In a rocket system, a material exposed to an extremely high-temperature environment. Existing materials such as metal, pyrolytic composite and graphite suffer from ablation. The ablation problem causes enlargement of nozzle throat during operation. As the nozzle enlarges, the combustion pressure drops significantly. Hence, long-term combustion is a challenging problem for the rocket system without proper cooling. In this study, the refractoriness of the rocket nozzle was raised by implementing Ultra-High Temperature Ceramics (UHTCs). The UHTC has a high melting point of above 2,000℃ and superior oxidation/ablation resistance. Unlike the existing material, UHTC forms the refractory oxide layer when the material oxidized. This self-generating oxide layer of UHTC protects the structural materials by hampering oxidizing-compound to diffuse into the base material. In this study, to test the feasibility of applying UHTC into rocket nozzle, 250N scale %H_2O_2$/HDPE hybrid thruster was designed. The long-term hot fire tests were conducted to test the ablation characteristics of HfC-SiC and $HfB_2$-SiC nozzle insert. The UHTC insert showed near zero erosion on the nozzle throat compare to graphite nozzle which presented substantial ablation. The combustion parameter such as chamber pressure and thermal behavior of UHTC were profoundly analyzed. Based on the analysis, the feasibility of UHTC application into the rocket nozzle evaluated.
로켓 시스템에서는 연소실 및 노즐 소재가 매우 극심한 온도 및 산화 환경에 노출되게 된다. 로켓 소재로 주로 사용하여 왔던 금속, 열분해성 복합재 및 흑연 소재는 기 환경에서 삭마에 크게 침식되는 문제점이 있으며 삭마는 노즐목의 면적을 넓힘으로써 로켓 운용 상의 문제를 야기한다. 예를 들어 노즐 목의 확장으로 연소실 압력이 급격하게 떨어지게 되므로 장기 연소 운용 시 최적 운용이 어렵게 되고 로켓의 성능이 저하한다. 본 연구에서는 최근 우수한 산화 및 삭마 저항성으로 평가받고 있는 초고온 세라믹스 소재를 로켓 노즐에 적용하여 노즐 소재의 내열성을 증대시키고 이로부터 로켓 노즐의 극심한 삭마 현상을 개선하고자 하였다. 초고온 세라믹스 소재는 용융점이 2,000℃를 상회하는 물질로써 고온에서 우수한 기계적, 화학적 물성을 보이며 우수한 내산화성 및 내삭마성을 보인다. 초고온 세라믹스 소재의 경우 기존 소재와 다르게 연소 환경에서 소재가 산화되면서 자동적으로 산화막이 소재 표면에 형성이 됨으로써 내부 소재로의 산화 성분의 확산을 낮추고 매우 높은 열유속이 침투하는 것을 방지한다. 초고온 세라믹스 소재의 로켓 노즐 적용 가능성을 평가하기 위해 본 연구에서는 250 N 급 고농도 과산화수소/고밀도 폴리에틸렌 하이브리드 추력기를 활용하여 장기연소를 수행하였으며 HfC-SiC 및 $HfB_2$-SiC 소재의 삭마 특성 및 열적 거동을 분석하였다. 기존 소재와의 삭마 특성 비교를 위해 동일한 조건에서 흑연 노즐 삭마 시험을 수행하였다. 장기 연소 시험 결과 흑연 소재의 경우 매우 극심한 삭마가 발생한 반면, 초고온 세라믹스 소재의 경우 노즐 목에 침식이 거의 발생하지 않았으며 매우 안정적인 연소 성능을 확인하였다. 기 결과를 기반으로 하여 초고온 세라믹스 소재의 로켓 노즐 적용 가능성을 평가하였다.
