40 Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 22, No. 3, pp. 40-45, 2018 Research Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/kspe.2018.22.3.040 RDX 입도에따른 NEPE 계추진제특성연구 장명욱 a 김태규 a 한해지 a 윤재호 a 손현일 a, * A Study on the Property of NEPE System Propellant with Respect to the Size of RDX Myungwook Jang a Taekyu Kim a Haeji Han a Jaeho Yun a Hyunil Son a, * a Quality Assurance Team, Hanwha Corporation Daejeon Plant, Korea * Corresponding author. E-mail: victory@hanwha.com ABSTRACT The propellant tile and crack which account for the greatest proportion of solid rockets are profoundly affected by viscosity and mechanical properties of solid propellant. In this paper solid propellant with nitrate ester polyester(nepe) system has been researched for the viscosity, mechanical properties and burning properties with size and mixing ratio of RDX. the viscosity of propellant was changed significantly depending on the size of RDX and mixing ratio, and mechanical properties of NEPE system propellant were also varied. Considering both lower viscosity and stable mechanical properties, the optimum size and mixing ratio of RDX can be identified as the main factors to the NEPE system propellant. 초 록 고체추진기관의불량발생요인중가장큰부분을차지하고있는추진제기공및크랙은추진제의점도와물성이큰영향을미친다. 본연구는혼합형고체추진제의한종류인나이트레이트에스터폴리이서 (Nitrate Ester Polyester; NEPE) 계열의추진제에서주로사용되는 RDX의입도및혼합함량에따른추진제점도, 기계적물성및연소특성변화를관찰하였다. RDX 입도와혼합함량에따라미경화추진제의경시적점도가크게변화가되었으며, 이에따른추진제물성또한변화가있었다. 추진제의낮은점도와안정된기계적물성을동시에고려할때, RDX의입도및혼합함량은 NEPE계추진제의주요인자로확인할수있다. Key Words: RDX( 트리메틸렌트리니트로아민 ), Solid Propellants( 고체추진제 ), Nitrate Ester Polyester System Propellant(NEPE계추진제 ), viscosity( 점도 ), Mechanical Property( 기계적물성 ) Received 4 June 2017 / Revised 10 October 2017 / Accepted 15 October 2017 Copyright C The Korean Society of Propulsion Engineers pissn 1226-6027 / eissn 2288-4548 [ 이논문은한국추진공학회 2017 년도춘계학술대회 (2017. 5. 31-6. 2, 라마다프라자제주호텔 ) 발표논문을심사하여수정 보완한것임.] 1. 서론 로켓용고체추진제로사용되는추진제로크 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org /licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
제 22 권제 3 호 2018. 6. RDX 입도에따른 NEPE 계추진제특성연구 41 게바인더종류에따라 HTPB/AP(Hydroxyl Terminated Polybutadiane/Ammonium Perchorate) 계추진제와 NEPE(Nitrate Ester Polyester) 계추진제로구분된다. HTPB/AP계추진제는고체추진기관개발초창기부터현재까지범용적으로사용되고있는추진제로산화제역할을하는 AP와금속연료로사용되는 Al의함량과입도의조절로추진제의특성을다양하게조정할수있다. 이에반해 NEPE계추진제는 HTPB/AP계추진제의단점을보완하고자개발된추진제로산화제로고폭화약류 (RDX, HMX, HNIW 등 ) 를사용을하며, 금속연료를배제하여추진제연소시발생되는연기 (Smoke) 와후연소 (Afterburning) 반응으로생성되는플룸을조절하여 HTPB/AP계추진제에비해연기등급을낮출수있는장점이있다 [1]. 고체추진제의주요특성으로는비추력, 밀도, 연소속도, 기계적특성및제조공정성으로구분된다. 산화제의함량이정해지게되면산화제의입도가변경되도추진제의성능을나타내는비추력과밀도는변하지않는다. 그러나산화제의입자크기및비표면적에의해연소속도, 기계적특성인인장강도, 그리고공정성을나타내는추진제의점도는변하게된다 [1-3]. 추진제는원료의혼합공정이완료된후에원하는형상의그레인을가지도록추진기관의연소관에주조하게된다. 주조된추진제는정해진온도에서일정기간동안경화시킴으로써고체추진제로제조된다. 추진제그레인내부에기공이나균열등과같은결함이발생하면추진기관연소시연소면적의급격한변화로과다연소가일어나연소관및노즐파열에의한폭발사고가발생할수있다 [2, 4]. 추진제혼화가끝난후주조공정에서원활하게주조되려면추진제의점도가낮을수록유리하다 [5]. 여기서추진제의고체원료인산화제의평균입도와혼합비율에따라추진제의점도와유동성이결정이된다. NEPE계추진제는제조공정이가능하면서최대의비추력과밀도가얻어지는경우는고폭화약류의무게함량이약 50% 이상이되어야성능을발휘할수있다. 따 라서산화제의무게함량을고정시키면서공정성을개선하는방향으로산화제의평균입도와혼합비율을조절하여점도를최대한낮추는것이유리하다. 본연구에서는입자크기가다른 2종의 RDX 를사용하여 RDX의무게함량을고정하고, RDX의입도및혼합비율을변화시키면서 NEPE계추진제를제조하여이에따른미경화추진제의점도변화를관찰하였으며, 경화추진제의기계적물성및연소특성또한비교분석하였다. 2. 실험 2.1 추진제제조추진제원료의기본구성은고체입자인산화제로 RDX 2종과 AP 2종등총 4종을사용하였다. 평균입도 25~60 μm의 RDX와평균입도 6.2 μm의 RDX를총합량을 44.0% 내에서투입량을조절하고, 평균입도 60~80 μm AP를 18.0%, 5~7 μm AP를 7.0% 총합량 25.0% 를사용하였다.( 총산화제함량 : 69.0%) 연소안정제및연소보조제를 2.8% 적용하였다. 나머지 PEG(Polyethylene Glycol) 프리폴리머에가소제로 DEGDN(Diethyleneglycol Dinitrate) 및 BTTN(1,2,4-Butanetriol Trinitrate), 경화제로 N-100(Polyfunctional Aliphatic Isocyanate) 및경화촉매류를포함하여총 28.2% 사용하였다. 추진제의경화당량비는 1.15로제조하였으며, 경화시열수축을최소화하기위해 50, 10일간경화를진행하였다. 추진제에사용된큰입자의 RDX는레이저입도분석 (Beckman Coulter 社 LS 13 320) 을통해측정된평균입도별 4종을적용하였다 (Table 1.). 작은입자의 RDX 또한레이저입도분석을통해평균입도를측정하였으며, 동일한평균입도 (7 μm ) 를사용하였다. 큰입자의 RDX와작은입자의 RDX의함량을조절하며시험을진행하였으며, RDX 2종을제외한나머지원료들은동일함량및동일 Spec으
42 장명욱 김태규 한해지 윤재호 손현일한국추진공학회지 로투입하였다. 동일한원료투입순서에맞춰추진제혼화를진행하였으며. 1G/L 수직형혼화기로 1회에 3.0 kg의추진제를제작하였으며, 미경화추진제및경화추진제의물성분석을진행하였다. 2.2 추진제점도및특성분석추진제의점도는혼화공정이완료된직후에 50 o C 온도에서 Brookfield 점도계로 1시간간격으로경시적변화를측정하였다. 또한경화가완료된추진제는 JANNAF 시편으로제조하여 Universal Tensile Tester로인장시험에의해얻어진신율-응력곡선을해석하여인장강도를획득하였다. 인장시험조건은 50 mm/min, 20 에서시험하였다. 경화된추진제의경도는일반고무및고체추진제의경도측정에사용되고 Table 1. Particle sizes of RDX. Test Average Surface Sample Size( μm ) Area(cm 2 /g) 1 27.2 6,021 2 35.1 3,575 3 45.3 1,707 4 60.2 962 * Small size RDX : 6.2 μm, 18,400 cm 2 /g 있는 Shore A형경도계로 20 에서측정하였다. 추진제연소속도는 Strand Burner를사용하여 1,500 psia에서측정하였다. 3. 연구결과고찰 3.1 미경화추진제점도특성추진제의점도는고체입자인산화제의입자별혼합함량과밀접한관계가있다. 동일한산화제함량을적용한추진제에서점도는고체입자의비표면적과비례하는것을확인할수있으며, 전체비표면적이낮을수록점도가낮아진다. 혼화공정이완료된추진제는원하는형태로주조공정에의해연소관에충전이된다. 이때충전은진공상태에서추진제를주입시키며, 추진제의점도가낮을수록진공충전시추진제내부의기공을파열시키는데유리하여추진제그레인내부에기공이나균열과같은결함을최대로줄이기위해낮은점도가선호된다 [6]. 본연구에서는 Table 2. 에나타낸조성으로추진제를혼화하여큰입자와작은입자의 RDX 2 종의혼합비율에따라나타나는점도의변화를 Fig. 1, 2에도시하였다. 큰입자의 RDX의함량이증가할수록, RDX의평균입도가커질수록점 Table 2. Design of propellants with mixing contests of RDX. Test Sample 1 2 3 4 BT No. 1-1 1-2 1-3 2-1 2-2 2-3 3-1 3-2 3-3 4-1 4-2 4-3 RDX 1 24.0 30.0 35.0 24.0 30.0 35.0 24.0 30.0 35.0 24.0 30.0 35.0 RDX 2 20.0 14.0 9.0 20.0 14.0 9.0 20.0 14.0 9.0 20.0 14.0 9.0 AP 1 18.0 AP 2 7.0 BS * 1.3 BA ** 1.5 Binder *** 28.2 RDX 1 : Large size RDX, RDX 2 : Small size RDX, AP 1 : Average size 70 μm, AP 2 : Average size 6 μm BS * : Burning Stabilizer, Zirconium Carbide(ZrC), BA ** : Burning Adjuvant, Carbon Black Binder *** : Prepolymer + Curative Agent + Plasticizer + Catalyst, etc.
제 22 권제 3 호 2018. 6. RDX 입도에따른 NEPE 계추진제특성연구 43 (a) RDX 1 & RDX 2 mixing ratio = 24.0 : 20.0 Fig. 2 Viscosity of propellants with different particle size of RDX. Table 3. Mechanical properties of propellants. Test Sam ple Stress (bar) Strain (%) Density (g/cm 3 ) Hardness 1-1 8.7 32.2 1.695 57 (b) RDX 1 & RDX 2 mixing ratio = 30.0 : 14.0 1-2 8.0 33.7 1.695 55 1-3 7.7 34.2 1.695 54 2-1 8.1 34.3 1.696 56 2-2 7.6 35.4 1.696 55 2-3 7.4 36.3 1.695 53 3-1 7.5 36.1 1.695 54 3-2 7.1 36.7 1.695 53 3-3 6.7 37.5 1.696 52 (c) RDX 1 & RDX 2 mixing ratio = 35.0 : 9.0 Fig. 1Viscosity of propellants with different mixing ratio of RDX. 4-1 6.7 38.2 1.695 52 4-2 6.2 39.3 1.696 51 4-3 5.9 40.3 1.695 50 도가낮아지는것을확인할수있었다. 이러한현상을바탕으로추진제충전공정중발생하는기공발생을줄일수있으며, 이에따른추진기관불량률을감소시킬것으로기대할수있다. 3.2 경화추진제의기계적물성각조건별혼화된추진제를경화한후추진 제의기계적물성을측정하였으며, 결과는 Table 3. 및 Fig. 3, 4에명기하였다. RDX의혼합비율및입자크기에따라경화추진제의기계적물성이차이나는것을확인할수있었다. 이러한현상은 RDX 입도별혼합비율의차이에따른충진율의변화로유추할수있다. 충진율이높은추진제는인장강도가증가하는반면, 연신율은저하되는데입도의크기에
44 장명욱 김태규 한해지 윤재호 손현일한국추진공학회지 Fig. 3 Stress of propellants with different particle size of RDX. 20 조건에서연소속도를측정하였으며, 결과는 Fig. 5에명기하였다. RDX의입도가커질수록연소속도가늦어지는경향을나타내었고, RDX의혼합비율에따라연소속도가변하는경향을나타내었다. 이는 RDX의비표면적의차이에따라발생하는현상으로고체산화제의 RDX의비표면적에추진제연소속도는비례하는경향을나타낸다. 하지만고체산화제의함량이동일한비율로투입이되었기때문에추진제의성능을나타내는비추력과밀도는변하지않아성능상의변화는없을것으로판단이된다. 적용결과 RDX 입도에따라추진제의연소속도는평균입도가약 10.0 μm가작아질수록약 0.3 mm/sec가빨라지는것으로확인할수있으며, 동일입도에서 RDX 함량이약 5.0 wt% 가변화할수록 0.5 mm/sec가변화하는것을확인할수있었다. Fig. 4 Strain of propellants with different particle size of RDX. Fig. 5 Burning rate of propellants with different particle size of RDX.(@1,500 psia, 20 ). 따른충진율의변화가나타나는것을확인할수있다. 3.3 경화추진제의연소속도 각조건별추진제의연소속도는 1,500 psia, 4. 결론고체추진기관의불량발생요인중가장큰부분을차지하고있는추진제기공및크랙은추진제의점도와물성이큰영향을미친다. 고체추진제의점도가낮을수록추진기관내부에발생하는기공을저감시킬수있으며, 추진기관불량률개선에큰인자가된다. 본연구에서는 NEPE계고체추진제에서 4종의큰입자의 RDX와평균입도 6.2 μm의작은입자의 RDX를사용하여큰입자의 RDX의입도를변화및 RDX의혼합비율을달리하여추진제의점도, 기계적물성및연소특성을확인하였다. (1) 추진제의점도는 RDX의평균입도가클수록, 큰입자의 RDX 비율이커질수록점도는개선되는것을확인할수있었다. 이는고체산화제인 RDX의비표면적에비례하는것을확인할수있었으며, 이에따른추진제의점도조절인자로크게작용하는것으로확인
제 22 권제 3 호 2018. 6. RDX 입도에따른 NEPE 계추진제특성연구 45 할수있었다. (2) 추진제의기계적물성은 RDX의평균입도와큰입자의 RDX 비율에따라변화하는것을확인하였다. 이는고체추진제의충진율이기계적물성조절인자로크게작용하는것으로확인할수있었다. (3) 추진제의연소속도는 RDX 입도, 혼합비율에따라규칙적으로변화하는것을확인하였으며, 이러한결과는추진제점도의변화와마찬가지로고체산화제인 RDX의비표면적이연소속도조절인자로확인할수있다. 본연구에서수행된결과를바탕으로 NEPE계추진제를적용한추진기관제작시불량률개선에적용할수있으며, 추후추진제조성설계시반영할예정이다. References 1. Obeth, A.E., Principles of Solid Propellant Development, 1st ed. CPIA Publication, Baltimore, MD, USA, Ch 5, 1987. 2. Sutton, G.P. and Biblarz, O., Rocket Propulsion Elements, 8th ed., John Wiley & Sons Inc., New York, N.Y., U.S.A., Ch 13, 2010. 3. Yim, Y.J., A Sturdy on the Burning Rate of Composite Solid Propellant, Ph. D. Thesis, Chemical Engineering, Yonsei University, Seoul, Korea, 1983. 4. Jain, et al., Influence of Ammonium Perchlorate on Properties of Composite Propellant, Defence Science Journal, Vol. 59, No. 3, pp. 294-299, 2009. 5. Dörr, A., Sadiki, A. and Mehdizadeh, A., A Discrete Model for the Apparent Viscosity of Polydisperse Suspensions Including Maximum Packing Fraction, Journal of Rheology, Vol. 57, No. 3, pp. 1-14, 2013. 6. Horine, C.L. and Madison, E.W., Solid Propellant Processing Factors in Rocket Motor Design, NASA, Washington, D.C., U.S.A., SP-8057, 1971.