KR100532170B1 - 로켓 엔진용 점화 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 추가의 산소를 로켓 엔진 메인 연료/산소 인젝터 구성요소로부터 직접 점화기에 공급함으로써 보족 산소 공급 시스템의 필요성을 제거하여 엔진 재점화의 신뢰성을 향상시킨 로켓 엔진용 점화 시스템을 제공한다.

Description

로켓 엔진용 점화 시스템{IGNITION SYSTEM FOR ROCKET ENGINES}
본 발명은 액체 연료식 로켓 엔진용 점화 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 점화 란치에서 엔진 재점화의 신뢰성을 향상시킨 시스템에 관한 것이다.
액체 연료식 로켓 엔진은 다단계 란치 차량상에서 상부 단계의 추진 시스템으로서 보통 사용된다. 통상의 란치 동안, 예컨데 위성이 지구 궤도 근처에 배치되는 동안, 상부 단계의 로켓 엔진은 간단히 점화되고, 활공한 다음 다시 점화될 수도 있다. 1회 란치 동안 엔진이 여러번 점화되려면 수회에 걸쳐 엔진이 재점화될 수 있는 신뢰성이 양호한 점화 시스템을 필요로 한다.
종래의 점화 시스템은 일반적으로 보족 산화제 공급 라인을 구비하여 점화 동안 추가의 산화제를 엔진 점화기 둘레의 영역에 제공하여 로켓 엔진의 연소 챔버내에서 연료/산화제 혼합물이 재점화하도록 적당히 점화하도록 한다. 점화기에 추가로 산화제를 공급하는 것은 점화시 소망 연료/산화제의 비율을 형성하는 것으로 증명되지만, 보족 산화제 공급 라인은 과열을 피하기 위해서 차단 밸브를 필요로 한다. 연소 산물이 엔진 시동시 가압 과정동안 밸브로 역류하여 들어가서 밸브가 동결하여 폐쇄된다. 차후 재점화 시도에 대해서 밸브가 동결하여 폐쇄되어 있으면, 엔진이 신뢰성있게 점화되지 않을 것이다. 역류의 조정 및/또는 제거의 시도가 차단 밸브의 동결을 방지하는데 효과적이지 않다고 증명되었다.
따라서, 엔진이 여러번 점화될 것을 요구하는 란치상의 엔진 재점화의 신뢰성을 증가시키며, 종래의 점화 시스템의 비용 및 무게를 감소시키는 액체 연료식 로켓 엔진용 점화 시스템이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 엔진이 여러번 점화될 필요가 있는 란치상에서의 엔진의 재점화 신뢰성을 향상시키는 액체 연료식 로켓 엔진용 점화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액체 연료식 로켓 엔진용 점화 시스템의 무게를 감소시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액체 연료식 로켓 엔진용 점화 시스템의 비용을 감소시키는 것이다.
따라서, 점화기, 점화기의 중심에 배치된 포트와 상기 포트의 반경방향 외향으로 배치된 제 1 및 제 2 환형부를 갖는 평판, 제 2 환형부의 반경방향 내향에 배치된 제 1 환형부, 점화기 포트에 장착된 점화기, 평판의 제 1 환형부에 배치된 복수개의 제 1 인젝터 구성요소와 제 2 환형부에 배치된 복수개의 제 2 인젝터 구성요소를 포함하며, 인젝터 요소 각각은 제 1 유량 면적을 규정하는 제 1 오리피스와, 제 2 유량 면적을 규정하는 제 2 오리피스를 가지며, 상기 제 2 오리피스는 제 1 오리피스와 동심을 가지며 이에 대해 제 1 오리피스의 반경방향 외향에 있으며 반경방향 내측 절반부와 외측 절반부를 가지며, 반경방향 내측 절반부는 반경방향 외측 절반부와 점화기 포트 사이에 배치되며, 제 1 인젝터 구성요소 각각은 점화기 포트로부터 등간격으로 배치되며, 적어도 하나의 인서트가 제 1 인젝터 구성요소중 하나의 제 2 오리피스에 배치됨으로써 인서트가 배치된 제 2 오리피스의 제 2 유량 면적을 감소시키는 로켓 엔진용 점화 시스템을 개시한다.
본 발명의 전술한 특징 및 장점 등은 이하의 상세한 설명과 첨부도면으로부터 더 분명해질 것이다.
도1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 일반적인 로켓 엔진(10)은 추력 챔버(12)와, 추력 챔버(12)의 상류의 연소 챔버(14)와, 복수개의 연료/산화제 인젝터 구성요소(18)와 점화기 포트(20)를 포함하는 평판(16)과, 이 점화기 포트(20)에 장착된 점화기(22)와, 연료와 산화제를 연료/산화제 인젝터 구성요소(18)에 공급하는 연료 공급관(24)과 산화제 공급관(26)과, 점화동안 점화기(22)에 추가의 산화제를 공급하는 보족 산화제 시스템(28)을 구비한다.
도2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 평판(16)은 중앙에 배치된 점화기 포트(20)를 가지며 점화기(22)가 이 점화기 포트(20)에 장착된다. 포트(20)의 반경방향 외측에는 점화기 구성요소(18)의 제 1 환형부(30)가 있으며, 제 1 환형부(30)의 반경방향 외측에는 점화기 구성요소(18)의 제 2 환형부(32)가 있다. 복수개의 제 1 인젝터 구성요소(18')는 평판(16)의 제 1 환형부(30)에 배치되며 복수개의 제 2 인젝터 구성요소(18")는 제 2 환형부(32)에 배치된다. 인젝터 구성요소(18) 각각은 제 1 유량 면적을 규정하는 제 1 오리피스(34)와, 제 2 유량 면적을 규정하는 제 2 환형 오리피스(36)를 가진다. 제 2 환형 오리피스(36)는 제 1 오리피스(34)에 대해 제 1 오리피스(34)와 동심을 가지며 그 반경방향 외측에 있다. 본 발명의 점화 시스템에 있어서, 각각의 인젝터 구성요소(18)의 제 1 오리피스(34)는 산화제를 연소 챔버(14)에 제공하며, 제 2 환형 오리피스(36)는 연료를 연소 챔버(14)에 제공한다.
제 1 인젝터 구성요소(18') 각각은 점화기 포트(20)로부터 등간격으로 배치되어 있으며, 도4에 도시된 바와 같이, 제 1 인젝터 구성요소(18') 각각의 제 2 환형 오리피스(36)는 반경방향 내측 절반부(38)과 외측 절반부(40)를 가진다. 반경방향 내측 절반부(38)는 반경방향 외측 절반부(40)와 점화기 포트(20) 사이에 배치된다. 제 1 인젝터 구성요소(18')의 적어도 하나, 바람직하게는 몇 개가 제 2 오리피스(36)에 형성된 인서트(42)를 가진다. 도4 및 도5에 도시된 바와 같이, 인서트는 제 2 환형 오리피스(36)의 일부분을 차단함으로써 인서트(42)가 배치된 제 2 환형 오리피스(36)의 제 2 유량 면적을 감소시킨다.
도5와 도6에 도시된 바와 같이, 인서트(42)는 인서트(42)가 배치되어 있는 제 2 환형 오리피스(36)의 폭(48)보다 단지 조금 작은 두께(46)를 갖는 반원통형 벽(44)을 포함한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "반원통형 벽"이란 두께 "T"와 높이 "H"를 갖는 장방형 면적을 기준 축 "A"를 중심으로 거리 "R"만큼 떨어져 1회전에 못미치게 회전함으로써 형성되는 바디를 의미한다. 본 발명의 인서트(42)에 있어서, 반원통형 벽(44)은 기준축 A를 중심으로 1/2 회전한 결과이며, 두께(46)는 제 2 환형 오리피스(36)의 반경방향 폭(48)보다 다소 작다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "제 2 환형 오리피스의 폭"이란 도5에 도시된 바와 같이, 제 2 환형 오리피스(36)의 반경방향 내면(50)과 환형 오리피스(36)의 반경방향 외면(52) 사이의 거리(48)를 의미한다. 반원통형 벽(44)의 일단부(56)와 일체형인 플랜지(54)는 기준축 "A"에 실질적으로 수직한 방향으로 그로부터 반경방향 외향으로 연장된다. 도6에 도시된 바와 같이, 플랜지(54)의 길이(58)는 반원통형 벽(44)의 높이 "H"의 적어도 절반이 바람직하다. 인서트(42)는 평판(16)과 동일한 물질로 제조되는 것이 바람직하지만, 평판(16)이 제조되는 물질과 유사한 물성을 갖는 유사 물질로 제조될 수도 있다.
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 평판(16)의 제 1 환형부에는 6개의 인젝터 구성요소(18')가 있는데, 이들 인젝터(18')는 점화기 포트(20)의 원주에 대하여 등간격으로 이격되어 있다. 인서트(42)는 제 1 인젝터 구성요소(18')의 적어도 절반의 제 2 오리피스(36)의 반경방향 내측 절반부(38)에 배치된다. 당해 기술분야의 숙련자들이 쉽게 이해할 수 있는 바와 같이, 인서트(42)는 인서트(42)가 대략 50%정도에 배치되는 제 2 오리피스(36)의 제 2 유량 면적을 감소시키며, 연료가 각각의 인젝터(18)의 제 2 환형 오리피스(36)를 통해 이송되기 때문에, 인서트(42)가 배치되어 있는 제 1 인젝터 구성요소(18') 각각을 통한 연료 유량이 대략 50% 감소된다. 결과적으로, 인서트(42)는 인서트(42)가 배치된 점화기 구성요소(18')에 바로 인접해서 연료-희박(산화제 풍부) 대역을 형성한다. 바람직하게는, 인서트(42)가 배치된 제 1 인젝터 구성요소(18') 각각은 인서트(42)가 배치된 다른 제 1 인젝터 구성요소(18')에 바로 인접하고, 인서트(42)가 배치되지 않은 또 다른 제1 인젝터 구성요소(18')에 바로 인접한다. 인서트(42)가 배치되지 않은 제 1 인젝터 구성요소(18')가 인서트(42)가 배치된 2개의 제 1 인젝터 구성요소(18')에 바로 인접하는 것이 바람직하다. 인서트(42)는 바람직하게는 플랜지(54)를 그에 용접함으로써 평판(16)에 단단히 고정된다.
엔진 점화 바로 직전에, 연료와 산화제가 연료 공급관(24)과 산화제 공급관(26)에 의해서 인젝터 구성요소(18) 전부에 공급된다. 제 1 인젝터 구성요소(18')의 일부의 제 2 환형 오리피스(36)의 반경방향 내측 절반부(38)에 인서트(42)가 있음으로써, 제 1 인젝터 구성요소(18')의 제 2 환형 오리피스로부터 분사되는 연료는 점화기 포트(20)로부터 멀리 배향되며, 동일 제 1 인젝터 구성요소(18')의 제 1 오리피스(34)로부터 분사되는 산화제의 일부는 점화기 포트(20)를 향해 배향된다. 따라서, 인서트(42)가 배치되는 제 1 인젝터 구성요소(18')는 점화기 포트(20)에 가장 근접한 인젝터 구성요소의 측부상에 산화제 풍부대를 형성한다.
점화기 포트(20)로부터 가장 먼 제 1 인젝터 구성요소(18')의 측부상에, 인서트(42)가 배치된 제 1 인젝터 구성요소(18')가 도7에 도시된 바와 같이, 연료(60)의 커튼으로 쌓여지는 산화제 코어 스프레이(66)를 형성한다. 산화제 코어 스프레이(66)와 연료 커튼(60) 사이의 전단면은 연소가능한 연료/산화제 혼합물을 제공하는 혼합대(68)를 형성한다. 엔진 점화시, 점화기는 연료(70)를 도7에 도시된 바와 같이, 인서트(42)가 배치된 제 1 인젝터 구성요소(18')에 의해서 형성된 산화제 풍부대(64)로 분사한다. 그 다음에 이어서 점화기(22)로부터 스파크가 이어지고, 연료는 5000°R 정도로 여자화되며, 산화제 풍부대(64)의 연료를 점화하며, 그 다음에 혼합대(68)와 다른 인젝터 구성요소(18) 상으로 전파한다.
당해 기술분야의 숙련자들에게 잘 알려진 바와 같이, 인서트(42)가 배치된 제 1 인젝터 구성요소(18')는 종래 기술의 보족 산화제 공급 시스템(28)의 필요없이 신뢰성 있는 점화에 필요한 산화제 풍부대(64)를 형성한다. 따라서, 본 발명의 점화 시스템과 결합하는 로켓 엔진은 종래기술의 보족 산화제 공급 시스템(28)과 관련된 비용 및 점화 문제 양자를 회피하며, 로켓 엔진으로부터 보족 산화제 공급 시스템(28)의 무게를 제거한다. 본 발명이 그 구체적인 실시예에 관하여 나타내고 설명하였지만, 당해 기술분야의 숙련자들은 본 발명이 청구하는 요지와 청구범위를 벗어남 없이 그 형태와 세부사항의 다양한 변경이 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따른 인서트(42)가 배치된 제 1 인젝터 구성요소(18')는 종래 기술의 보족 산화제 공급 시스템(28)의 필요없이 신뢰성 있는 점화에 필요한 산화제 풍부대(64)를 형성한다. 따라서, 본 발명의 점화 시스템과 결합하는 로켓 엔진은 종래기술의 보족 산화제 공급 시스템(28)과 관련된 비용 및 점화 문제 양자를 회피하며, 로켓 엔진으로부터 보족 산화제 공급 시스템(28)의 무게를 제거할 수 있다.
도1은 종래 기술의 로켓 엔진의 개략도.
도2는 도1의 2-2 선을 따라 취한 본 발명의 평판의 평면도.
도3은 도4의 3-3 선을 따라 취한 본 발명의 인젝터 구성요소 중 하나의 단면도.
도4는 도2의 제 1 환형부 및 점화기 포트의 확대도.
도5는 도4의 5-5 선을 따라 취한 인서트가 배치된 인젝터 구성요소 중 하나의 단면도
도6은 본 발명의 인서트의 단면도 및 2개의 종단면도.
도7은 인서트가 배치된 인젝터 구성요소 중 하나로서 그로부터 분무된 연료 및 산화제의 상호작용을 나타내는 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
18' : 제 1 인젝터 구성요소 18" : 제 2 인젝터 구성요소
20 : 포트 30 : 제 1 환형부
32 : 제 2 환형부 36 : 환형 오리피스
38 : 반경방향 내측 절반부 40 : 반경방향 외측 절반부
42 : 인서트 44 : 반원통형 벽

Claims (5)

  1. 로켓 엔진용 점화 시스템이며,
    점화기와,
    중앙에 배치된 점화기 포트와, 상기 포트의 반경방향 외측에 배치되고, 상기 점화기 포트에는 상기 점화기가 장착되어 있고, 제 1 환형부가 제 2 환형부의 반경방향 내측에 배치된 상기 제 1 및 제 2 환형부를 갖는 평판과,
    제 1 유량 면적을 규정하는 제 1 오리피스와, 제 2 유량 면적을 규정하며 상기 제1 오리피스에 대해서 상기 제 1 오리피스의 반경방향 외측에 동심으로 배치되는 제2 오리피스를 가지며, 반경방향 외측 절반부 및 상기 반경방향 외측 절반부와 상기 점화기 포트 사이에 배치된 상기 반경방향 내측 절반부를 가지며, 제 1 점화기 구성요소 각각이 상기 점화 포트로부터 등간격으로 배치되어 있는, 상기 평판의 상기 제 1 환형부에 배치된 복수개의 제 1 인젝터 구성요소와 상기 제 2 환형부에 배치된 복수개의 제 2 인젝터 구성요소와,
    상기 제 1 인젝터 구성요소 중 하나의 제 2 오리피스안에 배치되어, 상기 인서트가 배치된 제 2 오리피스의 제 2 유량 면적을 감소시키는 적어도 하나의 인서트를 포함하는 로켓 엔진용 점화 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 인서트는 상기 인서트가 배치된 상기 제 2 오리피스의 제 2 유량 면적을 50% 정도 감소시키는 로켓 엔진용 점화 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 인서트는 상기 제 2 오리피스의 반경방향 내측 절반부에 배치되는 로켓 엔진용 점화 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 인젝터 구성요소의 적어도 절반은 상기 인서트를 구비하는 로켓 엔진용 점화 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 인서트 각각은 반원통형 벽을 가지며, 상기 인서트는 상기 평판에 단단히 고정되는 로켓 엔진용 점화 시스템.
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