초소형 고체추진제 추력기의 내탄도 모델링 및 성능평가

Abstract

초소형 추력기에 대해서 연소실 내부에서 벽면을 통하여 빠져나가는 열 손실로 인하여 시간에 따라 감소하는 연소가스의 온도변화를 고려한 일차원의 내탄도 계산 모델을 제시하였다. 열 손실 중에서 대류 열 전달 계산을 위하여 초음속 노즐의 열 해석에 주로 사용되는 열 전달 계수에 관한 근사식을 도입하여 연소실 내부에 적용하였다. 그리고 일반적인 HTPB-AP 혼합형 추진제를 선택하여 연소특성을 파악한 후 추력기 모델을 설계하여 내탄도 성능예측을 수행하였다. 그리고 밀리미터 급의 소형 추력기를 제작하여 연소시험을 통한 성능 평가를 수행하였다. 어느 정도의 비추력을 확보하기 위하여 통상의 로켓이 사용하는 수준에서 높은 연소속도를 갖는 추진제를 선택하였지만, 실제 추력기가 운용되는 낮은 연소압력에서 연소속도가 급격히 낮아지는 경향이 생기는 것을 알 수 있었다. 고체 추진제를 사용하는 이유 중의 하나가 시스템의 무게에 대한 성능이 다른 것보다 유리한 것에 있는데 압력이 낮아지면 비추력이 감소하여 이러한 장점이 상쇄될 수 있기 때문에, 점화 성능을 개선시키고자 하는 이유도 있지만, 더욱 높은 연소속도를 갖는 기폭제 등을 마이크로 추력기 연구에 응용하고 있는 이유도 추정할 수 있었다. 연소시험 분석에 따르면, 제시된 모델로 예측한 총 역적과 계측한 자료의 총역적이 모델에 따라서 15~30%의 차이를 보였지만, 열 손실을 고려하지 않는 경우에 비해서는 약 20%정도 계측 값에 더 접근하는 결과를 얻을 수 있었다. 예측오차를 감소시키기 위해서는 복사 등으로 인한 손실도 고려하여야 할 것이다. 고체 추력기의 크기가 마이크로 또는 밀리미터 급 단위의 초 소형으로 가더라도 본 연구에서 제안한 열 손실이 고려된 일반적인 일차원 내탄도 성능 기법의 적용이 가능하며, 대류 열 전달계수를 계산하기 위하여 도입한 근사식은 어느 정도 적절한 선택이었음을 알 수 있었다. 추력기의 크기가 작아질수록 열 손실에 의해서 연소실 내의 화염온도가 저하되어 압력이 떨어져서 결국 대표적인 추력기 성능인 추력이 감소하므로, 필히 열 손실을 고려한 성능해석이 수반되어야 함을 알아보았다.