TECHNICAL PAPERS

Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers. 31 December 2024. 27-34
https://doi.org/10.6108/KSPE.2024.28.6.027

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 본 론

  •   2.1 시험 구성

  •   2.2 시험 결과

  • 3. 결 론

1. 서 론

점화안전장치(Arm-Fire Device, AFD)는 점화장치의 일부로 고체추진기관의 안전하고 정확한 점화가 가능하도록 하는 장치이다. 고체 추진기관은 우발 점화시 큰 피해가 발행하므로, 이를 방지하기 위해 기폭용 화약이 외부환경과 전자적 노이즈로부터 영향받지 않도록 하는 안전 기능을 포함한 점화안전장치가 필수적으로 적용된다 [1]. 최근 고체 추진기관의 응용범위가 확대되면서 점화안전장치에 요구되는 외부환경 조건이 다양해지고 있다[2]. 특히 고고도 요격체계, 우주발사체에 활용되면서 고진공 환경에서 내환경 특성 및 성능 분석에 대한 연구가 요구되고 있다. 고고도에서 화약의 점화특성에 대한 연구는 여러 논문에서 발표되었다[3,4]. 점화장치용 화약(Pyrotechnic Compositions)은 진공도가 높아지면서 연소특성이 열화된다. 일반적으로 진공도가 높아지면서 점화속도가 느려지고 점화에너지가 낮아지는 현상 등 점화성능이 떨어지는 경향을 보인다. 이로 인해 점화 화약이 적용된 점화기의 연소성능도 떨어지는 것을 다양한 논문을 통해 확인 가능하다[5,6,7,8,9]. 그러나 동일한 화약이 적용된 점화안전장치가 고고도에서 보이는 성능 특성에 대한 검증 결과는 발표되지 않고 있다. 전자-기계식 점화안전장치 출력은 주로 Boron Potassium Nitrate(BKNO3)와 RDX(Research Department Explosive)가 기폭되고 연소됨으로서 발생한다. 이로 인해 고진공에서 점화안전장치의 연소 성능이 변할 가능성이 있다. 본 연구에서는 고고도(고진공) 환경에서 전자-기계식 점화안전장치의 점화(기폭)성능을 점화딜레이, 최대압력발생 딜레이, 최대압력을 기준으로 검증하였다. 또한 우주발사체 분야에서 점화 생성물로 인한 주변장치의 오염 방지가 요구되므로, 점화안전장치의 기폭시 외부로 누출되는 가스 성분을 수집하여 분석하였다

2. 본 론

2.1 시험 구성

본 연구에서 사용한 AFD는 전자-기계식 장치이다[10,11]. 전기적인 장전신호와 점화신호를 순차적으로 인가받을 경우 기폭화약이 작동한다. 점화안전장치는 덮개 조립체, 토크모터 조립체, 격벽 착화기로 구성된다(Fig. 1). 전기적 신호는 덮개 조립체를 통해 수신되며 내부의 PCB 회로기판을 사용하여 안전로직 회로를 구현한다. 토크모터 조립체는 HBW(Hot Bridge Wire)에 의해 작동하는 기폭관(Detonator)이 설치되며 장전 신호에 의해 토크모터가 회전한다. 격벽 착화기(Through Bulk Ignitor, TBI)는 여폭약, 수폭약, 화약결합체가 포함되며, 여폭약과 수폭약은 격벽을 통해 물리적으로 분리된다. AFD의 안전상태에서는 토크모터 조립체의 기폭관과 격벽 착화기의 여폭약이 비정렬되어 있어, 기폭관이 우발 점화되더라도 이어지는 격벽 착화기가 작동되지 않도록 물리적인 안전 설계가 적용된다. 장전 신호가 인가되면 토크모터가 회전하여 기폭관과 여폭약이 정렬되며 장전상태가 된다. 이후 점화 신호가 인가되면 HBW에 의해 기폭관이 작동하고 여폭약, 수폭약, 화약결합체가 순차적으로 기폭되어 AFD의 점화 에너지가 외부로 분출된다. 격벽 착화기의 끝단은 나사산이 가공되어 추진기관 헤드에 조립된다. 나사산 끝단에 오링을 적용하여 추진기관의 화염이 외부로 누출되지 않도록 방지한다. 동작 후에도 형상이 유지되는 격벽 착화기의 격벽도 추진기관 화염의 외부 분출을 방지하기 위한 설계이다.

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Fig. 1.

Electronic-mechanical arm fire device.

AFD의 기폭 동작 성능을 확인하기 위해 CBT(Closed Bomb Test)시험을 수행한다(Fig. 2). 점화안전장치는 나사산을 통해 추진기관 헤드에 조립되며, 밀폐 제작된 점화기 내에서 기폭되어 점화기를 점화시킨다. 따라서 고고도에서 동작시 점화안전장치는 고진공 환경에 노출되지만 TBI의 기폭출력이 발생하는 점화기 내부는 밀폐된 상태를 유지한다. 점화안전장치를 CBT 봄(Bomb)에 조립하고 고진공 챔버에서 고고도 환경을 모사한 후 점화안전장치를 기폭시켜 동작 성능을 확인하였다. 봄의 내부 용량은 10 ml이며, 점화안전장치와 압력 측정을 위한 압력센서(PCB Piezotronics Inc., 102B)가 결합된다. 압력센서는 Piezo 타입이며 최대 5000 psi 계측범위를 지닌다. Fig. 3는 시험을 위한 장비 설치 형상을 보여준다. 진공챔버 내부에 CBT 봄과 AFD를 체결하여 배치한 후 진공챔버 벽에 설치된 커넥터를 통해 외부의 제어 및 계측장비와 연결된다. 진공 챔버에는 가스 성분 계측을 위한 질량분석기(Mass spectrometer) 가 포함된다. 챔버 외부에는 장전신호, 점화신호를 인가하기 위한 전원장치, 압력센서 용 증폭기, 계측을 위한 오실로스코프, 전류 프루브를 설치한다.

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Fig. 2.

Configuration of closed bomb test for AFD.

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Fig. 3.

Vacuum chamber(left), and control and measurement equipment(right).

2.2 시험 결과

AFD의 동작 성능을 확인하기 위해 100 km이상의 고고도 환경에 해당하는 1.0E-3 Pa 이하의 진공도에서 내환경 시험과 기폭 시험을 수행하였다 [12]. 점화안전장치 샘플(AFD#001)을 진공 챔버 내부에 설치하고, 목표 진공도에서 규격에 따른 열진공 주기시험[13,14]의 무결성 검증을 완료하였다. 이후 상온으로 안정화시키고 점화안전장치 점검을 통해 정상 검증하고 장전 신호와 기폭신호를 인가하였다. 기폭시점의 진공도는 7.84E-4 Pa로 측정되었다. Fig. 4는 계측된 기폭신호와 CBT 봄 내부압력이다. 점화 신호가 인가된 후 점화 에너지가 발생하는 시간까지의 동작시간은 1.30 msec이며, 최대압력은 1901 psi로 계측되어, 각각 10 msec, 500 psi 의 설계요구 규격을 만족하는 성능을 확인하였다(Table 1).

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Fig. 4.

CBT results of AFD in high vacuum(AFD#001).

Table 1.

Measurement results of AFD#001 ignition.

Sample # Pres.
(Pa)
Ignition Cur.
(A)
Ignition Delay
(msec)
Max. Pres.
(Psi)
AFD#001 7.84e-3 5.08 1.30 1901

기폭직후 CBT 봄 내부압력이 순간적으로 감소 후 다시 상승하는 현상이 확인되었다. 일반적으로 상압에서 AFD 기폭시 봄 내부압력은 기폭직후 최대압력 도달하고 점차적으로 압력이 감소하는 형태를 보인다. 이는 연소가스의 열에너지가 CBT 봄 몸체로 손실되기 때문이다. 계측된 압력 진동 현상은 진공에서 점화 화약의 연소 특성 변화로 인한 영향일 수 있다. 점화 화약은 고진공에서 연소가 지연되는 경향을 보이며 계측된 압력 진동 현상은 지연 연소된 점화 압력이 뒤늦게 발생하였을 가능성이 있다[4].

그러나, 점화안전장치에 조립된 점화 화약 중 기폭관과 여폭약은 점화안전장치 내부에 덮개 조립체와 격벽 착화기로 밀봉 용접되어 있다. 그리고 수폭약과 화약 결합체는 격벽 착화기 돌출부에 위치하지만, 돌출부 끝단이 마개로 밀봉 용접되어 있다. 이로 인해 밀폐용기에 연결된 점화안전장치 내의 화약은 밀폐가 유지된다면 외부 진공 환경에 의한 연소 특성 영향을 거의 받지 않을 수 있다. 따라서 압력 진동 현상은 진공에 의한 점화 화약의 연소 특성 변화가 원인이 아니며, 연소가스가 순간적으로 CBT 봄 외부로 누설된 것이 원인으로 추정된다. 실제로 진공챔버의 내부압력은 기폭 4초 후 1.54 Pa까지 급격히 상승하였다(Fig. 5). 점화안전장치의 기폭을 통해 점화기를 점화시키기 위해서는 안정적인 기폭압력 유지가 요구된다. 따라서 가스 누설로 인해 순간적인 압력 감소가 발생한다는 사실은, 점화안전장치와 추진기관과의 조립부 건전성 확보가 고고도 환경에서 점화안전장치의 기폭 성능 확보에 중요한 요소임을 보여준다.

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Fig. 5.

Pressure in the vacuum chamber after igniton of AFD(AFD#001).

연소가스 누설 현상에서 고고도 환경의 영향성을 검증하기 위해 상압에서 점화안전장치 동작 시험을 수행하였다. 동일한 계측장비, 제어장비, 인터페이스와 CBT 봄에서 점화안전장치(샘플번호 : AFD#002)를 동작시켰다. 계측된 CBT 봄의 압력은 진공에서의 기폭과 유사한 압력 진동 현상을 보인다(Fig. 6(a)). 이를 통해 압력 진동 현상은 진공에 의한 영향이 아닌, CBT 봄의 누설로 인한 영향임을 확인할 수 있다. CBT 봄에서 점화안전장치와 압력센서 조립부는 나사산과 오링 및 가스켓으로 기밀을 유지한다. CBT 봄 조립부 나사산에 미세한 균열이나 손상이 발생하여 폭압에 의한 순간 고압에서 누설이 발생한 것으로 추정된다.

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Fig. 6.

Ignition test in atmospheric pressure : (a) AFD#002, (b) AFD#003, (c) Ignitor(PC-1000), and (d) Ignitor(PC-300).

CBT 봄 교체 및 테프론 테잎으로 나사산 기밀을 보강후 상압에서 점화안전장치(샘플번호 : AFD#003) 기폭을 재시험한 결과, 압력 진동 현상은 발생하지 않았다(Fig. 6(b)). 비교를 위한 시험으로 착화기(PC-1000, PC-300)를 사용한 상압 기폭시험에서도 압력 진동 현상은 나타나지 않았다(Fig. 6(c)-(d)). 이를 통해 고고도에서 압력 진동 현상은 CBT 봄에서 조립부 연소가스 누설에 의한 현상으로 추정할 수 있다.

상압에서 검증된 CBT 봄을 사용하여 1.0E-3 Pa 이하의 고진공 환경에서 동작 시험을 재수행하였다(샘플번호 : AFD#004). 8.8E-4 Pa 진공도에서 장전 신호와 기폭신호를 인가하였다. Fig. 7Fig. 8은 계측된 CBT 봄 내부압력과 진공 챔버 내부압력 변화를 나타낸다. 시험 결과 CBT 봄 내부압력은 약간의 진동은 있으나 상압(샘플번호 : AFD#003)에서의 결과와 유사하게 측정되었다. 진공 챔버의 내부압력도 기폭순간 2.1E-3 Pa로 다소 상승하였으나 높은 진공도를 유지하였다. 교체 전의 CBT 봄을 사용한 AFD#001 샘플에서는 봄 내부의 압력이 진동하였으며(Fig. 4) 진공 챔버의 압력도 순간적으로 상승하였으나(Fig. 5), CBT 봄 교체 이후에는 이러한 현상이 발생하지 않았다. 내환경 시험후 CBT 봄 압력 진동 현상이, 진공에 따른 점화안전장치 연소특성 변화에 의한 결과가 아닌, CBT 봄 조립부 누설이 원인임을 보여준다. CBT 봄 교체 후의 약간의 압력 감소에 대해 추가적인 시험과 분석을 수행할 예정이다.

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Fig. 7.

Measured pressure and fire signal current of AFD(AFD#003, AFD#004) in CBT.

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Fig. 8.

Pressure in the vacuum chamber after igniton of AFD(AFD#004).

고고도 환경에서 점화안전장치 기폭시 CBT 내부압력 하강이 연소가스 누설에서 발생한 것을 확인하기 위해, 누설 가스의 성분을 측정하였다. 점화안전장치의 출력부는 격벽착화기 내의 수폭약와 화약결합체이며 각각 RDX와 BPN이 주요 성분이다. RDX는 연소시 복잡한 반응과정을 거쳐 여러 화학물을 생성하며 주요성분은 N2O, HCN, H2, N2, H2O, CO2, CO이다[15]. 반면에 BPN의 연소 메커니즘 전체 반응식은 Eq. 1과 같다[16].

(1)
4B+2KNO32B2O3+N2+2K

이는 세 차례에 걸친 반응으로 구분된다. 1차 반응은 B과 KNO3의 산화반응에 의한 발열반응이다. 이 단계에서 반응열의 대부분이 발생하며 KBO2와 NO가스가 발생한다(Eq. 2). 2차 반응은 1차 반응에서 소비되지 않은 KNO3의 열분해 과정이고 KNO2, O2, K2O, NO 생성물이 발생한다(Eq. 3). 3차 반응은 1차 반응의 잔여물인 KBO2의 열분해 반응이다[16,17].

(2)
1반응:B+KNO3KBO2+NO
(3)
2 차 반응 : 2KNO32KNO2+O2 or 4KNO32K2O+4NO+O2

AFD#001 샘플의 고고도 기폭시험시, 기폭전후 질량분석기를 통해 계측된 가스 성분은 Fig. 9와 같다. 기폭전 챔버 내부는 H2O, C, N, N2 성분이 검출되으며 H2O가 주요성분이었다. 기폭후에는 N2가스가 대량으로 계측되었으며 BPN 연소시 최종 생성 가스인 B2O3, N2, K 성분이 모두 검출되었다. BPN의 1, 2차 연소반응 생성물은 BO2, O2를 제외하고 계측되지 않았다. 중간 생성물은 모두 최종 반응으로 소모되었을 것으로 판단된다. 한편, RDX의 연소가스 성분도 검출되었으며 주요한 가스성분은 N2로 확인되었다. 점화안전장치 출력부에서 BPN이 주요 화약 성분이므로 다량의 N2 가스성분은 BPN 연소가스 생성물로 추정된다. 계측 결과에서 진공챔버의 진공도 저하의 원인은 점화안전장치 연소생성가스가 CBT 봄에서 누출되었기 때문임을 확인할 수 있다. 연소가스 누출로 인해 CBT 봄의 측정 압력 진동도 발생한 것으로 추정된다.

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Fig. 9.

Measurement results of gas composition (a) before and (b) after AFD ignition using mass spectrometer(AFD#001).

교체된 CBT 봄을 사용한 고고도 기폭시험의 가스성분 검사도 수행하였다(샘플번호 AFD#004). 측정 결과 기폭 전에도 가스 성분들이 계측되었으나, 이는 이전 기폭시험에서 누출된 성분으로 진공챔버 내부가 오염되었기 때문으로 판단된다(Fig. 10). 기폭 후 결과에서는 N2가스만 증가하였다. H2O에 비한 상대적인 크기로 추정하였을 때, 이전의 기폭시험에 비해 소량이 누설된 것으로 확인된다. 실제로 진공도 저하도 매우 적었다. N2가스 성분의 검출은 기폭시 진공도 저하가 이전과 동일하게 점화안전장치 연소가스 생성물의 누설이 원인인 것을 보여준다. AFD#004 샘플의 기폭 직후, CBT 봄 내부압력의 약간의 진동 현상도 가스 누설 때문인 것을 증명한다. 가스 성분 분석 결과는 점화안전장치가 고고도에서 기폭시 상압 기폭과는 달리 소량의 N2가스가 누설될 수 있음을 보여준다. 그러나 점화안전장치 조립부의 오링과 나사산이 무결성 체결된 경우 누설양은 매우 적은 것을 알 수 있다.

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Fig. 10.

Measurement results of gas composition (a) before and (b) after AFD ignition using mass spectrometer(AFD#004).

고고도에서 점화안전장치의 전기적 특성 변화를 확인하기 위해 점검항목 계측값을 비교하였다(Fig. 11). 상압과 고고도 동작시험 전 측정 결과를 비교하였으며, 안전상태에서 점화 신호 저항(Fire1, Fire2)과 장전 상태에서 점화 신호 저항, 장전 신호 저항(ARM)을 계측한다. 측정 결과, 진공 환경에서 점화신호 저항은 낮아지며 장전신호 저항은 높아지는 경향을 보였다. 그러나 모두 정상 범위에 해당되었으며 변화량도 크지 않다. 신호 간의 편차는 진공 환경에서 개선되는 경향을 보인다. 점화안전장치는 밀봉 용접되어 외부 고진공환경에 영향을 받지 않을 것으로 예상되었으나 저항값의 변화가 발생한 것은 내부압력에 변화가 발생했을 가능성을 보여준다. 또는 진공 챔버 내부에서 점화안전장치와 연결되어 있는 케이블은 고진공에 노출되어 있으므로 케이블의 저항값이 진공에 영향을 받은 결과일 수 있다.

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Fig. 11.

Resistance of Fire1, Fire2, and Arm signal in atmospheric and vacuum pressure.

상압과 고고도에서 기폭 동작시 성능 값을 비교하였다(Table 2). 상압에 비해 고고도에서 점화 전류 크기는 차이를 보이지 않는다. 점화 신호 인가 후 기폭화약이 작동하고 HBW가 끊어질 때 까지의 지연시간과 CBT 봄 내부 최대압력 도달시간은 고고도 환경에 따른 경향성이 나타나지 않았다. 다만 최대압력은 AFD#002, AFD#004 샘플을 비교하였을 때 상압 대비 고고도 환경에서 최대 11.7% 감소하여 측정되었다. 이는 CBT 봄 내부 압력 계측장비의 기밀결함으로 인한 연소가스 누설이 원인으로 추정되며, 이를 보완할 경우 개선될 것으로 판단된다. 그러나 진공 환경에서 동작하는 점화안전장치의 최대압력은 점화기를 작동시키기 위한 충분한 성능을 보인다.

Table 2.

Performance analysis of AFD ignition.

Sample # Pres. Ignition cur.
(A)
Ignition delay
(msec)
Delay to max. pres.
(msec)
Max. pres.
(Norm.)
AFD
#002
Atm. 5.04 1.35 1.67 4.10
AFD
#003
4.87 1.35 1.55 3.80
AFD
#001
Vac. 5.08 1.30 1.70 3.80
AFD
#004
4.88 1.39 1.52 3.62

3. 결 론

본 연구에서는 전자-기계식 점화안전장치의 고고도 동작특성을 확인하였고, 고고도 운용에 문제가 없음을 실험적으로 검증하였다. 열진공 주기시험 후 기폭 동작에서 최대압력과 동작 속도에서 요구성능을 만족하였다. 점화안전장치 조립부 밀봉 실패시 연소가스 누설로 인한 기폭 압력의 진동현상이 확인되었으며, 조립부 오링과 나사산의 무결정을 통해 고고도 환경에서 기폭압력감소와 가스로 인한 오염을 방지할 수 있음을 검증하였다. 고고도에서 점화안전장치 회로의 전기적인 특성도 진공 환경 영향이 적은 것을 확인하였다. 또한 기폭시험에서 밀봉 용접된 점화안전장치는 기폭지연시간, 최대압력도달시간도 진공도에 영향을 받지 않은 것을 확인하였다. 또한 최대압력은 최대 11.7% 감소를 보이나 점화기를 작동시키기 위한 성능은 충족하였다. 본 연구를 통해 점화안전장치가 고고도 환경에 적용될 경우, 밀봉 용접으로 제작 시 지상과 동등한 기폭압력과 전기적 특성을 확보할 수 있으며, 기폭압력의 저하를 방지하기 위해 체결부위의 무결성 확보가 필요함을 확인하였다.

Acknowledgements

본 논문의 일부는 2023년도 한국추진공학회 추계학술대회에서 발표되었습니다.

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