열이 작고(QV=6.5kJ/cm3) 기술적 어려움으로 인하여 액체 반응 연료로 사용하기에는 부적절하다.
액체반응 연료로 상기와 같은 금속들 이외에 마그네슘과 알루미늄의 합금인 Mg4Al3가 이용될 수 있다. 상기 합금은 밀도가 2.15g/cm3이고, 용융점이 460℃로 마그네슘이나 알루미늄보다 용융점이 낮다.
이 밖의 다른 합금들 중에서는 신호탄으로 사용하기 위해 미국에서 이용되고 있는 마그네슘 70중량%와 알루미늄 30중량%가 혼합된 합금이 이용될 수 있다. 또한, 독일에서는 마그네슘 85~90중량%를 함유하고 있는 합금인 엘렉트론이 잘 알려져 있다. 상기와 같은 합금들은 모두 알루미늄과 마그네슘의 중간적인 연소 특성을 지니고 있다.
또한, 액체 반응 연료 성분으로 금속 수소화물이 이용될 수 있다. LiH, NaH, MgH2, AlH3, CaH2, TiH2, ZrH2와 같은 금속 수소화물의 특성이 아래 표 1에 나타나 있다.
수소화물 밀도 (g/cm3) 녹는점,분해점 (℃) 비 중량 반응열 QW (kJ/g) 부피단위당 물 반응열 OV (kJ/cm3)
LiH 0.78 680 7.0 5.5
NaH 1.38 800 0.67 0.93
MgH2 1.42 250~300 9.3 13.2
AlH3 1.45 100~150 12.1 17.6
CaH2 1.9 815 3.95 7.5
TiH2 3.78 600~700 5.1 19.2
ZrH2 5.62 850 3.8 21.6
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 수소화물 ZrH2, AlH3, MgH2, TiH2은 부피단위당 물 반응열의 값이 커서 액체 반응 연료로 사용이 가능하나, 이중 수소화물 AlH3은 불안정하고, 분해 온도가 100-150℃로 비교적 낮다. 그 외 수소화물들은 일반적인 마그네슘과 알루미늄 금속 파우더와 비교하여 비싸다는 단점이 있다.
본 발명에서 액체 반응 연료로 사용되며, 연소 과정에 관련이 있는 금속인 마그네슘, 알루미늄, 지르코늄, 보론 및 리튬의 보다 상세한 특성들이 아래 표 2에 나타나 있다.
금속 녹는점 Tm (℃) 끓는점 Tb (℃) 산화물 녹는점 Tmo (℃) 끓는점 Tbo (℃) 융해열 Qmo(KJ/mole) 끓는열 Qbo(KJ/mole) KP -B
Mg 648 1090 MgO 2827 77 3600 347.6 0.81
Al 660.4 2467 Al2O3 2044 111.4 3530 338.7 1.45
Zr 1852 4377 ZrO2 2710 90 4500 427.8 1.45
B 2300 2550 B2O3 450 18.8 2250 227.3 4.03
Li 180 1342 LiO2 1570 35.6 2600 258.5 0.55
이중, 상기 KP -B는 Pilling-Bedworth Ratio 값으로서, 금속 방울(drop) 표면을 덮고 있는 산화 필름의 보호 특성을 결정하는 것이며, 아래와 같은 식으로 구한다.
Figure 112006038767854-PAT00001
이때, ρm: 금속의 밀도, ρmo: 산화물의 밀도, Am: 원자 무게, Mmo: 다이오드의 분자 무게, n: 산화물 내의 금속 원자 수를 나타낸다.
상기 KP -B >1인 경우, 금속 산화 필름은 금속 방울을 완전히 덮으며, 점화와 연소를 방해하고, KP -B <1인 경우, 금속 산화 필름은 산화를 위해 금속 표면을 파괴하고 개방한다.
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 마그네슘(Mg)은 높은 녹는점(Tm=648℃)과 끓는점(Tb=1090℃)을 나타내며, Pilling-Bedworth Ratio 값이 1보다 작다(KP -B <1). 그러므로, 연소시 끓는 마그네슘의 표면은 산화제와 접촉하기에 자유로우며, 기본적인 발열반응은 입자의 표면 근처에서 가스상으로 발생한다. 마그네슘 입자의 연소는 액상 탄화수소 연료 입자의 연소와 유사하고, 이것에 대하여 스폴딩의 적상 확산 연소(drop diffusion combustion) 이론이 발달되어 있는데, 이 이론은 연소 과정의 특성을 예측하기 위하여 이용될 수 있다. 마그네슘 입자 표면에 보호 코팅이 없을 경우, 점화 과정이 매우 용이해진다.
또한, 알루미늄(Al)의 녹는점(Tm=660.8℃)은 마그네슘의 녹는점에 근접하나, 끓는점은 매우 높다(Tb=2467℃). 알루미늄의 Pilling-Bedworth Ratio 값은 마그네슘과 비교할 때, 1 보다 크나(KP-B >1), 산화물의 녹는점(Tmo=2044℃)과 끓는점(Tbo=3530℃)은 알루미늄 입자의 점화를 어렵게 할 만큼 충분히 높다. 알루미늄 입자의 연소 시, 화학적 반응은 일부는 가스상으로, 일부는 표면에서 발생하는데, 여기에서 연소하는 입자 표면에 산화물이 축적될 수 있다. 구체적인 알루미늄 입자의 메커니즘은 대기의 구성과 특성에 의거한다.
지르코늄(Zr)은 녹는점(Tm=1852℃)과 끓는점(Tb=4377℃)이 높다. 지르코늄의 점화와 연소는 기본적으로 표면의 발열작용을 통하여 발생한다. 지르코늄은 표면의 산화 과정을 방해하는 액상 산화물을 지니며, 지르코늄 표면에서 열분리가 많이 일어나, 높은 온도까지 지르코늄 입자를 빠르게 가열시킨다. 지르코늄은 매우 쉽게 점화되며 수증기로 연소한다.
보론(B)은 녹는점(Tm=2300℃)과 끓는점(Tb=2550℃)이 매우 높아 가스상으로 보론의 연소는 거의 불가능하다. 보론 산화물의 액상 필름 B2O3은 보론 입자를 덮으며, 보론 표면을 가스 산화물의 직접 확산으로부터 보호한다. 보론 입자 연소 시, 산화 작용은 높은 끓는점(Tbo= 2250℃)을 지닌 보론 산화물의 액상 필름인 B2O3을 통해 산화제가 확산할 경우 발생한다. 보론의 경우 Pilling-Bedworth Ratio 값은 매우 높으며(KP-B=4.03), 보론 산화물의 필름을 제거하거나 파괴를 촉진시키는 어떤 방법들을 통해서도 연소 속도를 강하게 가속화시킬 수 있다.
리튬(Li)은 녹는점(Tm=180℃)과 끓는점(Tb=1342℃)이 낮은 알칼리 금속으로서, 리튬 연소는 마그네슘 연소와 매우 유사하고, 끓는 금속 표면 주변에서 가스상으로 발생한다.
상기에서 언급한 5가지 액체 반응 연료 중, 특히 마그네슘과 알루미늄은 액체 반응 연료의 기본 성분으로 선호되는데, 이는 이들이 높은 비추력을 지니고 있기 때문이며, 이들 금속의 분말형태만이 최신 액체 반응 연료의 성분으로 이용되고 있다.
또한, 상기에서 언급한 5가지 액체 반응 연료 이외에도 마그날륨 분말, 마그네슘-알루미늄 합금, 규소 분말, 실루민 분말, 규소-알루미늄 합금, 규소화마그네슘 분말, 규소철 분말, 페로실리콘, 붕소 분말, 붕소화마그네슘 분말, 티타늄 분말, 칼슘, 베릴륨, 수소화알루미늄, 수소화마그네슘, 수소화지르코늄, 수소화칼슘, 수소화티타늄, 수소화리튬, 수소화나트륨, 수소화칼륨, 수소화바륨, 수소화베릴륨, 테트라실란, 트리실란, 데카보란, 펜타보란, 디보란, 수소화베릴륨, 수소화알루미늄리튬, 수소화알루미늄나트륨, 수소화알루미늄칼륨, 붕수소화리튬, 붕수소화나트륨, 붕수소화칼륨, 탄화알루미늄, 탄화마그네슘 및 탄화칼슘이 액체 반응 연료로 사용될 수 있다.
금속 분말과 함께 액체 반응 연료의 또 다른 기본 성분인 제 1 산화제는 금속 분말의 초기 점화를 위한 활성 산호를 배출한다. 금속 분말의 함유량은 이후 수증기에서의 연소를 위하여 충분한 양이어야 한다.
그러므로, 액체 반응 연료는 산소결핍이 되어야 하며, 산소균형(oxygen balance)은 다음과 같은 식으로 구한다.
Figure 112006038767854-PAT00002
이때, Mox: 산화제의 질량, Mf: 혼합 액체 반응 연료의 질량, Moxc: 액체 반응 연료 Mf 내에 함유된 금속 연료의 완전 연소에 필요한 산화제의 질량을 나타낸다.
금속 분말을 포함하는 액체 반응 연료에 사용할 수 있는 불꽃 산화제 가운데에는 염소산염(KClO3, NaClO3), 과염소산염(NH4ClO4, KClO4, NaClO4) 질산염(NaNO3, KNO3, Ba(NO3)2, Sr(NO3)2)이 있으며, 아래 표 3에 상기와 같은 제 1 산화제들의 특성이 나타나 있다.
산화제 산화제 생성반응 녹는점 Tm (℃) 열분해 온도 Td (℃) 분해열 (kJ/mole) 활성산화제 비율 (%)
NaClO3 2NaClO3=2NaCl+3O2 263 465 55.35 45
KClO3 2KClO3=2KCl+3O2 357 470 46.9 39
NH4ClO4 2NH4ClO4=N2+4H2+Cl2+4O2 270 480 -288.7 85
NaClO4 NaClO4=NaCl+2O2 480 480 27.6 52
KClO4 KClO4=KCl+2O2 570 580 4.0 46
NH4NO3 2NH4NO3=2N2+4H2+3O2 170 270 -365.6 60
NaNO3 4NaNO3=2Na2O+2N2+5O2 308 600 -251.2 47
KNO3 4KNO3=2K2O+2N2+5O2 336 700 -314.1 40
Sr(NO3)2 2Sr(NO3)2=2SrO+2N2+5O2 650 600 -385.7 38
Ba(NO3)2 2Ba(NO3)2=2BaO+2N2+5O2 592 600 -436.13 30
상기 모든 산화제들은 불꽃제조술에서는 잘 알려져 있으며, 열 분해 및 연소시 가스 물질을 배출한다. 이러한 가스 물질은 향후 수증기로 연소되는 금속 입자들의 점화 구름을 형성한다.
상기 표 3과 같은 제 1 산화제를 실제로 이용하기 위해서는, 흡습성(hygroscopicity), 충격에 대한 감도(sensitivity)와 같은 특성을 고려하여야 하는데, 이것은 액체 반응 연료용 산화제의 이용을 제한시킨다.
여기에서, 상기 NaClO3, KClO3를 함유한 금속 혼합물은 기계적 충격에 매우 민감하며, 특히. 상기 NaClO3은 수분 흡수율이 높아 액체 반응 연료 생산에 이용되지 않는다.
또한, 상기 KClO4는 충격에 매우 민감하며, NaClO4는 충격에 민감할 뿐만 아니라, 수분 흡수성이 있다. 상기 NaNO3는 수분 흡수성이 있고, 압력이 1~100atm일 경우, 연소가 어렵고 일정하지 않게 연소된다.
따라서, 알루미늄 또는 마그네슘 분말을 함유한 액체 반응 연료용 산화제에 보다 적합한 산화제는 NH4ClO4, KNO3, Ba(NO3)2 및 Sr(NO3)2이나, 이중 Ba(NO3)2 및 Sr(NO3)2은 일반적 형태의 액체 반응 연료로 사용하기에는 너무 비싸다는 문제점이 있다.
금속 파우더 함유량이 많은 액체 반응 연료는 점화 신뢰성이 높아야 하고, 자체적으로 연소가 가능하여야 한다. 그러나, 표 3의 데이터에서 볼 수 있듯이 산화제 KNO3 및 NaNO3의 열 분해에는 열 분해를 위한 열이 필요하며, 이 열은 연소 표면 가까이에서 금속 입자가 점화되거나 연소되는 장소로부터 얻어야 한다.
마그네슘과 알루미늄 활성 금속이 연소할 경우, 높은 온도에 도달하게 되며, 연소 부분으로부터 나오는 방사 흐름(radiational flux) 또는 전도 흐름(conductive flux) 형태의 열 흐름은 고체 연료의 가열, 산화제의 열 분해, 금속 입자의 점화조건까지 가열을 위해 필수적인 열을 제공할 수 있다.
따라서, 알루미늄과 마그네슘 활성 금속은 액체 반응 연료에 가장 많이 사용된다. 마그네슘은 그 보호 필름이 쉽게 파괴되고, 연소 시 재생되지 않으므로(Pilling-Bedworth Ratio Kp -b<1) 매우 쉽게 점화되는 반면, 알루미늄은 보호용 산화 필름이 입자 표면을 산화로부터 보다 강하게 보호하므로, 마그네슘보다 점화가 어렵다 (Pilling-Bedworth Ratio Kp -b>1). 알루미늄 입자의 점화를 위해서는 염소(Cl2)와 같이, 보다 활성이 큰 산화제가 필요하고, 가스 연소 산물의 온도가 높아야 한다.
또한, 상기 표 3에서 언급한 제 1 산화제 이외에도 과염소산바륨, 과염소산스트론튬, 과염소산나트륨 일수화물, 과염소산리튬 무수물, 과염소산리튬 삼수화물, 과염소산알루미늄, 과염소산히드라지늄, 과염소산히드록실암모늄, 질산리튬, 질산칼슘, 질산납, 질산알루미늄 무수물, 질산알루미늄 구수화물, 질산제이철 무수물, 질산제이철 육수화물, 질산제이철 구수화물, 질산제일철 무수물, 질산제일철 육수화물, 질산제일철 구수화물, 질산히드록실암모늄, 염소산바륨, 염소산스트론튬, 염소산리튬, 염소산칼슘, 암모늄 디시안디아미드, 칼륨 디시안디아미드, 바륨 디시안디아미드, 스트론튬 디시안디아미드, 나트륨 디시안디아미드, 리튬 디시안디아미드, 중크롬산암모늄, 중크롬산칼륨, 중크롬산나트륨, 중크롬산제이철, 중크롬산제일철, 중크롬산납, 크롬산동, 크롬산암모늄, 크롬산나트륨, 크롬산칼륨, 크롬산제이철, 크롬산제일철, 크롬산납, 망간산암모늄, 망간산칼륨, 망간산나트륨, 망간산동, 망간산제이철, 망간산제일철, 과망간산칼륨, 과망간산나트륨, 과망간산바륨, 이산화망간, 과산화바륨, 테트라니트로메탄 및 트리니트로메탄이 제 1 산화제로 사용될 수 있다.
액체 반응 연료가 연소하는 과정은, 먼저 연료를 함유한 금속이 연소하고, 금속 분자들은 연소하는 분자의 흐름을 형성하면서 점화된다. 연료 성분에 함유되어 있는 산화제의 양은 금속이 완전 연소하기에 부족하며, 전체 산화에 필요한 양의 0.1~0.2% 정도이고, 나머지 금속 부분의 연소는 수증기에서 발생한다. 집중적인 연소를 위하여 물을 물방울 유동 형태로 공급하고, 이러한 물방울들은 연소하는 금속 분자의 구름과 접촉할 때 증발된다. 금속 분자의 완전 연소는 노즐에 들어가기 전에 종료되어야 하며, 연소 물질은 노즐에서 추진력을 발생시키면서 빠져 나오게 된다.
이하, 본 발명을 아래 실시예를 통하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 범위는 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예 1: 알루미늄과 과염소산암모늄을 이용한 수 반응성 추진제
본 실시예 1은 연료로 알루미늄을 이용하고, 제 1 산화제로 과염소산암모늄을 이용하여 물로 산화되는 추진제에 관한 것으로서, 알루미늄 분말 75 중량부와 과염소산암모늄 25 중량부를 혼합하여 제조되며, 알루미늄 분말과 과염소산암모늄이 반응한 후, 제 2 산화제인 물 59.8 중량부를 첨가한다.
본 실시예 1의 반응식은 아래와 같다.
6NH4ClO4+78.4Al+93.6H2O→3N2+6HCl+102.6H2+39.2Al2O3
이때, 산소균형은 -58.2%이며, 본 추진제가 1kg 연소할 때, 3,196.1kcal의 열과 886.9ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 2.512g/㎤이다.
실시예 2: 마그네슘과 과염소산암모늄을 이용한 수 반응성 추진제
본 실시예 2는 연료로 마그네슘을 이용하고, 제 1 산화제로 과염소산암모늄을 이용하여 물로 산화되는 추진제에 관한 것으로서, 마그네슘 분말 83 중량부와 과염소산암모늄 17 중량부를 혼합하여 제조되며, 마그네슘 분말과 과염소산암모늄이 반응한 후, 제 2 산화제인 물 49.8 중량부를 첨가한다.
본 실시예의 반응식은 아래와 같다.
2NH4ClO4+47.2Mg+38.2H2O→N2+42.2H2+MgCl2+42.2MgO+4MgL
본 추진제가 1kg 연소할 때, 2,927.6kcal의 열과 848.0ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 1.777g/㎤이다.
실시예 3: 알루미늄과 질산칼륨을 이용한 수 반응성 추진제
본 실시예 3은 연료로 알루미늄을 이용하고, 제 1 산화제로 질산칼륨을 이용하여 물로 산화되는 추진제에 관한 것으로서, 알루미늄 분말 63 중량부와 질산칼륨 37 중량부를 혼합하여 제조되며, 알루미늄 분말과 질산칼륨이 반응한 후, 제 2 산화제인 물 42.4 중량부를 첨가한다.
본 실시예의 반응식은 아래와 같다.
6KNO3+38.3Al+42.4H2O→3K2O+3N2+19.141Al2O3+42.4H2
본 추진제가 1kg 연소할 때, 2,633.6kcal의 열과 621.0ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 2.480g/㎤이다.
실시예 4: 마그네슘과 질산칼륨을 이용한 수 반응성 추진제
본 실시예 4는 연료로 마그네슘을 이용하고, 제 1 산화제로 질산칼륨을 이용하여 물로 산화되는 추진제에 관한 것으로서, 마그네슘 분말 68 중량부와 질산칼륨 32 중량부를 혼합하여 제조되며, 마그네슘 분말과 질산칼륨이 반응한 후, 제 2 산화제인 물 36.1 중량부를 첨가한다.
본 실시예의 반응식은 아래와 같다.
2KNO3+17.7Mg+12.7H2O→K2O+N2+17.7MgO+12.7H2
본 추진제가 1kg 연소할 때, 2,415.3kcal의 열과 485.2ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 1.859g/㎤이다.
실시예 5: 알루미늄과 질산바륨을 이용한 수 반응성 추진제
본 실시예 5는 연료로 알루미늄을 이용하고, 제 1 산화제로 질산바륨을 이용하여 물로 산화되는 추진제에 관한 것으로서, 알루미늄 분말 61 중량부와 질산바륨 39 중량부를 혼합하여 제조되며, 알루미늄 분말과 질산바륨이 반응한 후, 제 2 산화제인 물 47.7 중량부를 첨가한다.
본 실시예의 반응식은 아래와 같다.
3Ba(NO3)2+45.4Al+53.2H2O→3BaO+3N2+22.7Al2O3+53.2H2
본 추진제가 1kg 연소할 때, 2,563.4kcal의 열과 626.3ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 2.911g/㎤이다.
실시예 6: 마그네슘과 질산바륨을 이용한 수 반응성 추진제
본 실시예 6는 연료로 마그네슘을 이용하고, 제 1 산화제로 질산바륨을 이용하여 물로 산화되는 추진제에 관한 것으로서, 마그네슘 분말 70 중량부와 질산바륨 30 중량부를 혼합하여 제조되며, 마그네슘 분말과 질산바륨이 반응한 후, 제 2 산화제로 물 41.5 중량부를 첨가한다.
본 실시예의 반응식은 아래와 같다.
Ba(NO3)2+25.1Mg+20.1H2O→BaO+N2+25.1MgO+20.1H2
본 추진제가 1kg 연소할 때, 2,445.7kcal의 열과 542.6ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 2.192g/㎤이다.
비교예 1: 알루미늄과 과염소산암모늄을 이용한 추진제
본 비교예 1은 연료로 알루미늄을 이용하고, 제 1 산화제로 과염소산암모늄을 이용한 추진제에 관한 것으로서, 알루미늄 분말 27.7중량부와 과염소산암모늄 중량부를 혼합하여 제조되며, 그 반응식은 아래와 같다.
6NH4ClO4+10Al→3N2+6HCl+9H2O+5Al2O3
본 비교예 1에서는 물이나 공기에 해당하는 제 2 산화제는 사용하지 않고, 연료를 산화시키기 위하여 모두 제 1 산화제에 의존한 것이다.
이때, 산소균형은 0.0%이며, 본 추진제가 1kg 연소할 때, 2,386.5kcal의 열과 413.9ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 2.157g/㎤이다.
비교예 2: 알루미늄과 과염소산암모늄을 이용한 공기로 산화되는 추진제
본 비교예 2는 연료로 알루미늄을 이용하고, 제 1 산화제로 과염소산암모늄을 이용한 공기로 산화되는 추진제에 관한 것으로서, 알루미늄 분말 75중량부와 과염소산암모늄 25중량부를 혼합하여 제조되며, 반응 후 제 2 산화제인 산소를 58.2%를 첨가한다.
6NH4ClO4+78.4Al+4.5O2+46.8O2→3N2+6HCl+9H2O+39.2Al2O3
이때, 산소균형은 -58.2%이며, 본 추진제가 1kg 연소할 때, 5,681.1kcal의 열과 264.6ℓ의 기체가 발생하며, 진밀도는 2.512g/㎤이다.
본 발명에 따른 수중 추진을 위한 수 반응성 추진제에 따르면, 수 반응성 추 진제에 포함된 제 1 산화제의 비율을 낮추고, 수 반응성 연료의 비율을 높임과 함께 제 2 산화제로 바깥쪽 물을 사용하게 되면, 추진제에 포함된 연료의 양과 추진체에 적재되는 연료의 양이 증가하게 되므로, 추진제의 비추력과 추진체의 사거리가 획기적으로 증가하게 된다는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 수 반응성 금속 연료 10~90 중량부를 기준으로, 연소 개시제로서의 제 1 산화제 10~90 중량부 및 제 2 산화제인 물 40~60 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 추진을 위한 수 반응성 추진제.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 연료는 알루미늄 분말, 마그네슘 분말, 마그날륨 분말, 마그네슘-알루미늄 합금, 규소 분말, 실루민 분말, 규소-알루미늄 합금, 규소화마그네슘 분말, 규소철 분말, 페로실리콘, 붕소 분말, 붕소화마그네슘 분말, 티타늄 분말, 지르코늄 분말, 리튬, 칼슘, 베릴륨, 수소화알루미늄, 수소화마그네슘, 수소화지르코늄, 수소화칼슘, 수소화티타늄, 수소화리튬, 수소화나트륨, 수소화칼륨, 수소화바륨, 수소화베릴륨, 테트라실란, 트리실란, 데카보란, 펜타보란, 디보란, 수소화베릴륨, 수소화알루미늄리튬, 수소화알루미늄나트륨, 수소화알루미늄칼륨, 붕수소화리튬, 붕수소화나트륨, 붕수소화칼륨, 탄화알루미늄, 탄화마그네슘 및 탄화칼슘을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수중 추진을 위한 수반응성 추진제.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 산화제는 과염소산암모늄, 과염소산칼륨, 과염소산바륨, 과염소산 스트론튬, 과염소산나트륨 무수물, 과염소산나트륨 일수화물, 과염소산리튬 무수물, 과염소산리튬 삼수화물, 과염소산알루미늄, 과염소산히드라지늄, 과염소산히드록실암모늄, 질산칼륨, 질산바륨, 질산암모늄, 질산나트륨, 질산리튬, 질산스트론튬, 질산칼슘, 질산납, 질산알루미늄 무수물, 질산알루미늄 구수화물, 질산제이철 무수물, 질산제이철 육수화물, 질산제이철 구수화물, 질산제일철 무수물, 질산제일철 육수화물, 질산제일철 구수화물, 질산히드록실암모늄, 염소산칼륨, 염소산바륨, 염소산나트륨, 염소산스트론튬, 염소산리튬, 염소산칼슘, 암모늄 디시안디아미드, 칼륨 디시안디아미드, 바륨 디시안디아미드, 스트론튬 디시안디아미드, 나트륨 디시안디아미드, 리튬 디시안디아미드, 중크롬산암모늄, 중크롬산칼륨, 중크롬산나트륨, 중크롬산제이철, 중크롬산제일철, 중크롬산납, 크롬산동, 크롬산암모늄, 크롬산나트륨, 크롬산칼륨, 크롬산제이철, 크롬산제일철, 크롬산납, 망간산암모늄, 망간산칼륨, 망간산나트륨, 망간산동, 망간산제이철, 망간산제일철, 과망간산칼륨, 과망간산나트륨, 과망간산바륨, 이산화망간, 과산화바륨, 테트라니트로메탄 및 트리니트로메탄을 포함하는 그룹에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 수중 추진을 위한 수반응성 추진제.
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