Nomenclature
DACS : Divert and Attitude Control System
TDACS: Throttleable Divert and Attitude Control System
DCS : Divert Control System
ACS : Attitude Control System
HTPB : Hydroxyl-terminated polybutadiene
NEPE : Nitrate ester plasticized polyether
RDX : Cyclotrimethylene trinitramine
HMX : Cyclotetramethylene tetranitramine
HNIW : Hexanitro hexaazaisowurtzitane
1. 서 론
극초음속활공체 또는 탄도탄 요격의 핵심인 직격요격체(Kill Vehicle, KV)의 성능을 좌우하는 핵심 요소 중 하나는 위치자세제어장치(Divert and Attitude Control System, DACS)이다. 초기 직격 요격체 개발 단계에서는 비교적 짧은 교전 시간에 맞춘 단발성 추력 제어가 중심이었으나, 고고도 요격 및 요격확률 증대를 위해서는 장시간 표적 탐지 및 추적이 가능하고, 재교전 능력을 보유한 DACS가 필수 요건으로 부각되고 있다[1,2]. 이를 위해 장시간 운용성 확보와 소화 및 재점화 기술에 대한 연구가 미국을 중심으로 수행되었다[3,4,5,6]. SM-3 Block IB/IIA 프로그램에서는 고체 가스발생기 기반의 Throttleable DACS(TDACS) 기술이 적용되었고, 다중 펄스 운용 시험을 통해 장시간 운용 성능을 확보하였다[3,4,5]. 한편 GMD(Exo-Atmospheric Kill Vehicle, EKV) 계열은 액체 추진 DACS를 채택하여, 미세 추력 제어와 장시간 운용을 가능하게 하였으며 최근의 Next Generation Interceptor(NGI) 개발 또한 장기간 임무 지속성과 다중 교전 능력을 달성하기 위한 차세대 DACS 기술 확보를 핵심 축으로 하고 있다[6].
국내에서는 핀틀 노즐, 제어 루프, 추력 분배 등 기반기술 연구가 수행[7,8,9]되었으나 장기간 운용 자체를 직접적으로 다룬 연구는 드물다.
고체추진제 기반 추력제어가 가능한 TDACS의 장시간 운용성을 확보하기 위해서는 추진제 개발이 필수적이다. DACS의 운용개념상 중기유도과정에서는 항상 최대 추력으로 작동하지 않고 필요시 연소실 압력을 상승시켜 요구되는 추력을 발생시키는 부스팅(boosting) 구간과 낮은 연소실 압력으로 추진제의 연소만을 유지하고 있는 코스팅 또는 서스테인(coasting or sustain) 구간으로 운용된다. 이때 코스팅 구간에서 소비되는 추진제를 최소화 할수록 시스템의 운용시간 및 운용성은 증대된다. 따라서 소화/재점화가 가능한 고체 추진제의 개발이 가장 이상적이나 소화/재점화 방식은 개발 난도가 높고, 추가적인 점화시스템의 탑재 등을 고려한 시스템 레벨의 추가적인 연구가 필요하다.
고체추진제 연소속도는 모델인 Saint Robert’s Law로 표현되는데, 압력지수(n) 값은 압력에 따른 연소속도 변화의 기울기를 나타낸다. 따라서 높은 압력지수를 갖는 고체추진제는 1) 코스팅 구간에서 추진제의 소모율을 최소화하고, 2) 작은 목면적 변화에도 연소실 높은 압력을 형성시킬 수 있도록 하여 시스템의 반응성을 높이는 장점이 있어 소화/재점화 시스템 다음으로 채택할 수 있는 차선책이라고 할 수 있다.
이와 같은 고 압력지수 추진제, 즉 압력변화에 대한 연소속도 민감도가 높은 추진제에 관한 연구는 기타 특수 목적용 추진제들처럼 고체 추진제 자체의 기술 민감성으로 인하여 사실상 많이 발표가 되고 있지 않다. 하지만, 2000년대부터 기존 Hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB) 기반 고체 추진제와는 다른 고 에너지 바인더를 사용하는 Nitrate ester plasticized polyether(NEPE) 기반 고체 추진제의 도입으로 인하여, 압력에 상당히 민감한 반응을 보이는 추진제 개발 범위가 확대가 되었다[10]. 이에 장시간 운용 DACS용 추진제 개발을 위해 압력지수 고도화는 물론 추력 구동 부품의 내구성 확보를 위해 화염온도를 고려하고, NEPE 기반 고체 추진제 조성을 설계하여, 성능 요구조건을 만족시킬 수 있는 추진제 조성 후보군을 좁히는 방향으로 연구해야 한다. 또한 장시간 추력 구동폭이 높지 않는 시에는 압력지수가 그다지 높을 필요가 없기 때문에, 일반 고체 추진제 수준의 압력지수하에서 화염온도별로 추진제 조성을 설계하는 것이 바람직하다.
또한 장시간 운용성을 확보하기 위해서는 고 내삭마성을 가진 소재의 개발이 가장 필수적이다. DACS는 작은 목면적의 변화로 큰 추력조절 폭을 갖는 시스템으로 설계가 되기 때문에 작은 삭마량이라도 시스템 성능에 치명적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 추진제 관점에서 화염온도와 산화포텐셜을 최대한 낮추고, 금속입자 등이 포함되지 않도록 하여 삭마가 일어나지 않도록 추진제의 조성설계를 하는 것이 가장 중요하다.
이에 본 논문에서는 장시간 운용을 위한 위치자세제어장치(DACS)용 신규 개발된 고체 추진제의 평가 결과와 그에 따른 시스템 사이징 결과에 대하여 기술하고자 한다.
2. 본 론
2.1 추진제의 요구조건
추진제의 요구조건은 크게 세 가지에 따라 결정될 수 있다. DACS의 운용 프로파일로부터 도출되는 운용시간과 DACS 중량, 직경, 길이와 같은 시스템 요구조건, 그리고 DACS 소재의 내삭마성이다.
운용 시간은 한정된 공간과 중량 제한 내에서 그레인 설계가 가능하도록 고압 연소속도와 저압 연소속도의 범위를 추출할 수 있으며, 소재의 내삭마성으로 부터 추진제의 산화포텐셜 및 화염온도의 요구조건을 도출할 수 있다.
Fig. 1은 목면적 변화에 따른 최대/최소 추력비(turn down ratio)를 나타낸다. 시스템 성능관점에서는 압력지수가 높으면 높을수록 유리하지만, 그만큼 추력 제어의 정밀도가 높아져야 하며 DACS의 제작 공차 등 실제 하드웨어의 제작과 강건설계에 취약해지는 단점이 있다. 본 연구에서 장시간 DACS 운용 프로파일을 가정하고 예비설계를 진행함으로써 장시간 DACS용 추진제가 가져야할 최소한의 압력지수 값과 화염온도를 도출하는 방식으로 추진제 요구조건을 산정하였다.
Fig. 2는 본 연구수행을 위해 가정한 장시간 DACS 운용 프로파일의 예시를 나타낸다. DCS의 경우 최대 추력를 발생시키는 구간(부스팅 구간)은 총운용시간의 약 21.6%로 가정하였고, ACS의 경우는 약 49.1% 로 가정하여 설계를 진행하였다.
2.2 추진제
추진제 조성은 CEA[12]를 이용하여 추진제 조성별 화염온도를 분석한 후, 추진제 주된 원료인 바인더와 산화제 함량을 결정하였다. 이를 토대로 화염온도, 연소속도 그리고 압력지수를 고려하여 추진제 조성을 설계하였다.
HTPB 기반 고체 추진제의 화염온도에 대한 추진제의 주요 산화제인 AP와 RDX의 함량이 미치는 영향을 Fig. 3에 도시하였다. AP의 함량이 증가함에 따라 당연히 화염온도가 증가하였으며, RDX의 적용은 고함량의 AP 추진제에서는 오히려 화염온도를 더욱 더 상승시키기에, RDX는 배제하고, 80% 전후의 AP가 적용되는 추진제 조성을 설계하였다. 산화제 함량에 의하여 화염온도가 크게 영향을 받는 HTPB 기반 추진제에 비해, Fig. 4와 Fig. 5에 보여지는 바와 같이 NEPE 바인더 기반 추진제는 산화제인 AP 및 HMX는 물론 바인더의 함량에 의하여 영향을 받을 정도로 화염온도 결정인자가 다소 복잡하다. 우선 추진제의 성능, 즉 비추력을 고려하여 2,200K~2,600K의 화염온도 운용하에서 추진제의 제조 공정 및 연소특성을 고려하여 바인더의 함량은 대략 30~40%로 정하였다. 산화제로서는 60~70%를 AP와 HMX를 단독 또는 병행 사용하였다. 바인더 내 가소제 함유량은 추진제 공정성 및 연소 특성을 고려하여 가소제/폴리머비를 0.6 내외로 설정하여 추진제 조성을 설계하였으며, 자세한 조성은 Table 1과 같다.
Table 1.
Propellant compositions and major combustion characteristics.
| Propellant | Binder |
AP/ HMX (%) |
Tf1) (K) |
Rb1) | n |
| A | HTPB | 80 | 2,280 | 1.00 | 0.45 |
| B | NEPE | 20/50 | 2,580 | 1.35 | 0.48 |
| C | NEPE | 0/60 | 2,480 | 1.06 | 0.49 |
| D | NEPE | 10/50 | 2,500 | 1.39 | 0.79 |
| E | NEPE | 20/452) | 2,590 | 1.51 | 0.64 |
| F | NEPE | 20/403) | 2,360 | 0.95 | 0.51 |
화염온도는 2,200∼2,600 K 범위내의 추진제 조성하에서, 압력지수는 추력 조절의 용이성을 위하여 0.4∼0.8의 넓은 범위하에서 적절한 연소속도를 나타낼 수 있도록 AP와 니트라민 산화제인 RDX(또는 HMX, HNIW)를 병행 사용하는 조성들로 선정하였다.
추진제 제조는 2 gallon 수직형 플레나타리 혼합기를 이용하여 진공하에서 원료들을 혼합 후, End-burn 타입의 그레인 형상을 위해 4인치 직경의 표준모타에 충전 후 별도의 코아 삽입 없이, 50℃ 항온기에서 7일 동안 경화시켰다. 경 화된 추진제의 연소속도는 20℃에서 스트랜드 버너를 이용해 측정하였다. 연소속도는 측정은 각 추진제 당 압력별 3회 측정 후 평균 연소속도를 도출하고 회기 분석법을 통해 압력지수를 산출하였다.
2.3 표준시험모터 시험결과
표준시험모터(Standard Test Motor, STM)은 스트랜드 버너에서의 시험결과를 기준으로 실제 연소기 크기에서 연소속도 보정계수(), 토출보정계수 및 노즐효율과 같은 대한 로켓 성능변수를 도출하기 위한 시험이다. 연소속도 보정계수는 스트랜드 버너와 실제 모터 내에서의 연소속도 비를 나타내며, 이는 예측이 어렵기 때문에 시스템 설계 이전에 기본형상을 갖는 표준시험모터 시험을 통해 보정계수 산출을 선행한다.
한편, TDACS용 추진제는 운용시간 동안 추력제어의 정밀성을 유지하기 위해 핀틀 및 노즐목 소재의 생존성을 향상시키기 위한 요구조건들이 존재하는데, 그 중 하나는 추진제 내에 삭마에 큰 영향을 줄 수 있는 금속입자가 배제되어야 한다는 점이다. 이는 추진제의 연소안정성을 위해 첨가되는 금속입자 또한 해당된다. 따라서 DACS용 추진제 개발에서는 표준모터 시험을 통해 금속입자 연소 안정제 없이도 안정적 연소가 가능한지 확인하여야 한다.
표준시험모터는 Fig. 6과 같이 가스발생기, 밸브, 쌈지점화기로 구성되어 있으며, 밸브의 노즐목은 그라파이트 소재로, DCS와 ACS 추진제에 따라 노즐목 크기를 결정하였다.
총 6종의 추진제에 대하여 1회씩 시험을 수행하였으며, 대표적인 무차원화된 추력 및 압력곡선은 Fig. 7과 Fig. 8과 같다. 압력센서는 Dynisco사의 G831-101-3M모델을 사용하였으며, 10 kHz의 sampling rate로 측정하였다. 시험결과, 모든 추진제에서 연소불안정이 없음을 확인하였으며, 표준시험 모터 제원 및 시험결과는 Table 2에 도시하였다.
Table 2.
Standard performance test motor specification & hot-firing test result.
2.4 DACS 사이징
표준모터 시험결과에서 도출한 연소속도 보정계수를 바탕으로, Fig. 2의 운용시나리오를 적용하여 시스템 사이징을 수행하였다.
동일한 형상 및 노즐목 면적을 갖는 DCS 및 ACS 추력기를 가정하여 요구 추력을 만족하기 위한 가스발생기를 설계하였으며, 이를 바탕으로 추진제에 따른 시스템 사이즈의 변화를 확인하였다.
DACS의 가스발생기는 End-burn 타입의 추진제 그레인을 가지며, DCS와 ACS는 각각 분할된 개별의 가스발생기를 사용하고, DCS는 90°방향으로 총 4개의 추력기, ACS는 양방향으로 yaw 축 각 1개, pitch/roll 축이 각 2개로 총 6개의 추력기를 사용하는 것이 통상적이다. DCS는 유도탄 체계에서 요구한 최대 추력을 기준으로 가스발생기 추진제의 직경을 결정하며 추진제를 담고 있는 연소관의 직경은 유도탄의 직경 내로 들어와야 한다. 이때 모든 DCS 또는 ACS 추력기 내의 핀틀이 최대로 후퇴하는 경우, 즉, 최대 노즐목 면적을 가질 때가 연소실 압력이 가장 낮게 운용되는 코스팅 구간에 해당되며, 각 추진제별 직경이 다르므로 코스팅 압력도 달라지게 된다. 이에 따라 추진제 소모량이 달라지게 되는데, 이러한 설계 절차로 추진제의 직경 및 요구되는 추진제의 총량비교를 통해 어떠한 추진제가 시스템에 적합한지 판단할 수 있는 간단한 지표로 활용이 가능하다.
또한, 추진제의 길이는 표준모터시험으로 도출한 연소속도 보정계수와 스트렌드 버너의 연소속도를 활용하여 운용시나리오로부터 도출된 부스팅 구간과 코스팅 구간의 시간을 바탕으로 도출하며, 계산된 직경과 길이를 통해 임무에 필요한 추진제 총량을 도출할 수 있게 된다.
위와 같은 시스템 설계 절차를 거쳐 도출한 결과의 일부를 Table 3에 도시하였다. Propellant D의 경우 코스팅에 요구되는 추진제 질량이 0.59 kg으로 다른 추진제에 비해 현저히 낮은 것을 볼 수 있다. 이는 높은 압력지수 값으로 인해 DCS/ACS 코스팅 압력을 최저로 낮출 수 있기 때문에 추진제 소모량을 최소화 할 수 있기 때문이다. 추진제 총량 기준으로 보았을때는 propellant D 추진제가 가장 유리한 것으로 판단되나, 압력지수가 약 0.8로 작은 면적 변화에도 성능제어 편차를 크게 할 수 있어 시스템의 강건성이 취약해 질 수 있음을 고려하여 우선순위를 후순위로 지정하였다. 또한, propellant E 추진제가 직경 323 mm 로 타 추진제에 비하여 최소값을 보인다. 가스발생기의 최대 직경이 감소할수록 가스발생기의 무게가 감소하여 전체 직격 요격체의 무게가 감소하면 DCS/ACS의 최대 추력 요구조건을 감소시키거나, 탄도탄의 요격 범위를 향상시킬 수 있어 시스템 설계에 유리하다.
Table 3.
DACS sizing results.
| Type | Propellant | Coasting propellant mass(kg) |
Grain diameter (mm) |
Grain length (mm) |
| DCS | B | 39.68 | 344 | 535 |
| C | 37.14 | 390 | 408 | |
| D | 0.59 | 340 | 290 | |
| E | 12.21 | 323 | 401 | |
| ACS | A | 4.18 | 193 | 387 |
| F | 4.26 | 197 | 415 |
ACS의 경우도 동일한 설계 개념이 적용될 수 있으나 가스발생기의 절대적 크기 및 추진제 요구량이 DCS에 비하여 작아 시스템에 미치는 영향이 크지 않다. 따라서 ACS 추진제 후보군인 A와 F는 시스템 중량 및 크기 관점에서는 큰 차이가 없는 수준이다. 반면, ACS 추력기 소재의 생존성 관점에서는 상대적으로 낮은 화염온도를 갖는 propellant A가 조금 더 유리한 것으로 사료된다. 따라서 개발된 추진제 조성 중 장시간 DACS 시스템에 가장 적합한 추진제는 DCS의 경우 propellant E 추진제이며 ACS의 경우 propellant A 추진제로 판단된다.
