Graphite와 Carbon-Carbon 복합재료 내열재의 침식 특성 = Erosion Characteristics of Thermal Insulation Materials on Graphite and Carbon-Carbon Composites

국문 초록 (Abstract)

로켓(Rocket)이란 뉴턴의 제3법칙 작용과 반작용의 힘으로 비행체에 추력(Thrust)을 발생시키는 장치로써 내부에 연료와 산화제를 가지고 연소 및 분출시켜 추진력을 얻으며 주로 무기, 우주탐사 비행체, 인공위성 발사체 등에 이용되고 있다. 로켓의 종류에서 고체추진 로켓은 모터 케이스(Motor case), 추진제(Propellant), 노즐(Nozzle), 절연체(Insulation), 점화기(Igniter), 제어장치, 구동장치 등으로 구성되어 있으며 고체 로켓의 구성품 중, 노즐은 추진력을 발생시키는 매우 중요한 장치로 고온 및 고압 환경으로 인하여 연소되며 연소가스에 의해 침식(Erosion)이 발생한다. 이러한 침식 현상을 삭마(Ablation)라고도 한다. 따라서 본 연구는 열화학적 침식 특성을 체계적으로 규명하고 더욱 정확한 침식을 예측하기 위하여 기계적 침식을 고려한 특성도 연구하였다. 또한 침식이론을 검증하기 위해 실험장치를 직접 개발하여 이론 모델을 기반으로 흑연(Graphite)과 C-C 복합재료(Carbon-carbon composite)에 대해 실험을 수행하였으며 이를 이론적 계산 데이터와 비교하였다. 이러한 관련 기술은 로켓 노즐뿐만 아니라 우주귀환 비행체(Reentry capsule)의 지구 대기권 진입 시, 비행체 표면 침식 연구에도 활용될 수 있다. 수행한 주요 연구 내용은 다음과 같다.
첫 번째, 열화학적 침식 특성을 파악하고 침식 실험장치를 설계 및 개발하여 이론식에 대입할 필요 인자를 측정하였다.
두 번째, 밀도, 기공율, 열전도도, 강도 등의 물성치가 다른, 여러 가지 흑연에 대한 실험을 실시하고 이론적 계산값과 비교하였다. 또한 많은 인자 중에서 침식에 영향을 미치는 주요 인자에 대하여 체계적으로 연구하였다.
세 번째, C-C 복합재료에 대하여 침식 특성을 실험 및 이론적으로 규명하였으며 침식에 영향을 미치는 주요 인자에 대하여 연구하였다.
네 번째, 기계적 침식의 특성을 규명하고 실험을 통하여 새로운 실험식을 제시하였다. 그리고 기계적 침식을 이용하여 정확한 침식량을 예측하였다.
다섯 번째, 기계적 침식의 특성 규명을 통하여 기계적 침식의 주요 인자에 대하여 연구하였다.
여섯 번째, C-C 복합재료와 흑연에 대하여 시간별 침식 특성을 파악하고 각 재질별 조직검사(Structure inspection)를 통하여 침식 전/후의 미세 특징을 비교 분석하였다.
본 논문에 수록된 내용은 로켓 노즐의 침식연구에 대한 내용으로, 제1장 서론에서는 연구의 배경, 연구목적, 해외 및 국내의 연구 및 기술동향, 과거의 주요 연구 내용을 기술하였으며 제2장에서는 미국의 펜실베이니아 주립대학교의 K.K. Kuo가 연구한 열화학적 침식특성의 개념과 이론을 기술하였다. 또한 1966년 V. R. Gowariker가 제시한 기계적 침식에 대한 개념 및 특성을 소개하고 마찰계수(Friction factor), 기공율(Porosity), 특성 배기속도(Characteristic exhaust velocity) 등의 기계적 침식의 주요 인자에 대하여 기술하였다. 제3장에서는 이론의 수학적 전개로, 화학지배 침식과정(Chemical-controlled recession process)과 확산지배 침식과정(Diffusion-controlled recession process)의 열화학적 침식 이론식을 서술하였으며 기계적 침식의 이론식도 기술하였다. 또한 화학적 침식과 기계적 침식에 대한 최종 침식량을 계산하기 위해 적용할 수 각종 수학적 평균방법에 대하여 기술하였다. 제4장에서는 C-C 복합재료 및 흑연의 재질 특성 및 물성치에 대하여 기술하였으며 본 연구를 위하여 설계 및 제작한 침식 실험장치의 주요 구성품 및 특징에 대하여 기술하였다. 그리고 실험에 사용된 측정장비 및 실험방법에 대해서도 기술하였다. 제5장 및 제6장 실험결과 및 고찰에서는 실험 결과에 대하여 각 재질별 침식특성을 분석하였으며 침식 실험값과 이론적 계산값을 비교하였다. 주사전자현미경을 이용, 확대 촬영한 시편을 비교분석함으로써 C-C 복합재료와 흑연의 침식 특성을 파악하였으며 이를 기반으로 침식에 영향을 주는 주요 인자들을 파악하였다. 그리고 본 연구에 대하여 고찰하였다. 끝으로 제7장에서는 본 연구에 대하여 종합적 결론을 기술함으로써 전체적인 연구의 성과를 마무리 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 i
• 목 차 iii
• 그림목록 v
• 표 목 록 xii
• 기호목록 xv
• 제1장 서론 1
• 제2장 이론적 배경 11
• 2.1 기본 개념과 방정식 11
• 2.2 열화학적 침식 14
• 2.3 기계적 침식 22
• 제3장 수학적 전개 23
• 3.1 열화학적 침식 이론식 23
• 3.2 기계적 침식 이론식 28
• 3.3 최종 침식량 계산 29
• 3.4 이론식 검증 30
• 제4장 실험 36
• 4.1 실험재료 36
• 4.2 실험장치 40
• 4.3 실험방법 51
• 제5장 실험결과 55
• 5.1 시편 분석 55
• 5.2 이론값과 측정값의 침식율 비교 65
• 5.2.1 침식량 측정 65
• 5.2.2 침식율 계산 68
• 5.2.3 기계적 침식의 필요성 73
• 5.2.4 실험 및 이론 침식율 비교 76
• 제6장 분석 79
• 6.1 미세구조 분석 79
• 6.2 주요 인자의 영향 85
• 제7장 고찰 101
• 제8장 결론 103
• 참고 문헌 105
• 부록 111
• SUMMARY 136

참고문헌 (Reference)

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