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용화 우
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1 12 Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 21, No. 4, pp , 2017 Research Paper DOI: 흑연노즐목삽입재의삭마율에미치는영향인자연구 함희철 a, * 강윤구 a 서상규 a A Study on the Influence Factors for Ablation Rate of Graphite Nozzle Throat Insert a The 4 th Heecheol Hahm a, * Yoongoo Kang a Sangkyu Seo a R&D Institute 1 st Directorate, Agency for Defense Development, Korea * Corresponding author. heecheol@add.re.kr ABSTRACT The ablation characteristics of graphite nozzle throat insert was analyzed for the use in solid rocket propulsion system. The propulsion system was composed of three s of conventional nozzles, such as De-Laval, blast tube, and submerged. Various kinds of propellants were used in ten kinds of propulsion system that had different shapes with each other. Total forty eight tests were performed. From the results of the analysis, it was found that the ablation rate was increased for the higher average chamber pressure and the higher oxidizer mole fraction. A useful correlation for nozzle throat ablation rate was developed in terms of the chamber pressure, oxidizer mole fraction, and throat size. The calculated ablation rates from the correlation showed agreement within ± 0.10 mm/s with the experimentally determined values. 초 록 고체로켓추진기관의노즐목삽입재에적용하는흑연의삭마율특성을분석하였다. 지상연소시험은 3 종류의일반적인노즐형태를갖는추진기관을사용하여수행하였다. 즉, De-Laval 형태, 토출관형태, 내삽형태이다. 10 종류의서로다른형상의추진기관에다양한추진제를적용하였고, 노즐목위치에흑연을적용하여총 48회의연소시험을수행하였다. 분석결과흑연의삭마율은연소실평균압력이상승함에따라, 산화제몰분율이증가함에따라증가함을알수있었다. 또한, 연소실압력, 산화제몰분율, 노즐목크기등 3 가지의영향인자를고려한노즐목삭마율관계식을유도하였으며, 측정치와비교한결과 ± 0.10 mm/s 이내로일치하였다. Key Words: Ablation Rate( 삭마율 ), Graphite( 흑연 ), Nozzle Throat( 노즐목 ), Thermal Response( 열반응 ), Thermal Resistance( 내열 ) Received 30 December 2016 / Revised 14 March 2017 / Accepted 18 March 2017 Copyright C The Korean Society of Propulsion Engineers pissn / eissn [ 이논문은한국추진공학회 2016 년도추계학술대회 ( , 강원랜드컨벤션호텔 ) 발표논문을심사하여수정 보완한것임.] 1. 서론 고체로켓추진기관의노즐은연소실에서생 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License( /licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

2 제 21 권제 4 호 흑연노즐목삽입재의삭마율에미치는영향인자연구 13 성된배기가스를팽창시켜운동에너지를효율적으로변환시킴으로써비행체에추력을공급하는기능을담당한다. 비행체추력의약 65 75% 는노즐목까지의아음속영역의가속에의해발생하고, 나머지는초음속영역의팽창과정에서발생한다. 노즐설계의목적은제한된외면모양, 무게및비용조건하에서비행거리및적재폭발력을최대화할수있도록배기가스의팽창을조정하는것이다. 따라서노즐은보다큰체계인추진기관의종합적인구성요소중하나이며, 그체계를고려하지않고는최적화될수없다. 이러한상관성때문에노즐설계는공력, 열, 구조, 제작등을고려한반복적인과정을거쳐이루어진다. 설계된노즐은먼저열적및구조적으로상세해석을통해평가되고, 그다음에전체비행체성능에미치는영향을분석하게된다. 이와같은이중의반복과정은실질적으로최적조건이성립될때까지계속된다. 공력설계에서는요구추력을구현하기위한수렴부, 노즐목및발산부의형상을정하고, 열설계에서는공력형상을유지하기위한노즐목삽입재, 내열재및단열재의재료와형상을정하며, 구조설계에서는내열부품들을지지하고예상하중에견딜수있도록구조물의재료와형상을정한다. 일정한연소압력을유지하기위해서는일정한노즐목면적이요구된다. 그러나추진기관의성능설계는노즐목삭마를감안하여설계하며, 이경우성능설계와노즐목설계의반복과정이요구된다. 노즐목삭마는상대적인노즐목변화때문에큰추진기관보다는작은추진기관에서더심각하며, 따라서연소시간이매우짧은경우를제외하고는작은노즐목을위하여내삭마성이보다우수한재료를선택하여야한다. 삭마에의한노즐목확공을억제시키기위하여노즐목부위에특별한내삭마성내열재를사용하며, 노즐목삽입재로서흑연 (graphite) 과탄소 / 탄소복합재료 (carbon/carbon composites) 가주로적용된다. 흑연은비교적낮은강도때문에두께를두껍게하거나또는구조적으로잘지지해주어야 한다. 흑연은취성이큰편이며열응력으로균열이갈때가많이있다. 또한, 비교적큰열팽창계수도설계에서유의해야될점이다. 탄소 / 탄소복합재료는매우각광을받는신소재이다. 탄소 / 탄소복합재료는흑연에버금가는내삭마성을가지면서도강도가더크고열적, 기계적충격에더잘견디는성질을가진다. 노즐재료로탄소 / 탄소복합재료를사용함으로써무게를줄일수있고노즐효율도개선시킬수있다. 이것은탄소 / 탄소복합재료가훌륭한내열재이면서동시에훌륭한구조재이기때문에가능하다. 노즐표면은고온의연소생성물에의해기계적침식 (mechanical erosion), 화학적침식 (chemical erosion), 증발 (evaporation), 용융 (melting), 탄화 (charring) 등여러가지거동으로반응하게되며, 보통이것을통칭하여삭마 (ablation) 라부른다. 연소생성물과내열재료의성분및분해가스사이의삭마에의한표면후퇴는순전히화학적인현상으로가정한다. 입자침적에의한기계적침식, 국부적쪼개짐 (spalling), 그리고표면마찰에의한용융층의제거등은해석적으로고려하기어렵고, 이와같은영향을무시할수없을정도가되면경험식을개발하여적용하는것이일반적인방법이다 [1]. 1.1 기존의열반응특성연구고체로켓추진기관작동조건에따른노즐내열재의삭마율은성능설계에있어서가장중요한기초자료가되며, 이를위해실제삭마두께를예측하기위한시험방법및수치해석방법들이연구되어왔다. McDonald와 Hedman[2] 은흑연삭마의주요원인은표면화학반응이며, 알루미늄함량이증가함에따라감소하고, 는삭마에큰영향을미치지않는다고서술하였다. Lewis 등 [3] 은다양한흑연및탄소 / 탄소복합재료의탄소와연소가스내의 와의상호작용을연구하였으며, 의순서로흑연삭마율에미치는영향이증가하는것을보였다.

3 14 함희철 강윤구 서상규한국추진공학회지 Klager[4] 는흑연삭마 (recession) 의주원인을 가스들의화학작용 (chemical attack) 임을연소시험을통하여규명하였다. 또한, 연소압력은삭마율에지대한영향을주는반면, 연소가스온도는삭마율에직접적인영향이없었다. 즉, 연소초기흑연표면의온도가 1600 K 이하일때삭마율은재료표면에서의화학반응속도에의해결정되며, 온도에크게의존한다. 그러나재료표면의온도는연소시작과동시에 1600 K 이상의고온에도달하며, 이온도구간에서의화학반응은경계층으로부터재료표면으로의산화제확산율에의해결정되며, 이온도영역에서의삭마율은재료표면온도에무관하다. Keswani 등 [5] 은 Ballistic Test and Evaluation System (BATES) 과 Materials Evaluation Rocket Motor (MERM) 2 종류의추진기관을사용하여여러가지의추진제조성및추진기관작동조건하에서노즐열반응거동을연구하였다. 삭마율은주로노즐표면으로의주요산화물 ( 및 ) 의확산에의존하고, 추진기관및노즐내부형상과주요산화물의농도, 연소실압력에영향을받는다. Kuo와 Keswani[6] 는이론적모델을사용하여탄소 / 탄소복합재료의열반응과정을분석하였다. 노즐표면의온도가급격히상승하는시기인연소초기, 즉비교적낮은표면온도구간에서는화학반응 (chemical kinetics) 이, 그이후온도가높은구간에서는노즐표면으로의산화성분들의확산이삭마과정에지대한영향을준다. 또한, 삭마율은추진제의알루미늄함량의감소에따라, 그리고압력, 표면조도의증가와더불어상승하는결과를도출하였다. Borie 등 [7] 은고체로켓추진기관에서탄소 / 탄소복합재료에영향을미치는요인에대한열화학분석을수행하였으며, 에의한탄소화학작용이노즐삭마에영향을미침을확인하였다. Evans 등 [8, 9] 은 G-90 흑연 ( 밀도 1.9 ) 노즐재료의삭마과정을 2 종류의모터를사용하여연구하였다. 유효산화제질량분율, 연소실압력, 유효 Re수, 2 종류노즐의기하학적파라미터의항으로노즐목삭마율에대한유용한관계식을유도하였으며, 실험자료와 ± 이내로일치하였다. 1.2 연구배경및목적추진제가연소하면서발생하는고온, 고압의가스는노즐을통과하면서팽창, 가속된다. 이때열에너지는운동에너지로바뀌고로켓의추력이발생된다. 노즐을통하여흐르는고온가스의유동은침식성이강하여특수내열재료를사용하여야한다. 이런특수내열재료는내삭마성, 치수안정성, 열충격저항, 내압성능및재현성이우수한저밀도의가벼운물질이어야한다. 이런재료는침식성이강한기체분위기에서수초에서부터수분까지도견디는성질을가져야한다. 탄소 / 탄소복합재료는열안정성, 높은열전도도와낮은열팽창거동등으로인하여열충격에대한저항성이매우우수하여노즐재료로서요구되는특성에가장근접된재료이다. 또한, 탄소 / 탄소복합재료는페놀재료의열분해 (pyrolysis) 시야기되는가스발생을피할수있고, 열팽창계수가매우적어열팽창에의한내부열응력을줄일수있어설계단순화를가져올수있으며, 또한, 무게를줄일수있어노즐효율을증대시킬수있다. 아울러탄소 / 탄소복합재료는훌륭한내열재이면서동시에훌륭한구조재역할을담당한다. 탄소 / 탄소복합재료는밀도가클수록내삭마성및강도등의성질이우수하므로밀도를증대시키는것이큰과제이다. 흑연은탄소 / 탄소복합재료가개발되기이전에노즐내열재료로사용되어왔으며, 열충격에약한단점이있으나내삭마성이우수하고안정적인열반응특성을나타내며, 제작및가공이용이하여현재도소형단시간추진기관에많이사용되고있다. 따라서본연구에서는흑연의열반응특성을연구함으로써탄소계내열재의열반응특성을파악하고, 고체로켓추진기관에의흑연의적용가능성을확인하고자하였다. 2. 탄소계내열재의열반응특성

4 제 21 권제 4 호 흑연노즐목삽입재의삭마율에미치는영향인자연구 15 복합재료의내열 (thermal resistance) 및삭마 (ablation) 특성은우주항공기술분야에서매우중요한재료의성질이다. 노즐목부분은가스의압력이높고, 가스의속도는음속 (Mach 수 1.0) 이되는곳이다. 열충격과침식을많이받을뿐만아니라노즐벽으로전달되는열량이가장큰곳이다. 노즐의내부벽은연소생성물에의해서산화되고, 산화되어약해진부분이고속의연소가스에의해서깎여나가는삭마현상을겪게된다. 흑연의삭마율은연소실압력및추진제에따른산화제몰분율, 흑연의밀도에따라변화한다. 2.1 기계적삭마고체로켓추진기관에서추진제내의알루미늄입자의비율은높은경우약 20% 정도차지한다. 추진제연소시발생되는산화알루미늄입자는높은열과큰운동량을가지고로켓노즐내부를유동하게되며, 고온, 고속의유체내부에서유동하는입자는일반적으로액체상태로존재하게된다. 이러한액적은표면장력과유동, 그리고액적간의속도차이에의한항력에의해서상대적으로큰액적에서작은액적으로분리되므로액적의유동궤적이상당히변화하게되며, 열적삭마나기계적삭마에의한노즐표면의파손을가져온다. 알루미늄액적이노즐삭마에미치는영향은다음과같이해석할수있다. 연소생성물에함유된알루미늄액적은일반적으로기체인연소생성물보다무겁기때문에연소생성물보다큰관성력을가지고이동하게된다. 알루미늄액적은연소실을지나노즐의수축부를지나면서충돌각도와노즐목근처에서의유동급가속에의한운동량변화가발생하게되고, 노즐벽과충돌하게됨으로수축부의삭마두께가급속히증가한다. 이런알루미늄액적에의한삭마두께는액적이클수록증가하는것으로알려져있다. 2.2 화학적삭마 Kuo와 Keswani[6] 의논문을참조하면추진제내의알루미늄함량이증가함에따라연소온도 는상승하지만 의몰분율과노즐목에서의삭마율은감소하는것을알수있다. 즉, 알루미늄함량의증가에따른삭마율의감소는 의몰분율감소가직접적인원인이라할수있다. 이것은탄소 / 탄소복합재료노즐목에서의삭마과정은알루미늄입자에의한기계적삭마에의한영향보다는연소생성물에함유된 와같은산화성가스에의한화학적침식이중요한원인이라는것을확인할수있다. 즉, 탄소구조물에대한열반응메커니즘은 등의산화성가스가탄소구조물의탄소와결합하여 로되는과정을거치게된다. 탄소계내열재의표면층에존재하는탄소는고체로켓추진기관의연소생성물과화학반응을하게되며대표적인반응은다음과같다. 고체로켓추진기관의경우연소생성물내의 농도는무시될정도로적고, 또한, 와 의반응은매우높은온도에서만일어나므로연소생성물내에존재하는 또는 와노즐벽면의 사이의화학반응이지배적인역할을한다. 이러한반응성분들은연소중노즐표면위에형성된난류경계층을통과, 확산되고탄소와반응하여노즐삭마를일으킨다. 따라서탄소의삭마율은화학반응과확산에의해영향을받는다고할수있다. 본연구에서는이와같이노즐삭마에지배적인역할을하는 와 의몰분율합을산화제몰분율로정의하였다. 노즐삭마에영향을미치는또다른중요한변수는연소압력이다. 노즐표면에형성된경계층을따라노즐표면으로의산화성분의질량전달율은가스상밀도, 즉압력에비례한다. 압력의감소는가스상밀도의감소원인이된다. 난

16 함희철 강윤구 서상규한국추진공학회지 류경계층으로의질량전달율은밀도에직접적으로비례하므로압력의감소는노즐표면으로의산화성분들의공급감소를초래한다. 3. 시험 (a) De-Laval 3.1 시험재료본연구에사용된흑연은밀도가 1.74 이고, 미국 Union Carbide사 ( 상품명 ATJ) 에서고압성형공정으로제작한것이다. 3.2 시험방법및추진기관형상지상연소시험은 3 종류의일반적인노즐형태를갖는추진기관을사용하여수행하였다 (Fig.

총 10 종류의서로다른형상의추진기관에다양한추진제를적용하였고, 노즐목위치에흑연을적용하여 48회의연소시험을수행하였다. 분석에포함된추진기관은연소시험후분석자료의신뢰성및재현성을향상시키기위하여 20 의항온실에서 24시간이상보관후연소시험을수행한추진기관을선별하여분석하였다. 항온실보관온도에따라노즐목삭마율의차이를나타내며, 일반적으로저온<상온<고온의순서로증가하는경향을나타낸다.

5 16 함희철 강윤구 서상규한국추진공학회지 류경계층으로의질량전달율은밀도에직접적으로비례하므로압력의감소는노즐표면으로의산화성분들의공급감소를초래한다. 3. 시험 (a) De-Laval 3.1 시험재료본연구에사용된흑연은밀도가 1.74 이고, 미국 Union Carbide사 ( 상품명 ATJ) 에서고압성형공정으로제작한것이다. 3.2 시험방법및추진기관형상지상연소시험은 3 종류의일반적인노즐형태를갖는추진기관을사용하여수행하였다 (Fig. 1 참조 ). De-Laval 형태의노즐을갖는추진기관은 3 종류의서로다른형상의추진기관으로시험하였고, 토출관 (blast tube) 형태의노즐을갖는추진기관은 3 종류의서로다른형상의추진기관으로시험하였으며, 내삽 (submerged) 형태의노즐을갖는추진기관은 4 종류의서로다른형상의추진기관으로시험하였다. 총 10 종류의서로다른형상의추진기관에다양한추진제를적용하였고, 노즐목위치에흑연을적용하여 48회의연소시험을수행하였다. 분석에포함된추진기관은연소시험후분석자료의신뢰성및재현성을향상시키기위하여 20 의항온실에서 24시간이상보관후연소시험을수행한추진기관을선별하여분석하였다. 항온실보관온도에따라노즐목삭마율의차이를나타내며, 일반적으로저온<상온<고온의순서로증가하는경향을나타낸다. 또한, 선별된추진기관의최소노즐목내경은 37.8 mm (DL1) 이다. 연소시험시추진제연소시간, 연소실압력, 추력을측정하였으며, 연소시험후노즐내면에서의위치별삭마두께를측정하여단위시간당제거된재료의두께를나타내는삭마율을구하였다. 3.3 삭마율측정흑연의지상연소시험후측정결과를 Table 1 (b) Blast tube (c) Submerged Fig. 1Schematic of three s of solid rocket propulsion system. 3에나타내었다. Table 1은 3 종류의일반적인노즐형태를갖는추진기관을사용하여 10 종류의서로다른형상의추진기관을사용하여지상연소시험을수행한후연소실평균압력에따른노즐목위치에서의삭마율측정결과를정리한것이다. Table 2는 2 종류의일반적인노즐형태를갖는추진기관을사용하여 2 종류의서로다른형상의추진기관을사용하여지상연소시험을수행한후연소가스의산화제몰분율에따른노즐목위치에서의삭마율측정결과를정리한것이다. 즉, 연소가스의산화제몰분율이서로다른 2 종류의추진제를동일한추진기관에적용하여시험하였다.

6 제 21 권제 4 호 흑연노즐목삽입재의삭마율에미치는영향인자연구 17 Table 1. Measured ablation rate of graphite at nozzle throat according to chamber pressure in ten kinds of solid rocket propulsion system. nozzle De-Laval tyle blast tube submerged rocket propulsion name DL1 DL2 average chamber pressure (psia) DL BT BT BT SM SM SM SM measured ablation rate (mm/s) Table 3은 3 종류의일반적인노즐형태를갖는추진기관을사용하여 10 종류의서로다른형상의추진기관을사용하여지상연소시험을수행한후산화제몰분율 에따라노즐목위치에서의삭마율측정결과와유도된삭마율관계식으로부터계산된결과를정리한것이다. Table 2. Measured ablation rate of graphite at nozzle throat according to oxidizer mole fraction in two kinds of solid rocket propulsion system. nozzle De-Laval tyle blast tube rocket propulsion name DL1 BT3 oxidizer mole fraction, X measured ablation rate (mm/s) 삭마두께는최소노즐목 (throat) 위치에서측정한연소시험전후내경의차이로계산되며, 3차원측정장비를사용하여측정하였다. 노즐목삽입재의열반응특성은단위시간당삭마두께, 즉삭마율을사용하여분석하였다. 4. 시험결과분석 4.1 연소실압력에따른변화 Fig. 2는 10 종류의서로다른형상의추진기관에대한연소실평균압력변화에따른흑연의삭마율을나타낸것이다. Fig. 2로부터알수있듯이 48회의시험결과연소실평균압력이증가함에따라삭마율이증가하는경향을보임을알수있다. 동일한형상을갖는추진기관에서는연소실평균압력변화가크지않은경우유사한삭마율을나타내고있다. 3 종류의서로다른노즐형태의추진기관에서도전체적인경향과마찬가지로연소실평균압력이증가함에따라삭마율이증가함을보인다. 노즐표면에형성된경계층을따라노즐표면으로의산화성분의질량전달율은가스상밀도, 즉압력에비례한다. 압력의증가는가스상밀도의증가원인이된다. 난류경계층으로의질량전달율은밀도에직접적으로비례하므로압력의증가는노즐표면

$oxidizer mole fraction, X rocket propulsion name measured ablation rate (mm/s) correlated ablation rate (mm/s) DL1 0.177 0.245 DL3 0.344 0.230 BT1 0.171 0.180 0.168 BT2 0.270 0.274 SM2 0.241 0.184 0.$

7 18 함희철 강윤구 서상규한국추진공학회지 Table 3. Calculated ablation rate from correlation and measured ablation rate of graphite at nozzle throat in ten kinds of solid rocket propulsion system. oxidizer mole fraction, X rocket propulsion name measured ablation rate (mm/s) correlated ablation rate (mm/s) DL DL BT BT SM SM SM DL DL BT SM 으로의산화성분들의공급증가를야기하므로압력이상승함에따라삭마율도증가함을알수있다. 또한, Fig. 2로부터알수있듯이연소실평균압력이상승함에따라삭마율이증가하는경향 Fig. 2 Effect of average chamber pressure on ablation rate of graphite. 을보이고있으나동일한연소실평균압력을갖는서로다른추진기관의경우동일한삭마율을나타내지않고삭마율이일정한범위의띠를나타내고있다. 이는삭마율이연소실압력뿐만아니라다양한요인에의해영향을받기때문으로판단된다. 즉, 4.2절에서언급할연소가스의산화제몰분율, 추진제내금속함유여부, 경계층발달길이, 노즐목반경에대한노즐목곡률반경의비, 급가속유동에의한층류화, 노즐목크기등이다. 따라서향후이러한다양한인자들에대한추가적인연구가필요하다. 4.2 산화제몰분율에따른변화 Fig. 3은 2 종류의서로다른형상의추진기관에대한연소가스의산화제몰분율변화에따른흑연의삭마율을나타낸것이다. 여기에서동일한형상의추진기관의연소실평균압력은약간의차이를보이고있다. Fig. 3으로부터알수있듯이 2 종류의서로다른형상의추진기관에대한시험결과산화제몰분율이증가함에따라삭마율이증가하는경향을보임을알수있다. 동일한형상의추진기관에서는산화제몰분율이증가함에따라유사한삭마율로증가하지만서로다른형상의 2 종류의추진기관에서는산화제몰분율이증가함에따라삭마율상승기울기가차이를보이고있다. 여기에서 De-Laval (DL1) 에서산화제몰분

$제 21 권제 4 호 2017. 8. 흑연노즐목삽입재의삭마율에미치는영향인자연구 19 Fig. 3 Effect of oxidizer mole fraction, X on ablation rate of graphite. 율이큰경우의삭마율측정치가한군데뿐이고, blast tube (BT3) 에서는동일한산화제몰분율에서삭마율이서로차이를보이고있다. 이의원인도 4.$ 상기 3 가지의영향인자를고려하여 10 종류의서로다른형상의추진기관에대한삭마율관계식을유도하면다음의 Eq. 1과같다. (1) 여기에서, 은흑연의밀도, 는노즐목에서의삭마율, 와 는각각노 즐목에서의연소가스의 와 의산화제몰분율, 는연소실평균압력, 는시험전노즐목내경 이다. 산화제몰분율의지수 a Fig.

상기 3 가지의영향인자를고려하여 10 종류의서로다른형상의추진기관에대한삭마율관계식을유도하면다음의 Eq. 1과같다. (1) 여기에서, 은흑연의밀도, 는노즐목에서의삭마율, 와 는각각노 즐목에서의연소가스의 와 의산화제몰분율, 는연소실평균압력, 는시험전노즐목내경 이다. 산화제몰분율의지수 a Fig.

8 제 21 권제 4 호 흑연노즐목삽입재의삭마율에미치는영향인자연구 19 Fig. 3 Effect of oxidizer mole fraction, X on ablation rate of graphite. 율이큰경우의삭마율측정치가한군데뿐이고, blast tube (BT3) 에서는동일한산화제몰분율에서삭마율이서로차이를보이고있다. 이의원인도 4.1절에서언급한다양한삭마율영향인자에기인하는것으로판단된다. 4.3 삭마율관계식유도 삭마율에영향을미치는인자는앞에서분석한연소실압력과산화제몰분율이외에다양하게존재한다. 본연구에서는상기 2 가지영향인자이외에노즐목크기를포함하여 3 가지의영향인자를고려하였다. 노즐목소재의밀도는중요한영향인자중한가지이나적용소재가흑연 1 종류로한정되므로본연구에서는분석에서제외하였다. 상기 3 가지의영향인자를고려하여 10 종류의서로다른형상의추진기관에대한삭마율관계식을유도하면다음의 Eq. 1과같다. (1) 여기에서, 은흑연의밀도, 는노즐목에서의삭마율, 와 는각각노 즐목에서의연소가스의 와 의산화제몰분율, 는연소실평균압력, 는시험전노즐목내경 이다. 산화제몰분율의지수 a Fig. 4Comparison of calculated ablation rate from correlation with measured ablation rate of graphite. 는산화제몰분율의합, 즉 의 값이 0.4이상일경우는 1.45, 0.15이하일경우는 0.55, 그사이일경우는 1.0이다. Eq. 1에서각각의지수는연구논문을참조하고, 경험을통하여측정치와가장근접한계산값을얻을수있도록택하였다. Fig. 4는 10 종류의서로다른형상의추진기관에대한삭마율측정치와유도된삭마율관계식 Eq. 1을사용하여계산된흑연의삭마율을나타낸것이다. 측정결과와비교하여 ± 이내로일치하였다. Fig. 4에서빨강색원내부의 2개데이터 (BT2) 는 tubular 노즐형상을갖는추진기관이며, 이로인하여노즐목의삭마율측정치가감소된것으로판단된다. 5. 결론 고체로켓추진기관의노즐목삽입재에적용하는흑연의삭마율특성을분석하였다. 지상연소시험은 3 종류의일반적인노즐형태를갖는추진기관, 즉 De-Laval 형태, 토출관 (blast tube) 형태, 내삽 (submerged) 형태의노즐을갖는추진기관을사용하여수행하였다. 10 종류의서로다른형상의추진기관에다양한추진제를적용

9 20 함희철 강윤구 서상규한국추진공학회지 하였고, 노즐목위치에흑연을적용하여총 48회의연소시험을수행하였다. 연구결과에대한결론은다음과같다. 1. 연소실평균압력이증가함에따라삭마율이증가하는경향을보인다. 동일한형상을갖는추진기관에서는연소실평균압력변화가크지않은경우유사한삭마율을나타내고있다. 3 종류의서로다른노즐형태의추진기관에서도전체적인경향과마찬가지로연소실평균압력이증가함에따라삭마율이증가함을보인다. 2. 연소가스의산화제몰분율이증가함에따라삭마율이증가하는경향을보인다. 동일한형상의추진기관에서는산화제몰분율이증가함에따라유사한삭마율로증가하지만서로다른형상의 2 종류의추진기관에서는삭마율상승기울기가차이를보이고있다. 3. 연소실압력, 연소가스의산화제몰분율, 노즐목크기등 3 가지의영향인자를고려한삭마율관계식을유도하였으며, 측정결과와비교하여 ± 이내로일치하였다. 또한, 노즐목소재의밀도, 추진제내금속함유여부, 경계층발달길이, 노즐목반경에대한노즐목곡률반경의비, 급가속유동에의한층류화등삭마율에영향을미치는다양한인자들에대한추가적인연구를수행하여삭마율을하나의식으로표현하는연구가지속되어야할것이다. References 1. Solid Rocket Motor Nozzles Space Vehicle Design Criteria(Chemical Propulsion), NASA- SP-8115, McDonald, A.J. and Hedman, P.O., Erosion of Graphite in Solid-Propellant Combustion Gases and Effects on Heat Transfer, AIAA Journal, Vol. 3, No. 7, pp , Lewis, J.C., Floyd, L.J. and Cowlard, F.C., A Laboratory Investigation of Carbon-Gas Reactions of Relevance to Rocket Nozzle Erosion, AGARD Conference Proceedings, Neuilly sur Seine, France, CP-52, Feb Klager, K., The interaction of the efflux of solid propellants with nozzle materials, Propellants and Explosives, Vol. 2, Issue 3, pp , Keswani, S.T., Andiroglu, E., Campbell, J.D. and Kuo, K.K., Recession Behavior of Graphite Nozzles in Simulated Rocket Motors, Journal of Spacecraft, Vol. 22, No. 4, pp , Kuo, K.K. and Keswani, S.T., A Comprehensive Theoretical model for Carbon-Carbon Composite Nozzle Recession, Combust. Sci. and Tech., Vol. 42, Issue3-4, pp , Borie, V., Bruland, J. and Lengelle, G., An Aerothermochemical Analysis of Carbon- Carbon Nozzle Recession in Solid- Propellant Rocket Motors, Journal of Propulsion and Power, Vol. 5, No. 6, pp , Evans, B., Kuo, K.K, Ferrara, P.J., Boyd, E. and Moore, J.D., Characterization of Nozzle Erosion Phenomena in a Solid-Propellant Rocket Motor Simulator, 44th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, Hartford, C.T., U.S.A., AIAA , Jul Evans, B., Kuo, K.K., Boyd, E. and Cortopassi, A.C., Comparison of Nozzle Throat Erosion Behavior in a Solid-Propellant Rocket Motor and a Simulator, 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Denver, C.O., USA, AIAA , Aug

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE Nov.; 26(11),

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2015 Nov.; 26(11), 985991. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2015.26.11.985 ISSN 1226-3133 (Print)ISSN 2288-226X (Online) Analysis