나노 알루미늄 입자 첨가 추진제에 의한 탄소복합재 노즐의 기계적 삭마 감소 특성 예측

Abstract

고체추진제에 첨가되는 알루미늄 입자의 크기에 따른 탄소 복합재 노즐의 기계적 삭마특성 변화를 예측하는 연구를 수행하였다. 추진제에 첨가되는 알루미늄 입자의 초기 크기에 따라 연소생성물 응집체(<TEX>$Al(l)/Al_2O_3(l)$</TEX>)의 크기와 분포를 예측할 수 있는 모델을 개발하여 사용하였으며, 모델 예측 결과로 얻어지는 응집체의 크기를 초기조건으로 하여 상용 수치해석 프로그램(STAR CCM+)을 이용한 복합재 노즐에서의 기계적 삭마특성 해석을 수행하였다. 본 연구를 통해 초기 알루미늄 첨가제의 크기가 작을수록 응집체의 크기가 작아지고, 기계적 삭마가 감소하는 특성을 확인하였으며, 특히 나노입자를 사용할 때 기계적 삭마가 확연히 개선됨을 확인하였다. In this study, the influence of Al particle size, as an additive for solid propellant, on the mechanical erosion of the carbon-composite nozzle was evaluated. A new model which can predict the size and distribution of the agglomerated reaction product(<TEX>$Al(l)/Al_2O_3(l)$</TEX>) was established, and the size of agglomerate were calculated according to the various initial size of Al in the solid propellant. With predicted results of the model, subsequently, the characteristics of mechanical erosion on the carbon-composite nozzle was estimated using a commercial CFD software, STAR CCM+. The result shows that the smaller the initial Al particles are, in the solid propellant, the lower is the mechanical erosion rate of the composite nozzle wall, especially for the nano-size Al particle.