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1 한국정밀공학회지제 35 권제 10 호 pp October 2018 / 987 J. Korean Soc. Precs. En., Vol. 35, No. 10, pp ISSN (Prnt) / (Onlne) 극초음속유도탄열보호설계를위한탄화성페놀수지복합재의열분해및화학적삭마해석 Pyrolyss and Chemcal Ablaton Analyss of Hypersonc Mssle for Thermal Protecton Desn Applyn Charrn Phenol Resn Compostes 최윤규 1,#, 노경호 1, 박진용 1, 조영환 1 Youn Gyu Cho 1,#, Kyun-Ho Noh 1, Jn Yon Park 1, and Youn Hwan Jo 1 1 LIG 넥스원유도무기연구소 (PGM R&D Center, LIG Nex1 Co., Ltd.) # Correspondn Author / E-mal: younyu.cho@lnex1.com, TEL: ORCID: KEYWORDS: Hypersonc mssle ( 극초음속유도탄 ), Thermal protecton desn ( 열보호설계 ), Charrn composte ( 탄화성복합재료 ), Phenol resn ( 페놀수지 ), Pyrolyss ( 열분해 ), Chemcal ablaton ( 화학적삭마 ) A chemcal ablaton analyss of hypersonc mssle for thermal protecton desn was performed usn SAMCEF AMARYLLIS V.17, the specfc ablaton module of commercal software based on a fnte element code. The pyrolyss and surface recesson models based on the effects of mass loss, pore as dffuson, and endothermc reacton enery were appled for non-lnearty of materal and boundary. The numercal studes were carred out to confrm the tendency of the pyrolyss and chemcal ablaton of theoretcal ablatve composte for open testn (TACOT) wth a chemcal composton smlar to charrn carbon/phenolc compostes. The frequency of varaton n surface recesson, temperature, densty and as mass flux was revewed to determne the characterstcs of multple decomposton reactons and oxdaton va pyrolyss of as speces. Manuscrpt receved: June 25, 2018 / Revsed: July 30, 2018 / Accepted: July 31, 2018 NOMENCLATURE B = Non-dmensonal surface recesson [-] h = Enthalpy [J/k] p = Pressure [Pa] q = Heat flux [W/m 2 ] R = Real as constant [8.314 J/mol k] S = Surface recesson [mm] χ = Exchane coeffcent [k/m 2 s] γ = Gas dffuson coeffcent [(k m)/(n s)] κ = Thermal conductvty [W/m k] θ = Temperature [K] ρ = Densty [k/m 3 ] 1. 서론유도무기는일반적으로동체와날개구조를갖는비행체로서동체내부에목표물을탐지및추적하여타격할수있는다양한구성품을탑재한다. 자체추진력으로목표물까지접근하여표적을정확하게타격해야하는정밀유도무기는최근고속기동환경에서경량화와함께비행속도의증가를요구받고있다. 1 지구대기권을마하 20이상의속도로재진입하는 ICBM (Intercontnental Ballstc Mssle) 뿐만아니라대기권내에서도마하 5이상의극초음속환경에서운용되는유도무기는상대적으로빠른속도로비행하기때문에외부표면이공기역학적마찰에의하여고속으로가열되고동체전방부또는리딩엣지 (Leadn Edes) 부에서많은양의열에너지가유입되게된다. 이러한열에너지는급격한온도상승을야기하고열기계적거동에영향을주면서유도무기동체 Copyrht The Korean Socety for Precson Enneern Ths s an Open-Access artcle dstrbuted under the terms of the Creatve Commons Attrbuton Non-Commercal Lcense ( 3.0) whch permts unrestrcted non-commercal use, dstrbuton, and reproducton n any medum, provded the ornal work s properly cted.

2 988 / October 2018 한국정밀공학회지제 35 권제 10 호 F. 1 TPS concepts n operaton or proposed for use on hypersonc vehcles 또는날개부의강도저하로예기치않은구조적파손과함께탑재구성품의기능장애를유발할수있기때문에운용조건에적합한열-유동특성분석과고엔탈피환경으로부터구조물을보호할수있는열보호시스템 (Thermal Protecton System, TPS) 설계가중요하다. 2,3 TPS설계는 F. 1과같이열에너지를소진하는방법으로냉각시스템을적용하는지에따라능동형또는수동형 TPS로구분된다. 1,4 삭마 (Ablaton), 방열 (Heat Snk), 단열구조 (Insulated Structure), 발열구조 (Hot Structure), 열교환 (Heat Ppe) 등으로구분되는수동형 TPS 설계는능동형에비해간단한구조로설계가가능하며, 극초음속유도무기의 TPS 설계에는외부로부터유입되는고온의열을효과적으로차단할수있는삭마복합재료 (Ablatve Compostes) 의사용이증가하고있다. 삭마복합재료는그래파이트, C/C, 코르크, 탄소 / 페놀릭, 실리카 / 페놀릭등과같이섬유및수지종류, 섬유방향, 섬유와수지비율을조절하여사용목적및운용환경에적합한재료로제작이가능하다. 특히, 열경화성수지에셀룰로스섬유 (Cellulose Nano Fber) 을불규칙하게배열함으로써일반적인복합재료대비밀도가 20% 수준인저밀도삭마재 (Low-Densty Ablator) 로활용할수있다. 5,6,12 저밀도삭마재는극초음속의공력가열환경에서열분해 (Pyrolyss) 및삭마를경험한다. 재료표면으로부터열에너지의유입과전달된열에너지가고분자수지층에축적됨에따라열화학반응이시작되면서재료분해가발생한다. 재료의상이변화하면서재료표면에서숯 (Char) 이생성되고숯층이재료내부에서발생한분해가스와산화반응하면서표면침식되어재료의일부가제거되는화학적삭마에지배적인영향을받는다. 따라서, 열분해 과정에서복합열분해반응과다종분해가스생성및이동에따른열에너지변화와산화반응특성을고려한화학적삭마특성을일차적으로확인하고적용소재에대한내열특성을검토하여 TPS 설계에반영하는것이매우중요하다. 7-9 본연구에서는공력가열현상이발생하는극초음속비행환경에서유도무기 TPS 설계를위한기초연구로서탄화성페놀수지복합재와화학조성및열화학적특성이유사한 TACOT (Theoretcal Ablatve Composte for Open Testn) 의기본적인열분해특성과산화반응에의한화학적삭마영향성을확인하였다. 복합열분해반응및다종분해가스에의한산화반응영향성을검토하고자재료분해반응을 2차까지고려하였으며, 다종분해가스를 C, H, O, N, CH 4, CN, CO, CO 2, C 2, C 2 H, C 2 H 2, C 3, C 4, C 4 H 2, C 5, HCN, H 2, H 2 O, N 2, CH 2 OH, CNN, CNC, CNCOCN, C 6 H 6, HNC 의 25종혼합가스로결정하였다. 가스엔탈피및화학적삭마속도는 CEA (Chemcal Equlbrum wth Applcatons) 데이터를기반으로구하여이를상용삭마해석코드 SAMCEF AMARYLLIS V.17을이용한수치해석에적용하였다. 기공압력 (Pore Pressure), 밀도및온도자유도가연계된열분해및표면침식모델을통해삭마경계면에서온도, 밀도, 삭마량및가스질량플럭스 (Gas Mass Flux) 결과를비교하여복합열분해반응과다종분해가스적용에따른화학적삭마특성을검토하였다. 2. 수치모델 2.1 경계조건및열전달 고온벽면의열에너지평형은 F. 2와같이나타낼수있으며 C, V, R, A, B, G는각각전도, 대류, 복사, 삭마, 대류차단및분해가스와관련된물리량을의미한다. 고온벽면에서열에너지평형은전도와복사에의한열유입과산화반응, 분해가스생성및대류차단효과를고려한식 (1) 로표현된다. qn = q h h + ρ + + f r w f 4 w4 χ ( ) σι( θ θ ) S h m h qb w x AC 여기서 χ f, σ, ι, m 는각각대류전달계수, 스테판 -볼츠만상수, 복사율, 가스질량플럭스를의미한다. 상첨자 f, r, w, x, 는유체, 회복, 고온벽면, 산화반응, 기공가스와관련되고하첨자 AC는화학적삭마를나타낸다. 분해가스와산화반응에의한대류차단효과는다음의수식으로표현된다. q = η m n ( h h ) + η a ρ S ( h h ) r w w r w B 여기서 η은대류차단에기여하는계수이며상첨자 a는삭마와관련된다. 대류전달계수 χ f 와가스전달계수 χ 가같다고가정하면식 AC (1) (2)

3 한국정밀공학회지제 35 권제 10 호 October 2018 / 989 는밀도변화비로표현된다. v ρ ρ ς = v c ρ ρ (11) F. 2 Surface enery balance 식 (11) 의양변을미분형태로나타내면식 (10) 은식 (12) 로표현된다. 복합분해반응이고려된재료분해속도는식 (14) 와같다. (3) 와같이표현된다. 다종분해가스를고려한화학적삭마속도는식 (4) 과같이온도또는분해가스소산인자 B 의함수로정의된다. 식 (2) 는식 (5) 와같이표현된다. ( v) (1 v c n 1 ( ) ) n n E / θ a ς = A ρ ( ρ ρ ) 1+ ς e v ρ = ρ Δρς (12) (13) B mn = χ f (3) ( ) (1 ( ) ( 1 ) n ) v v c ρ = Δρ A ρ ρ ρ + ς e a n n E Rθ 1 / (14) B (, B = B θ B ) AC AC q = χ [ B ( h h ) + B ( h h )] x w w AC 식 (6) 은초기재료및숯층의재료특성에따라결정되는열전도도를나타내고식 (7) 및식 (8) 은엔탈피형태로표현된열분해반응열과재료내부의에너지보존방정식을나타낸다. κ = κ ς( κ κ ) v v c h j j j j p = h ρ h ρ v v c c v ρ h c ρ (4) (5) (6) (7) 열분해과정에서생성된분해가스를이상기체로가정하면가스질량플럭스는식 (15) 로표현된다. 여기서, ρ 는가스밀도, μ 는가스점성계수, p 는기공압력, β 는침투성을의미하며, 가스확산계수 (Gas Dffuson Coeffcent) 로나타내면식 (16) 과같다. m = ρ β m = γ p μ p j, j j, j (15) (16) p ρh = ( κ θ ) + h ρ m h + ρr j j,,, (8) 3. 수치해석및결과 여기서식 (8) 의좌변은재료의내부에너지변화율을나타내며, 우변의각항은열전도, 열분해반응열, 분해가스및열원과관련된에너지항을의미한다. 2.2 열화학적분해열분해및삭마해석을위해서는재료외부및내부에서의열에너지평형과함께열화학적분해에따른재료밀도감소, 기공가스생성및확산등이고려된아레니우스 (Arrhenus) 및다시 (Darcy) 구성방정식을연계해서다루어야하며열분해과정동안부피가일정할경우, 재료밀도감소는열분해층에서생성되는기공가스질량에비례한다고가정하면다음과같이표현할수있다. ρ s = m, (9) 재료분해속도는식 (10) 과같이아레니우스방정식으로정의된다. 빈도인자 A, 활성화에너지 E a 및반응차수 n은열중량분석 (Thermoravmetrc Analyss, TGA) 을통해결정된다. (1 n) ( ) ( ) ρ = A ρ ρ ρ s v c E / a (10) 재료의복합분해반응은식 (11) 과같이 0 에서 1 사이값을갖 n e Rθ 3.1 열분해및화학적삭마해석극초음속유도탄열보호설계를위한기본적인열분해및화학적삭마해석에는탄소 / 페놀릭복합재와화학조성및열화학적특성이유사하고온도에따른비선형적재료물성확보가용이한 TACOT를적용하였다. TACOT는다양한삭마해석코드의신뢰성검증에이용되며 F. 3과같이길이 1 mm, 직경 10 μm인셀룰로스탄소섬유가페놀 (Phenol)/ 포름알데히드 (Formaldehyde) 로구성된노발락 (Novolac) 합성고분자수지에불규칙하게배열된다공성의저밀도삭마재이다. 10 수치해석을위하여상용삭마해석프로그램 SAMCEF AMARYLLIS V.17 을이용하였으며 SAMCEF AMARYLLIS V.17은해석모델의온도, 압력, 밀도자유도를연계하여수치계산을수행하기때문에열에너지평형과재료분해에따른열분해현상모사가가능하고경계에서발생하는열화학적또는기계적삭마조건적용이가능하다. 공력가열에의하여열하중에쉽게노출되는유도탄전방동체부는원통형형상이기때문에 F. 4와같이전체영역이아닌두께방향으로일부영역만을해석영역 (L = 50.0 mm, W = 20.0 mm) 으로고려하였으며, 직사각형형상의 2D 열분해모델을통해대류, 복사, 전도에의한열전달현상과재료의열분해및일방향삭마현상을모사하였다. 삭마에의한표면침식은메쉬재형성 (Re-Meshn) 기법을적용하여경계면에서수치적으로계산되며해석의수렴성을향상시키

0 10-11 - Reacton order, n 3 - Reacton rate constant, A 1.2E 10 4 /s Actvaton enery, E a 71,134.58 J/mol 기위해비균일한크기의요소를생성하여경계면에요소가집중되도록하였다. 수치예제를통해 t =60s까지 TACOT의기본적인열분해및화학적삭마경향성을확인하였다.

4 990 / October 2018 한국정밀공학회지제 35 권제 10 호 F. 3 Numercal model of TACOT F. 5 Thermal conductvty of TACOT(vrn, char) F. 4 2D Pyrolyss and ablaton model Table 1 Materal Propertes of TACOT Property Value Vrn, v Char, c Unt Densty, ρ K/m 3 Porosty, ϕ Permeablty, β Reacton order, n 3 - Reacton rate constant, A 1.2E 10 4 /s Actvaton enery, E a 71, J/mol 기위해비균일한크기의요소를생성하여경계면에요소가집중되도록하였다. 수치예제를통해 t =60s까지 TACOT의기본적인열분해및화학적삭마경향성을확인하였다. 수치해석에사용된 TACOT 물성은 Table 1에나타내었으며, 초기재료, 숯층, 분해가스에서의열전도도및엔탈피값은 Fs. 5 및 6과같다 고온벽면에대한열하중및경계조건은비행속도 M > 5이상인유동조건으로부터대류열전달계수 χ f = 0.3 k/m 2 s 를적용하였고복사열전달은유체온도 θ f = 300 K, 복사율 ι =0.9값을부여하였으며경계에서의기공압력 p 는벽면압력 p w =1atm으로가정하였다. 화학적삭마속도는 Schneder 6 의 TGA 시험값을이용하였으며산화반응열 h x =2.83MJ/k을적용하였다. t = 1, 60 s에서표면밀도및온도분포결과를 Fs. 7 및 8에나타내었다. t =1 s일때, 삭마량은 0.3 mm이며표면온도는 2,303 K까지상승하지만재료의열분해가진행되는초기로서숯층이좁은영역에서생성되는것을알수있다. t =60s일때, 삭마량은 mm로증가하지만재료의열분해가진행됨에따라숯층과열분해층이발달하는것을알수있으며표면온도는 t =1s에서최고온도도달이후일정하게유지된다. TACOT 와같은저밀도삭마재는밀도가매우낮아산화반응에의한화학적삭마에지배적인영향을받기때문에재료의복합분해반응과열분해과정에서생성되는다종 F. 6 Enthalpy of TACOT(vrn, char, as) 분해가스에의한고온및삭마영향성을확인해야한다. 3.2 숯층표면의산화반응검토 열분해과정에서재료의복합열분해반응및다종분해가스에의한산화반응영향성을검토하였다. 수치해석에는수치예제 3.1과동일한모델및조건에서복합열분해반응에따른영향성을검토하고자 TACOT 물성에분해반응을 2차까지고려한아레니우스인자 A = /s, n =3, E a = 20,440 J/mol을추가로적용하였다. 페놀 / 포름알데히드수지의주요구성원소는 C, H, O 이며몰분율은각각 0.206, 0.679, 0.115이다. 14 초기열화학적분해과정에서생성된분해가스 C 6 H 5 OH, H 2, C 6 H 6, CH 4, H 2 O, CO, CO 2 는재료외부로이동하며경계및숯층에서산화반응을일으킨다. 다종분해가스에의한영향성을확인하기위해산화반응에기여하는분해가스를비응축혼합가스로가정하고 C, H, O, N, CH 4, CN, CO, CO 2, C 2, C 2 H, C 2 H 2, C 3, C 4, C 4 H 2, C 5, HCN, H 2, H 2 O, N 2, CH 2 OH, CNN, CNC, CNCOCN, C 6 H 6, HNC의 25종으로결정하였다. 15,16 다종분해가스의열역학적물성은물질간화학평형을계산하는 CEA를이용하였으며모든혼합가스의확산계수가같고화학적평형상태에있다고가정하였다.

일종 분해 가스(Pyrolyss Gas = 1 Speces)에 대한 단일(Deradaton Reacton = 1) 또는 복 합 분해반응(Deradaton Reacton = 2)을 적용한 해석 조건에서 두 결과가 대체로 일치하는 경향을 보여주는 반면, 다종 분해 가 스(Pyrolyss Gas = 25 Speces)에 대한 복합 분해 반응에서는 다 F.

5 한국정밀공학회지 제 35 권 제 10 호 October 2018 / 991 F. 9 Non-dmenson chemcal ablaton rate by out-assn parameter F. 7 Densty contour for 2D numercal model F. 10 Surface recesson VS tme by Deradaton reacton and Pyrolyss as 스질량플럭스에 대한 결과를 나타내다. 일종 분해 가스(Pyrolyss Gas = 1 Speces)에 대한 단일(Deradaton Reacton = 1) 또는 복 합 분해반응(Deradaton Reacton = 2)을 적용한 해석 조건에서 두 결과가 대체로 일치하는 경향을 보여주는 반면, 다종 분해 가 스(Pyrolyss Gas = 25 Speces)에 대한 복합 분해 반응에서는 다 F. 8 Temperature contour for 2D numercal model 른 해석 조건과 상이한 결과를 나타내었다. 이를 통해, 저밀도 삭 마재는 재료 분해 반응보다 다종 분해 가스(Pyrolyss Gas = 25 이를 통해, F. 9와 같이 산화 반응에 영향을 주는 25종 분해 가 Speces)의 생성 및 확산에 의한 열분해 및 산화 반응에 더 지배 스에 대한 소산인자 B 와 온도의 함수로 정의되는 무차원화된 화 적인 영향을 받는 것을 알 수 있다. F. 10을 살펴보면 표면 삭마 학적 삭마 속도를 구하였다. TACOT의 경우, 열분해 과정에서 생 량은 t = 7 s까지 모든 해석 조건에서 큰 차이를 나타내지 않은 반 성된 대부분의 분해가스는 3,000 K 이상 온도에서 산화 반응에 면, t = 60 s에서는 복합 분해 반응 및 다종 분해 가스를 고려한 해 따른 화학적 삭마가 급격히 증가하는 경향을 나타내었다. 석 조건에서 최종적인 표면 삭마량이 mm로 다른 해석조건 복합 열분해 반응과 다종 분해 가스에 의한 화학적 삭마 영향 보다 4.04 mm 더 적게 표면 침식이 발생하는 것으로 나타났다. 성을 확인하기 위해서 재료 분해 반응 및 분해 가스 화학종수에 이는 삭마에 영향을 주는 분해 가스들이 표면 온도에 따라 상이 따른 3가지 해석조건을 선정하여 t = 60 s까지 수치 해석을 수행 한 산화 반응 특성을 갖기 때문인 것으로 판단된다. 하였다. Fs. 10에서 13은 삭마 경계면에서 삭마량, 온도, 밀도, 가 F. 11은 시간에 따른 표면 온도 결과를 나타내며 표면 온도는

6 992 / October 2018 한국정밀공학회지제 35 권제 10 호 F. 11 Surface temperature VS tme by Deradaton reacton and Pyrolyss as F. 13 Surface densty VS tme by Deradaton reacton and Pyrolyss as 적물성및화학적삭마속도를적용함으로써다종분해가스에의한산화반응을고려한화학적삭마해석을수행하는것이중요하다. 4. 결론 F. 12 Surface densty VS tme by Deradaton reacton and Pyrolyss as Fs. 12 및 13과같이열분해과정에서발생하는밀도및가스질량플럭스변화와밀접하게관련된다. 복합분해반응및다종분해가스를고려한해석조건에서재료분해가더빠르게진행되면서재료내부로부터외부경계면으로이동하는가스질량플럭스가급격히증가하는것을알수있으며, 이러한영향으로복합분해반응및다종분해가스를고려한해석조건에서표면최고온도는약 3,156 K까지상승하는것으로나타났다. 일반적으로재료내부에서열분해과정으로생성된분해가스의이동에따른열에너지의소산은경계에서유입되는열에너지를감소시키기때문에표면온도가낮아지는경향을나타내기도하지만, 본연구에서는분해가스소산인자 B 와온도의함수인화학적삭마속도값적용에따라표면에서숯층이발달하면서단열효과가발생하여표면에서최고온도가다른해석조건대비약 853 K 정도더높게나타났다. 따라서, TACOT와같은저밀도삭마재를이용한열보호설계를수행하기위해서는열분해과정에서발생하는다양한분해가스종류을먼저식별하고다종분해가스의열역학 본논문에서는극초음속유도탄열보호설계를위한기초연구로서탄화성페놀수지복합재와화학조성및열화학적특성이유사한저밀도삭마재 TACOT에대한기본적인열분해및화학적삭마특성을확인하였다. 상용삭마해석코드 SAMCEF AMARYLLIS V.17를이용한열분해모델을기반으로수치해석을수행하였으며화학평형을계산하는 CEA를통해열분해과정에서생성되는다종분해가스의열역학적물성및화학적삭마속도를구하여이를해석에적용하였다. 간단한수치예제를통해탄화성페놀계복합재에대한열화학적분해및화학적삭마경향성을일차적으로확인한후, 복합분해반응및다종분해가스에따른화학적삭마영향성을비교하였다. 삭마경계면의삭마량, 온도, 밀도, 가스질량플럭스결과에서재료분해반응증가에따라서는큰차이가없었던반면다종분해가스에의한열역학적물성과화학적삭마속도를적용한경우에서는기존해석결과와상이한결과를나타내었다. 이는분해가스소산인자 B 및온도의함수로결정되는화학적삭마속도적용으로인해경계에서숯층이발달하면서단열효과가발생했기때문으로판단된다. 따라서, TACOT 와같은저밀도삭마재는밀도가매우낮아산화반응에의한화학적삭마에지배적인영향을받기때문에이들재료를적용한열보호설계를수행하기위해서는먼저열화학적분해과정에서생성되는다양한분해가스종류를먼저식별하고분해가스의열역학적물성및화학적삭마속도를고려한열분해및화학적삭마해석수행을통해고온및삭마특성을검토해야한다.

한국정밀공학회지제 35 권제 10 호 October 2018 / 993 REFERENCES 1. Kasen, S.

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