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고체로켓 모터 노즐의 열화학적 침식에 미치는 복사와 조도 영향

전문가 제언: ○ 로켓의 노즐은 추진기관의 압력과 추력에 직접적으로 영향을 주고 있기 때문에, 연소 시간 동안 그 형태를 유지하고 있어야 설계에서 원하는 압력과 추력을 얻게 되므로, 삭마에 잘 견디고 형상의 변화가 적어야 함이 필수적이다. 특히 노즐 목은 이러한 영향에 절대적인 효과를 주기 때문에 침식에 강한 그라파이트 더 나아가 탄소-탄소의 소재를 사용하고 있다.

○ 한편 이러한 노즐의 형상 유지와 함께 노즐의 삭마가 미치는 영향을 조사하기 위하여 노즐 벽면을 따라 흐르는 가스의 점성 유체의 특성을 고려하여 경계층 효과에 대하여도 연구되어 왔다. 일반적으로 경계층 유동이 생기면 경계층에 의하여 배제 두께가 형성된다. 이렇게 노즐에서의 유동 면적은 기하학적 면적보다 적게 되고 이로 인하여 노즐 목 직경 감소에 의한 압력 상승을 예상할 수 있다.

○ 그러나 일반적인 이러한 추정과는 달리 경우에 따라서는 온도 구배에 의한 경계층 내의 밀도 차이로 네거티브 배제두께가 나타나고, 이는 실험적으로도 입증된 바 있어 통상의 관념을 벗어나는 현상이다. 비슷하게 논문에서 복사에 의한 침식율을 조사하였는데, 비교적 가스/입자의 온도가 높은 연소실에서부터 축소부위에서는 열복사가 벽 쪽으로 일어나나 그 이후 노즐 목 부위부터는 반대로 일어난다고 발표하고 있다. 이 또한 보통 예상과는 다른 추세이다.

○ 이와 같은 고체 로켓 모터의 삭마에 관해서는 우주 또는 국방을 연구하는 세계의 모든 국가에서 연구되어 오고 있다. 그만큼 다양한 연구가 수행되어왔고 그 메커니즘에 관한 모델도 연구되어 왔다. 우리나라에서도 moving boundary를 포함한 노즐 연구가 이론적 또는 실험적으로 수행되었으나. 경계층의 네거티브 현상이나, 복사의 침식 반작용 효과 등은 새로운 관점에서 고려할 필요가 있다.

저자: Alessandro Turchi et al
자료유형: 니즈학술정보