WO2018117359A1 - 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체 - Google Patents

나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제 및 이의 제조 방법 그리고 그를 이용한 발사체 Download PDF

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nems
nano
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김수형
김지훈
김경주
조명훈
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부산대학교 산학협력단
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    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/08—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using solid propellants

Definitions

  • the present invention relates to the manufacture of a solid propellant, specifically, a nano-energy improved performance by preparing a solid propellant (KNSU / nEMs Composite Propellants) by mixing KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) propellant and nano-energy materials (nEMs)
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • nEMs nano-energy materials
  • the present invention relates to a solid propellant based on a material composite, a method for preparing the same, and a projectile using the same.
  • metal fuel is mainly used as a solid propellant.
  • the solid propellant is a solid block made of a relatively uniform mixture of a powdered oxidant and a fuel together with a binder.
  • the solid propellant is mainly used in a rocket propulsion engine in a cylindrical form.
  • metal powders are used as additives, not as main fuels, and are known to be poor in efficiency due to poor ignition / combustion and material properties of metal fuels.
  • solid propellants have a simple structure and are easy to maintain and repair, and thus are widely used as secondary propellants for military missiles or space launch vehicles.
  • the present invention is to solve the problem of the solid propellant of the prior art, by mixing a KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) composite propellant and nano high energy materials (nEMs) to produce a solid propellant (KNSU / nEMs Composite Propellants)
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • nEMs nano high energy materials
  • the purpose of the present invention is to provide a solid propellant based on nano-energy composites with improved performance, a method of manufacturing the same, and a projectile using the same.
  • the present invention is to produce a solid propellant based on nanoenergy materials (nEMs) to have a high combustion rate and high heat and pressure release characteristics of the propellant to improve the performance of the solid propellant nano-energy material It is an object of the present invention to provide a composite-based solid propellant, a method for producing the same, and a projectile using the same.
  • nEMs nanoenergy materials
  • the present invention manufactures a solid propellant based on Nanoenergetic Materials (nEMs) and applies it to a small projectile to analyze the propulsion characteristics of the propellant through analysis of the elevation altitude, the combustion rate and the propulsion time of the propellant.
  • the purpose of the present invention is to provide a solid propellant based on the nano-energy material composite, a method for manufacturing the same, and a projectile using the same, which can improve the propulsion performance of the same.
  • nanohigh energy materials (nEMs) in a KNSU / nEMs composite-based solid propellant are burned at a high speed and at a high temperature to induce a rise in the combustion rate and the combustion temperature of the KNSU propellant and a complete combustion. It is an object of the present invention to provide a solid propellant based on an energy material complex, a method of manufacturing the same, and a projectile using the same.
  • the present invention is a simulation before the launch test of the actual small launch vehicle based on the measurement results of the propulsion force to calculate the flight altitude, speed, acceleration, mass change, etc. when the small launch vehicle propulsion by using the matlab program to obtain a reliable simulation prediction results of the small launch vehicle
  • the purpose of the present invention is to provide a solid propellant based on the nano-energy material composite, a method for producing the same, and a projectile using the same.
  • the present invention is to secure the propulsion measurement data of the small projectile according to the change in the mixing value of the nEMs contained in the KNSU propellant to determine the mixed value of the nEMs contained in the KNSU propellant having a critical significance based on the nano high energy material composite It is an object of the present invention to provide a solid propellant, a method for producing the same, and a projectile using the same.
  • the present invention comprises Sucrose (C 12 H 22 O 11 ) microparticles having an average diameter of ⁇ 10 ⁇ m and potassium nitrate (KNO 3 ) microparticles having an average diameter of ⁇ 2 ⁇ m as components of the Potassium Nitrate-Sucrose (KNSU) propellant, respectively.
  • Nano-energy composite based to finally produce KNSU / nEMs (KNO 3 / C 12 H 22 O 11 / Al / CuO) composite powder by physically mixing KNSU composite and nEMs powder and mixing them into solid powder.
  • the invention provides relatively large C 12 H 22 O 11 and KNO 3 microscales.
  • Nanoscale high-energy material composite to improve the performance of solid propellant by attaching nanoscale Al and CuO particles on the surface of particles so that C 12 H 22 O 11 / KNO 3 / Al / CuO particles are uniformly dispersed and mixed It is an object of the present invention to provide a solid propellant of the base and a method of manufacturing the same and a projectile using the same.
  • the solid propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention is KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) composite powder; the KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) composite powder and solid powder are mixed in the form of KNSU / The nano high energy material (nEMs) composite powder constituting the nEMs propellant; wherein the nano high energy material (nEMs) composite powder includes the combustion rate and combustion of the potassium nitrate-sucrose (KNSU) propellant upon ignition of the KNSU / nEMs propellant. It is characterized by raising the temperature.
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • the nano high energy material (nEMs) composite powder may include Al nanoparticles (Al Nanoparticles, Al NP) as fuel materials and CuO nanoparticles (CuO Nanoparticles, CuO NP) as oxidizer materials.
  • Al Nanoparticles, Al NP Al Nanoparticles, Al NP
  • CuO Nanoparticles, CuO NP 30: 70 by mass ratio is characterized by mixing.
  • KNSU / nEMs propellant is a KNO 3 / C 12 H 22 O 11 / Al / CuO) composite powder.
  • the KNSU / nEMs propellant is characterized in that the nano-energy material (nEMs) composite powder is contained 1wt% ⁇ 5wt%.
  • a method of preparing a nanopropellant composite-based solid propellant comprising: preparing a KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) composite powder; preparing a nanoenergy energy (nEMs) composite powder It comprises; mixing the KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) composite powder and the high-energy material (nEMs) composite powder in the form of a solid powder to prepare a KNSU / nEMs propellant; including, the nano-energy material (nEMs) composite powder
  • the ignition of the KNSU / nEMs propellant is characterized in that to increase the combustion rate and combustion temperature of KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) propellant.
  • Al NP Al nanoparticles
  • CuO nanoparticles CuO NP
  • the KNSU / nEMs propellant it is characterized in that the nano-energy material (nEMs) composite powder 1wt% ⁇ 5wt%.
  • Projectiles using a solid propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention for achieving another object has a clay nozzle (Clay Block) at the top and a clay nozzle to eject the explosion pressure of the propellant at the bottom
  • Propellant KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) composite powder and nano high energy material (nEMs) composite powder are mixed in a projectile having a propellant stacking area between clay block and clay nozzle to propel KNSU / nEMs
  • the nano high energy material (nEMs) composite powder is laminated on the propellant stacking area to increase the combustion rate and the combustion temperature of the potassium nitrate-sucrose (KNSU) propellant upon ignition of the KNSU / nEMs propellant.
  • the propellant laminated in the propellant stacking region may include a KNSU / nEMs propellant containing a potassium nitrate-sucrose (KNSU) propellant and a nano high energy material (nEMs) composite powder not mixed with the nano high energy material (nEMs) composite powder. It is characterized by being laminated alternately.
  • KNSU potassium nitrate-sucrose
  • nEMs nano high energy material
  • the KNSU / nEMs propellant containing KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) propellant, which is not mixed with the nano-energy material (nEMs) composite powder, and the nano-energy material (nEMs) composite powder are alternately stacked to change the type of propellant.
  • a thrust inflection point is generated in the section.
  • Such a solid propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention and a method for producing the same and a projectile using the same have the following effects.
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • nEMs nano high energy materials
  • solid propellants can be manufactured based on nanoenergetic materials (nEMs) to improve the performance of solid propellants by providing fast burn rates and high heat and pressure release characteristics.
  • nEMs nanoenergetic materials
  • a solid propellant is manufactured based on nanoenergetic materials (nEMs) and applied to a small projectile, and the propulsion characteristics of the propellant are analyzed by analyzing the elevation altitude, combustion rate and propulsion time of the propellant. To improve propulsion performance.
  • nEMs nanoenergetic materials
  • nano-energy materials can be burned at a high speed and at a high temperature, leading to an increase in the combustion rate and the combustion temperature of the KNSU propellant, and complete combustion.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the preparation of a solid propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention and the application of a solid propellant for a small projectile
  • Figure 2 is a flow chart showing a method of manufacturing a solid propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention
  • KNSU Potassisium Nitrate-Sucrose
  • KNO 3 / C 12 H 22 O 11 Potassisium Nitrate-Sucrose
  • FIG. 6 is an internal configuration diagram of a motor for a projectile
  • FIG. 11 is a graph showing the solid propellant stacking structure and propulsion characteristics of a projectile using a nanopropellant-based solid propellant according to the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the production of a solid propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention and the application of a solid propellant for a small projectile.
  • the present invention is to increase the combustion rate and the combustion temperature of the KNSU propellant and the complete combustion by the nano-energy material (nEMs) in the KNSU / nEMs composite-based solid propellant to burn at high speed and high temperature.
  • nEMs nano-energy material
  • Nanoenergetic Materials are future solid propellant materials that can meet these requirements.
  • the present invention is to develop a new solid propellant having improved propulsion characteristics than the conventional solid propellant by applying the nano-energy material to the solid propellant.
  • nEMs nanohigh energy material
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • KNSU KNSU / nEMs complex
  • KNSU KNSU / nEMs Composite Propellants
  • KNSU / nEMs composite propellant-based projectile motors were manufactured for propulsion testing and installed on small projectiles. The actual propulsion test was carried out to analyze the ascending altitude of small projectiles, combustion rate and propulsion time of the propellant. The propulsion performance improvement of KNSU / nEMs Composite Propellant (KNSU / nEMs Composite Propellant) was visually confirmed through small projectile.
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • nEMs nano High Energy Materials
  • the present invention comprises Sucrose (C 12 H 22 O 11 ) microparticles having an average diameter of ⁇ 10 ⁇ m and potassium nitrate (KNO 3 ) microparticles having an average diameter of ⁇ 2 ⁇ m as components of the Potassium Nitrate-Sucrose (KNSU) propellant, respectively. use.
  • Al aluminum
  • CuO Copper oxide
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • nEMs Nanoenergetic Materials
  • Al aluminum
  • CuO nanoparticles are used to mix the nanohigh energy material (nEMs) composite powder in which the two materials are mixed to form a KNSU / nEMs propellant.
  • Al Nanoparticle, Al NP Al Nanoparticle, Al NP
  • CuO Nanoparticle, CuO NP CuO nanoparticle, CuO NP
  • KNSU / nEMs propellant is a KNO 3 / C 12 H 22 O 11 / Al / CuO) composite powder.
  • the KNSU / nEMs propellant preferably contains 1 wt% to 5 wt% of the nanohigh energy material (nEMs) composite powder, but is not limited thereto.
  • nanohigh energy materials are burned at high speed and high temperature, leading to an increase in the combustion rate and combustion temperature and complete combustion of the KNSU propellant.
  • Figure 2 is a flow chart showing a method of manufacturing a solid propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention.
  • Al nanoparticles Al Nanoparticles, Al NPs
  • CuO nanoparticles CuO NPs
  • the KNSU / nEMs ie, KNO 3 / C 12 H 22 O 11 / Al / CuO composite powders are finally prepared by physically mixing the prepared KNSU composites and nEMs powders and mixing them in a solid powder state (S206).
  • the scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM) analysis image of the KNSU and KNSU / nEMs composite powder prepared by such a process is as shown in Figs.
  • FIG. 4 The actual picture of the KNSU and KNSU / nEMs composite powder shown in FIG. 3 is as shown in FIG. 4.
  • Figure 4 (a) (b) is a scanning electron micrograph of Potassium Nitrate-Sucrose (KNSU, KNO 3 / C 12 H 22 O 11 ), (c) (d) is a scanning electron micrograph of the KNSU / nEMs complex powder to be.
  • MP is a microparticle
  • NP is a nanoparticle
  • the small launch vehicle is mainly made of lightweight plastic, with a parachute inside the top of the projectile and a motor for the projectile at the bottom.
  • the projectile motor is made of PVC pipe, filled with propeller for propulsion, delay layer for adjusting parachute injection timing, and black powder for parachute injection pressure. Clay nozzles were used to eject the explosion pressure of the propellant.
  • the propulsive force of the motor for a projectile filled with 40 g of solid propellant based on KNSU / nEMs (0 & 3wt%) was measured.
  • the total load was 16.3 Ns for the KNSU / nEMs (3 wt%) composite propellant, about 13% more than the 14.4 Ns for the KNSU / nEM (0 wt%) propellant.
  • Total dynamics in the propulsion area higher than the projectile weight) can be seen to increase by about 18% from 13.3Ns to 15.7Ns.
  • the flight altitude, speed, acceleration, mass change, etc., during the propulsion of the small launch vehicle as a simulation before the launch test of the actual small launch vehicle are calculated using the matlab program, as shown in FIG. 8.
  • the small projectile was successfully propelled with strong exhaust gas emission, and after about 4 seconds after the launch, it reached the highest altitude point, and then the parachute was injected and it was confirmed that it stably fell.
  • FIGS. 9A and 9B illustrate altitude and acceleration results measured by an altitude-acceleration sensor (Altimeter 3, Jolly Logic, USA) mounted on a small projectile.
  • Altitude-acceleration sensor Altimeter 3, Jolly Logic, USA
  • the highest flight altitude was about 81.4 m at KNSU / nEMs (3 wt%) composite-based solid propellant conditions, flying about 38% higher than 59.1 m at KNSU / nEM (0 wt%) solid propellant conditions, and the maximum acceleration was 8.8gs, 7.4gs were recorded and about 19% higher in KNSU / nEM (3wt%) composite based solid propellant conditions.
  • Figure 11 is a solid propellant stacking structure and propulsion characteristics of the projectile using a solid-state propellant based on the nano-energy material composite according to the present invention It is a graph.
  • the projectile using the nano-energy composite-based solid propellant according to the present invention has a clay block at the top and a clay nozzle to eject the explosion pressure of the propellant at the bottom, as shown in FIG. It has a region in which a propellant is stacked between a clay block and a clay nozzle.
  • Figure 11 (a) is a KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) (100wt%) propellant that does not contain nano high energy material (nEMs) composite powder in the propellant stacking area of the projectile is used, the maximum thrust This is relatively low, and it can be seen that the thrust generation time is relatively long.
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • nEMs nano high energy material
  • Figure 11 (b) is a KNSU (98wt%) + nEM (2wt%) of the propellant is used, the maximum thrust is similar to Figure 11 (a), nEM (2wt%) is included in the fast ignition It can be seen that the thrust generation time is shortened as compared with FIG. 11A.
  • FIG. 11 (c) shows that a propellant of KNSU (96 wt%) + nEM (4 wt%) is used, and the content of nEM (4 wt%) is increased so that the combustion rate increases rapidly during ignition and the maximum thrust is shown in FIG. 11 (a). ) And (b) it is very high, about 5 times, and the thrust generation time is shortened.
  • Relatively low thrust occurs in the first stage (4-6 seconds) where KNSU (100wt%) propellant is burned, and the second stage (6 wt%) where KNSU (96wt%) + nEM (4wt%) propellant is combusted. -10 seconds) it can be seen that a high thrust occurs.
  • FIG. 11 (f) shows a propellant of KNSU (100 wt%), a propellant of KNSU (96 wt%) + nEM (4 wt%), a propellant of KNSU (100 wt%), and a KNSU (from the top of the clay block).
  • 96 wt%) + nEM (4 wt%) of propellants were sequentially stacked, and some thrust inflection points occur in the change layer of the propellant stacking section.
  • nanohigh energy material (nEMs) composite powder it is also possible to stack the nanohigh energy material (nEMs) composite powder differently depending on the purpose of use of the projectile, without making the content of the nano high energy material (nEMs) composite powder of the propellant to be laminated constant.
  • the present invention mixes Al nanoparticles and CuO nanoparticle-based nanohigh energy materials (nEMs) in KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) solid propellant, which is one of the conventional solid propellants, and solid propellant based on KNSU / nEMs composites.
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • KNSU / nEMs composite solid propellants with a new propulsion force can be obtained.
  • high-performance solid propellants using nano-energy materials can be manufactured.
  • the present invention relates to the manufacture of a solid propellant, specifically, a nano-energy improved performance by preparing a solid propellant (KNSU / nEMs Composite Propellants) by mixing KNSU (Potassium Nitrate-Sucrose) propellant and nano-energy materials (nEMs)
  • KNSU Potassium Nitrate-Sucrose
  • nEMs nano-energy materials
  • the present invention relates to a solid propellant based on a material composite, a method for preparing the same, and a projectile using the same.

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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
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.
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 3과 도 4는 (a)(b)Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU, KNO3/C12H22O11)과 (c)(d) KNSU/nEMs 복합체 분말의 구성 및 주사전자현미경 사진
도 5는 소형발사체의 구조도
도 6은 발사체용 모터의 내부 구성도
도 7은 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제의 추진력 측정 결과 및 총 역적(Total Impulse, Itotal) 비교 그래프
도 8은 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 9는 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제를 장착한 소형발사체의 소형발사체에 장착된 고도-가속도 센서를 이용하여 측정한 (a) 비행고도 기록 및 (b) 가속도 측정 결과 그래프
도 10은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체 구성도
도 11은 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 3 및 도 4에서와 같다.
도 3에서 도시한 KNSU와 KNSU/nEMs 복합체 분말의 실제 사진은 도 4에서와 같다.
도 4의 (a)(b)는 Potassium Nitrate-Sucrose(KNSU, KNO3/C12H22O11) 주사전자현미경 사진이고, (c)(d)는 KNSU/nEMs 복합체 분말의 주사전자현미경 사진이다.
도 3 및 도 4에서 MP는 마이크로입자(Microparticle), NP는 나노입자(Nanoparticle)이다.
도 4에서 (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 4의 (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 5와 도 6에서와 같이 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 7에서와 같다.
KNSU/nEMs(0 & 3wt%) 기반의 고체추진제 40g이 채워진 발사체용 모터의 추진력을 측정하였다.
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 7의 추진력 측정 시스템에 설치된 로드 셀에 의해서 측정된 추진력 측정 결과 그래프를 보면, 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 확인할 수 있다.
발생한 추진력의 시간에 대한 적분값인 총 역적(Total Impulse, Itotal)은 도 7의 총 역적(Total Impulse, Itotal) 비교 그래프에서와 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, 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 7의 추진력 측정 결과를 바탕으로 실제 소형발사체의 발사 시험 전 시뮬레이션으로써 소형발사체 추진 시 비행고도, 속도, 가속도, 질량변화 등을 매트랩 프로그램을 이용하여 계산한 결과는 도 8에서와 같다.
도 8은 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 필드에서의 가속도 측정 결과는 도 9에서와 같다.
도 9는 KNSU/nEMs (0 & 3 wt%) 복합체 기반 고체 추진제를 장착한 소형발사체의 소형발사체에 장착된 고도-가속도 센서를 이용하여 측정한 (a)비행고도 기록 및 (b)가속도 측정 결과 그래프이다.
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 9의 (a)(b)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 8에서 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 10은 본 발명에 따른 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체 구성도이고, 도 11은 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 10에서와 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 11의 (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 11의 (b)는 KNSU(98wt%) + nEM(2wt%)의 추진제가 사용된 것으로 최대 추력이 도 11의 (a)와 유사하고, nEM(2wt%)이 포함되어 있어 점화시에 빠른 연소를 통해 추력 발생 시간은 도 11의 (a)에 비하여 짧아지는 것을 확인할 수 있다.
도 11의 (c)는 KNSU(96wt%) + nEM(4wt%)의 추진제가 사용된 것으로, nEM(4wt%)의 함유량이 높아져 점화시에 연소 속도가 급상승하여 최대 추력이 도 11의 (a) 및 (b)의 경우보다 5배 정도로 매우 높게 나타나고, 추력 발생 시간은 짧아진 것을 확인할 수 있다.
도 11의 (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 11의 (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 11의 (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.
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.

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,
    나노고에너지물질(nEMs) 복합체 분말은 KNSU/nEMs 추진제의 점화시에 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제의 연소속도 및 연소온도를 상승시키는 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 분말은 KNSU/nEMs 추진제의 점화시에 KNSU(Potassium Nitrate-Sucrose) 추진제의 연소속도 및 연소온도를 상승시키도록 하는 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 상승시키는 것을 특징으로 하는 나노고에너지물질 복합체 기반의 고체 추진제를 이용한 발사체.
  12. 제 11 항에 있어서, 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.
  13. 제 12 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 12 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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