KR100424792B1 - 로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로켓 엔진 개발시 검증되어야 하는 연소 안정성 확인 시험을 위하여 인위적인 교란 공급 장치인 펄스건의 시험방법 및 구조에 관한 것이다.

전방에 연결볼트가 연결되며 멤브레인으로 막혀있으며 내부의 펄스건 공동에 주장약이 저장되고 후방으로 기폭제와 전기 공급부로 이루어진 폭발부를 갖는 펄스건과,

상기 펄스건이 연결되는 펄스건용 어댑터에 펄스건 압력파 유입부가 형성되며 내부의 유도용 공용에 질소 퍼징용 어댑터와 엔진용 어댑터가 설치된 압력파 유도장치로 구성되어 있다.

Description

로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조{a}

본 발명은 로켓 엔진 개발시 검증되어야 하는 연소 안정성 확인 시험을 위하여 인위적인 교란 공급 장치인 펄스건의 시험방법 및 구조에 관한 것이다.

로켓 엔진의 연소 불안정 현상은 거의 모든 로켓 엔진의 개발 과정에서 발생되는 현상으로서, 엔진 자체와 전체 비행체 시스템의 작동에 치명적인 손상을 일으킬 수 있다.

연소 불안정 현상은 연소 과정과 연소실 내부의 유동의 상호 커플링에 의해 발생하는데, 연소 과정으로부터 공급된 에너지가 연소실 내부 유동장의 압력 및 속도를 증폭시켜 발생하는 것으로 알려져 있다.

즉, 연소 불안정 현상을 방지하기 위해서는 연소실 내부 유동장(혹은 음향장)의 압력 및 속도 진동(oscillation)을 증가시키지 않도록 하여야 한다.

이러한 로켓 엔진의 연소 안정성을 평가하는 기법(Stability rating test :SRT)으로 가장 흔히 사용되는 것이 밤(bomb) 이나 펄스건(pulse gun)을 사용하여 연소 과정 중 도면 1과 같은 인위적인 교란을 생성시켜서, 연소실 내 압력 진동이 발산하는지 또는 감쇄하는지를 판단함으로써 엔진의 연소 안정성을 평가하는 것이다.

이 외에도 연료나 산화제의 공급 배관에 인위적인 교란을 주는 방법도 있으나, 이것은 2차적 안정성 평가 기법 정도로 사용되고 있다.

연소 안정성 평가 기법으로 종래에 많이 사용되던 밤의 경우, 연소실의 연소장 내에 직접 밤이 설치되어 연소 과정 중 고온/고압의 유동에 노출되기 때문에 기폭제를 감싸고 있는 물질의 용융 시점 등을 예측하기 어려워 정확한 교란 시점을 설정하기 어려운 단점을 지니고 있다.

반면 펄스건의 경우 연소실 외벽에 설치되어 고온/고압의 연소 가스에 직접 노출되지 않고, 전기적 점화 방식을 일반적으로 사용하기 때문에 연소 과정 중의 원하는 시간에 인위적인 교란을 공급할 수 있는 장점을 지닌다.

이에 따라 최근에 흔히 사용되는 안정성 평가 기법에서는 펄스건이 가장 널리 사용되고 있는 실정이다.

이러한 연소 안정성 평가 기법은 로켓 엔진 개발 과정 중 반드시 선행되어야 하는 필수 핵심 기술임에도 불구하고, 선진국에서의 기술 이전 회피 등으로 인하여 국내에서는 개발이 되지 못한 실정이다.

선진국에서는 로켓 엔진 개발시 수십∼수백번의 연소 안정성 확인 시험을 거친 후, 엔진의 수명 시험 등으로 진행하는 방식을 거치고 있다.

국내에서는 극히 일부에서 제한적으로 인위적 압력파 교란 기법이 사용되고 있으나, 이를 엔진의 연소 현상과 결부시킨 실험은 전무한 실정이다.

그러나, 펄스건의 경우도 밤의 경우보다는 열적 고려가 다소 덜 필요하지만고온/고압의 가스가 펄스건 출구 방향으로 유입될 가능성이 많으며 원하는 강도의 압력파를 발생시켜야 하는 등의 설계/제작시 어려운 난점을 지니고 있다.

또한 단일 수명의 로켓 엔진의 제작비와 연소 시험 비용이 상당히 고가이므로, 단일 연소 시험에서 몇 차례의 압력파를 시간 간격을 두고 순차적으로 제어하는 것도 필요한 실정이다.

본 발명은 로켓 엔진 개발시 거의 필연적으로 검증되어야 하는 연소 안정성 확인 시험을 위하여 인위적인 교란 공급 장치인 펄스건의 제조방법과 구조를 제공하는 것이다.

이를 통하여 로켓 엔진 개발시의 시행 착오로 인한 시간/비용의 절감을 꾀할 수 있으며, 안정성과 신뢰성이 높은 엔진을 개발할 수 있다.

본 발명은 단일 연소 시험에서 단일 크기의 압력파에 의한 엔진의 응답 특성 뿐만 아니라, 2회 이상의 인위적 가진을 줄 수 있는 장치/시험 기법을 제공하여 로켓 엔진 시험 및 개발 비용을 감소할 수 있다.

이는 향후 로켓 엔진 뿐만 아니라 근래 선진국에서도 큰 이슈가 되고 있는 저공해 가스터빈 연소기의 불안정 특성 검증을 할 수 있는 기법으로 이용될 수 있을 것이다.

도 1 는 본 발명의 시험방법 개략도

도 2 는 본 발명의 펄스건에 대한 단면도

도 3 은 본 발명의 압력파 유도장치에 대한 평면도

도 4 는 본 발명의 압력파 유도장치에 대한 정면도

도 5 는 본 발명의 압력파 유도장치에 대한 측면도

도 6 은 본 발명의 압력파 유도장치와 펄스건의 연결상태

사시도

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]

1 : 멤브레인 2 : 연결 볼트

3 : 주장약 4 : 전기 공급부

5 : 기밀부 6 : 고정핀

7 : 전기 컨넥터 8 : 펄스건 공동

9 : 기폭제 10 : 기밀부 고정부

11 : 유도용 공동 12 : 멤브레인 궤적

13 : 펄스건용 어댑터 14 : 펄스건 압력파 유입부

15 : 퍼징용 질소 16 : 질소 퍼징용 어댑터

17 : 엔진용 어댑터 18 : 펄스건 압력파 궤적

19 : 유도형 공동내 반구형상 20 : 펄스건

30 : 압력파 유도장치

본 발명은 압력 펄스를 원하는 시점에 발생시킬 수 있는 펄스건(20)의 구성과 펄스건(20)을 로켓 엔진에 효율적으로 설치하여 연소 안정성 확인 시험을 할 수있도록 하는 압력파 유도장치(30)의 시험방법과 구조를 제공한다.

상기 펄스건(20)은 크게 화약을 통하여 순간적인 압력을 가할 수 있는 폭발부(21)와 그 압력을 펄스건(20)으로 유도하는 구성으로 나눌 수 있다.

상기 펄스건(20)은 멤브레인(1)이 펄스건 공동(8)의 전방에 설치되어 있으며 외부에 연결이 가능하도록 연결볼트(2)가 설치되어 있다.

폭발부(21)는 내부에 주장약(3)이 저장되고, 그 일측으로 기폭제(9)와 전기공급부(4)로 이루어진다.

전기공급부(4)의 일측에는 기밀부(5)와 고정핀(6)이 설치되어 기밀부 고정부(10)를 통하여 고정 및 기밀이 유지되고 일측으로 전기가 내부에 공급되도록 전기 커넥터(7)가 설치되는 것이다.

상기 폭발부(21)는 기폭제(9)와 기폭제를 점화하기 위한 전기 공급부(4) 및 기폭제(9)의 폭발에 의해 주폭발력을 발생시키기 위한 주장약(3)으로 이루어진다.

즉 폭발력은 전기 공급부(4)에 정해진 전압/전류의 펄스 신호를 공급하여 기폭제(9)를 폭발시키며, 이 폭발력에 의해 주장약(3)이 폭발하여 순간적으로 강한 압력을 생성한다.

이 압력에 의해 펄스건(20) 내의 펄스건 공동(8)에 고압의 가스가 충진되며, 이 압력이 멤브레인(1)을 파단하고 연소실 쪽으로 순간적인 압력파를 전달하게 된다.

이 때 펄스건 공동(8)과 주장약(3) 및 기폭부(9)는 모두 고온/고압의 가스가 채워진 공동의 역할을 하게 되며, 이로 인해 기밀부(5)와 고정핀(6)쪽 후방으로 강한 크기의 압력이 전달되므로 이 부분의 기밀을 유지하는 것이 매우 중요하다.

기밀부(5)는 테프론과 빼크라이트를 사용하여 충격을 완화하며, 고정핀(6)은 기계적인 회전력과 추력을 막아내는 작용을 하는 것이다.

연결 볼트(2)는 펄스건(20)을 압력파 유도장치(30)의 펄스건용 어댑터(13)와 결합되며, 멤브레인(1)을 압착하는 역할을 한다.

또한 펄스건(20)의 주장약(3)의 충진량을 조절함으로써 엔진에 가해지는 가진 압력의 크기를 조절할 수 있다.

멤브레인(1)은 알루미늄 재질의 1mm 두께로 설치되어 연소실로부터 유입될 수 있는 고온/고압의 가스로부터 폭발부(21)를 보호하는 역할을 하는 동시에 압력파를 엔진 쪽으로 유입하는 역할을 한다.

이상과 같은 펄스건(20)을 로켓 엔진 연소 시험에 효율적으로 적용하기 위한 압력파 유도장치(30)는 도 3과 같다.

이는 펄스건(20)의 연결볼트(2)와 결합되는 펄스건 압력파 유입부(14)가 형성된 펄스건용 어댑터(13)와 엔진 내의 연소 가스의 유입을 효율적으로 막아 펄스건(20)의 오동작을 막기 위한 질소 퍼징용 어댑터(16), 엔진으로 압력파를 유입하기 위한 엔진용 어댑터(17)와 유도용 공동(11)로 구성되어 있다.

압력파 유도장치(30) 중 유도용 공동(11)의 형상을 펄스건용 어댑터(13) 반대 방향을 유도형 공동내 반구형상(19)으로 처리함으로써 펄스건(20) 내부의 폭발 압력에 의한 멤브레인(1)의 파편이 도 3 의 화살표와 같은 멤브레인 궤적(12)을 가지고 유도용 공동(11) 내에 충돌하여 많은 운동량의 감소가 발생한다.

또한 펄스건(20)의 출구 방향과 엔진용 어댑터(17)의 출구를 90도 꺾이게 함으로써, 이로 인해 폭발 파편이 엔진으로 유입될 때 이미 크게 운동량이 감소됨에 따라 엔진 연소실 벽면에 손상을 주지 않게 된다.

이러한 압력파 유도장치(30)의 유도용 공동(11)을 도 3과 같은 형상으로 설계함으로써 연소실 벽면에 가해질 수 있는 파편에 의한 손상을 최소화할 수 있다.

또한 펄스건용 어댑터(13) 2개 이상을 펄스건 압력파 유입부(14)와 같이 경사를 가지고 설치함으로써, 시간 간격을 두고 압력파를 발생할 때 선 폭발되는 펄스건(20)의 고압/고온 압력파에 직접 노출되지 않게 함으로써 후 폭발될 펄스건(20)을 보호하는 역할을 한다.

펄스건(20)의 인위적 교란 시점은 도 1과 같이 엔진의 연소가 안정화 되었을 때 시행되거나 점화 후 안정화 되기 전 사이에서 시행되어야 하기 때문에 압력파 유도장치(30) 및 펄스건(20)쪽으로 고온/고압의 연소가스가 유입됨에 따라 펄스건(20)이 고온에 노출되어 기폭제(9)의 특성에 따라 오폭발이 발생할 수 있다.

이러한 펄스건(20)의 오폭발을 막기 위하여 압력파 유도장치(30)에 질소 퍼징용 어댑터(16)를 설치하여 엔진 점화 이전에 질소를 연소실 압력보다 높은 기압(연소실 압력 보다 약 5기압 이상)으로 설정하여 도 4의 퍼징용 질소(15)와 같이 공급함으로써, 엔진으로 부터의 고온/고압의 가스가 압력파 유도장치(30) 및 펄스건(20)으로 유입되지 않도록 한다.

정해진 시점에서 펄스건(20)의 점화가 이루어질 경우, 질소 퍼징에 의한 압력보다 상당히 높은 압력이 압력파 유도장치(30)에 가해지기 때문에 도4의 펄스건압력파 궤적(18)과 같은 압력파가 엔진에 가해진다.

본 발명은 로켓 엔진의 연소시 연소 안정성을 평가하기 위하여 인위적 교란을 신뢰성있게 제공할 수 있는 펄스건을 제작하는 기술과 실제 엔진 연소 시험시 효과적인 실험을 위하여 압력파 유도장치를 제공하는 것이다.

본 발명을 이용하여 엔진 개발시 수반되는 시행 착오를 줄일 수 있으며, 특히 압력파 유도장치를 효율적으로 도입함으로써 연소 안정성 평가를 단일 연소시험에서 수차례 시행할 수 있는 장점을 제공하는 것이다.

Claims (6)

1. 전방에 연결볼트(2)가 연결되며 멤브레인(1)으로 막혀있으며 내부의 펄스건 공동(8)에 주장약(3)이 저장되고 후방으로 기폭제(9)와 전기 공급부(4)로 이루어진 폭발부(21)를 갖는 펄스건(20)과,

   상기 펄스건(20)이 연결되는 펄스건용 어댑터(13)에 펄스건 압력파 유입부(14)가 형성되며 내부의 유도용 공용(11)에 질소 퍼징용 어댑터(6)와 엔진용 어댑터(7)가 설치된 압력파 유도장치(30)로 구성됨을 특징으로 하는 로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조.
2. 제1항에 있어서, 멤브레인(1)은 1mm 정도의 알루미늄으로 설치됨을 특징으로 하는 로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조.
3. 제1항에 있어서, 펄스건 공동(8)에서 발생하는 순간적인 고온/고압의 가스가 펄스건(20) 후방으로 전달될 때 엔진의 기밀을 유지하기 위하여 기폭제(9) 뒤에 기밀부(5)를 설치하여 충격을 완화하고 고정핀(6)이 설치되어 회전력과 추력을 막아내도록 함을 특징으로 하는 로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조.
4. 제1항에 있어서, 펄스건(20)의 폭발시 파단되는 알루미늄 멤브레인(1)의 파편에 의한 연소실 벽의 손상을 막고, 2회 이상의 압력 펄스를 연소실로 공급하기위하여 펄스건용 어댑터(13)를 복수개로 설치함을 특징으로 하는 로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조.
5. 제1항에 있어서, 펄스건(20) 폭발전에 고온/고압의 엔진 연소가스의 유입으로 인한 펄스건(20)의 오폭발을 막기 위해 압력 유도장치(30) 내에 연소 시험 전에 불활성 기체인 질소를 연소실 압력보다 높은 기압으로 퍼징함을 특징으로 하는 로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 펄스건용 어댑터(13)가 외측으로 경사지게 돌출됨을 특징으로 하는 로켓 엔진 연소안정성평가를 위한 구조.