KR100908289B1 - 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치 - Google Patents

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문희장
김진곤
김수종
우경진
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Abstract

본 발명은 하이브리드 로켓의 연료로 사용되는 파라핀계 연료의 제조장치에 관한 것으로, 특히 저렴한 비용으로 대형으로 제작 가능함과 아울러 신속한 제조가 가능한 파라핀계 연료의 제조장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치에는 고압의 가스에 의해 가압된 상태에서 냉각 고체화되는 용융된 파라핀계 연료를 수용하는 성형부가 포함된다.
이로써, 가스의 압축을 통하여 파라핀계 연료의 반경 방향 수축을 최소화하면서 신속하게 제조할 수 있게 된다. 또한, 대형 파라핀계 연료의 제조는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 크게 제작하면 되므로 그 소요비용도 종래의 기술에 비하여 상당히 저렴한 효과를 갖는다.
하이브리드 로켓, 연료, 제조, 파라핀계

Description

하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치{manufacture device for paraffin based fuel grain of hybrid rocket}
본 발명은 하이브리드 로켓의 연료로 사용되는 파라핀계 연료의 제조장치에 관한 것으로, 특히 저렴한 비용으로 대형으로 제작 가능함과 아울러 신속한 제조가 가능한 파라핀계 연료의 제조장치에 관한 것이다.
하이브리드 로켓은 고체 연료와 액체 또는 기체 산화제를 조합한 추진제를 사용하는 로켓으로, 연소 제어가 어려운 고체 원료에 액체 산화제를 조합하여 산화제의 유량 조절로 추진력 제어를 가능하게 한 로켓이다.
이에 사용되는 고체 연료 중 파라핀계 연료는 기본 연료가 파라핀 왁스이고, 이에 연소 성능을 향상시키기 위하여 금속편 등이 첨가되어 이루어진다. 이러한 파라핀계 연료는 용융된 파라핀 왁스와 다양한 첨가물을 균질하게 섞은 후 일정한 형틀에 부어 넣은 후 냉각시켜 고체상의 연료로 제작하게 된다.
이때, 용융된 파라핀계 연료가 냉각되는 과정 중에서 수축이 발생하게 되는데 이러한 수축은 통상 원형으로 제조되는 고체 연료의 반경 방향과 수직 방향에서 모두 일어남으로써, 냉각 후 얻어지는 최종 연료의 형상은 불균일해지는 단점을 갖 는다. 특히 반경방향의 수축으로 인하여 고체 연료의 외형에 대한 추가 가공 없이는 하이브리드 로켓에 장착할 수 없는 문제가 있는 것이다.
이러한 파라핀계 연료의 수축에 따른 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 원심주조장치 또는 오븐제조장치를 이용하였다.
먼저, 원심주조장치는 용융된 파라핀계 연료가 냉각되는 과정 중에 형틀을 회전시켜 원심력에 의하여 파라핀계 연료가 반경 방향으로 수축되는 것을 방지하는 것인데, 형틀을 파라핀계 연료의 상변화에 따라 적정 속도로 회전시키기 위한 설비가 복잡한 단점과, 파라핀계 연료를 대형으로 제조하기 어려운 문제가 있다.
한편, 오븐제조장치는 용융된 파라핀계 연료가 담긴 형틀의 온도를 천천히 냉각시키는 것으로, 이때 형틀에 담긴 파라핀계 연료는 중력에 의하여 하방으로 다져짐에 따라 반경 방향의 수축 변형을 최소화하는 것이다. 이러한 오븐제조장치는 파라핀계 연료의 냉각에 소요되는 시간이 장시간 소요되는 문제가 있으며, 특히 파라핀계 연료를 대형으로 제작하여야 하는 경우에는 형틀을 수용하는 오븐도 커져야하므로 고가의 오븐이 필요한 문제가 있는 것이다.
본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 저렴한 비용으로 대형으로 제작 가능함과 아울러 신속하게 파라핀계 연료를 제작할 수 있게 하는 목적을 갖는다.
또한, 구성을 단순화하여 필요한 크기에 따라 용이하게 제작할 수 있게 하는 목적도 갖는다.
또한, 파리핀계 연료의 제조시 그레인 포트를 동시에 확보하는 목적도 갖는다.
또한, 파라핀계 연료를 용이하게 제조할 수 있게 하는 목적을 갖는다.
한편, 조립되는 형틀 부속의 결속력을 강화하는 목적도 갖는다.
또한, 조립되는 형틀 내부의 기밀성을 증대시키는 목적도 갖는다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실시예로 고압의 가스에 의해 가압된 상태에서 냉각 고체화되는 용융된 파라핀계 연료를 수용하는 성형부가 포함되고, 상기 성형부는 기밀 가능한 용기와 상기 용기 내부와 연통되는 연료가스공급부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
삭제
또한, 상기 용기에는 상하가 개방된 하우징과, 상기 하우징의 하부에 결합되는 하판과, 상기 하우징의 상부에 결합되는 상판이 포함되며, 상기 상판에는 상기 연료가스공급부가 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
또한, 상기 하우징의 내부를 상하로 관통하며, 양단이 상기 상판과 하판에 결합되는 맨드렐이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
또한, 상기 연료가스공급부는 하나의 통로인 단일주입구로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
또한, 상기 연료가스공급부는 용융된 상기 파라핀계 연료가 공급되는 연료주입구와, 상기 가스가 주입되는 가스주입구로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
또한, 상기 하우징의 하부에 결합되며, 상기 맨드렐을 고정하기 위한 고정홈이 형성된 맨드렐고정판이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
또한, 상기 하우징과 상기 하판의 결합 면에는 개스킷이 개재되고, 상기 하우징과 상기 상판의 결합 면에는 기밀용 오링이 개재되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
또한, 상기 상판과 하판의 가장자리는 상기 하우징의 외부로 연장되어 관통공이 형성되고, 양단이 상기 상판의 관통공과 상기 하판의 관통공에 삽입 고정되는 체결봉이 나사에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 제시한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치에 따르면, 가스의 압축을 통하여 파라핀계 연료의 반경 방향 수축을 최소화하면서 신속하게 제조할 수 있게 된다. 또한, 대형 파라핀계 연료의 제조는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 크게 제작하면 되므로 그 소요비용도 종래의 기술에 비하여 상당히 저렴한 효과를 갖는다.
한편, 하우징과 상,하판 및 맨드렐의 단순한 구성으로 이루어져 제작이 용이한 효과를 갖는다.
한편, 맨드렐이 더 구비됨으로써 성형시 파라핀계 연료의 고체화와 동시에 그레인 포트를 형성할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 연료가스주입부가 단일주입구로 형성되는 경우에는 용융된 파라핀계 연료와 가스의 주입이 하나의 통로로 이루어져 구성이 더욱 단순해지며, 기밀성이 증대되는 효과를 갖는다.
한편, 연료가스주입부가 연료주입구와 가스주입구로 나뉘어 개별 형성되는 경우에는 각 주입구와 가스공급수단 및 연료공급수단과 항상 연결되게 구성할 수 있으므로 매번 가스공급수단과 연료공급수단을 교차로 연결 또는 해제하여야 하는 번거로움이 사라지는 효과를 갖는다.
또한, 개스킷과 오링이 구비됨으로써 용기의 기밀성이 향상되어 파라핀계 연료 또는 가스가 새어나가지 아니하는 효과를 갖는다.
한편, 체결봉이 더 구비되는 경우에는 너트 조임에 의하여 상,하판과 하우징의 결속을 용이하게 증대시킬 수 있으며, 계속적인 파라핀계 연료의 생산에서 교체부품의 수를 줄일 수 있게 되는 효과도 갖는다.
이하, 첨부도면의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명인 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치의 기능, 구성 및 작용을 상세히 설명한다.
도 1 내지 도3은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치의 사시도, 분해도 및 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치(100)에는 고압의 가스에 의해 가압된 상태에서 냉각 고체화되는 용융된 파라핀계 연료를 수용하는 성형부(110)가 포함된다.
하이브리드 로켓의 고체 연료를 수용하는 연료탱크의 형상에 따라 통상 원통형으로 제작되는 파라핀계 연료(200)의 반경 방향(R) 수축을 최소화하기 위하여, 성형부(110)에는 가열되어 용융된 파라핀계 연료가 중력에 의하여 바닥부터 채워지며, 용융된 파라핀계 연료의 상부, 즉 성형부(110)의 나머지 공간에는 고압의 가스가 주입되어 용융된 파라핀계 연료를 하방으로 강하게 압박하게 된다. 이때, 고압 의 가스는 공기, 헬륨, 질소 등 일반적으로 널리 사용되는 기체 중에 선택되어 사용될 수 있으며, 바람직하게는 화학적으로 안정된 불활성 기체가 사용된다.
이러한 압력 상항에서 자연 냉각 또는 일반적인 냉각수단을 통하여 냉각되는 파라핀계 연료는 압력이 작용하는 수직 방향(V)에 대하여 수축되지만, 압력이 작용하는 방향과 수직된 방향인 반경 방향으로는 수축에 의한 변형이 최소화되면서 굳어져 고체가 된다.
즉, 일정한 형상의 내부 공간을 가지는 성형부(110) 안에서 고압의 가스로 가압되는 용융되어 액체 또는 젤 상태인 파라핀계 연료는 냉각되어 서서히 굳어지면서 고압의 가스에 의하여 하방으로 눌러지게 되므로 반경 방향(R)으로는 수축이 최소화 되어 성형부의 내부 형상에 따른 형상을 유지하면서 고체화되는 것이다.
다만, 압력이 작용하는 방향 즉, 수직방향에 대해서는 수축이 일어나는데, 이러한 수축을 보상하기 위하여 수축된 상하 높이 분량에 해당하는 용융된 파라핀계 연료를 더 주입함으로써 제조자가 원하는 상하 높이를 맞추어 제조할 수 있다.
이때, 성형부(110)는 기밀 가능한 용기(1)와, 이 용기 내부와 연통되는 연료가스공급부(2)로 이루어질 수 있다.
상기 용기(1)는 파라핀계 연료의 용융점 부근의 온도 및 고압의 가스 주입에 따라 상승된 압력에서 변형이 거의 일어나지 아니하는 재질 등으로 이루어질 수 있으며, 일례로 금속 재질 또는 내구성과 내열성이 뛰어난 합성수지 재질이 사용될 수 있다. 또한, 용기는 내부에서 냉각되어 고체화된 파라핀계 연료를 꺼낼 수 있도 록 분해 가능하게 조립되는 구성을 가지는 것이 바람직하다.
한편, 연료가스공급부(2)는 용기(1)에 형성되어 용융된 파라핀계 연료와 고압의 가스를 주입할 수 있는 통로로 이루어질 수 있다.
이때, 분해 가능하게 기밀 용기는, 일례로 도 2에 나타나 있다. 용기(1)에는 하우징(11), 하판(12), 상판(13)이 구비되며, 이 들의 조립을 통하여, 기밀되는 내부 공간을 형성하게 된다.
이때, 하우징(11)은 속이 빈 원통형상으로 상하가 개방되게 형성된다. 이 하우징의 단면은 하이브리드 로켓에서 요구하는 연소실의 내부 형상에 따라 원형 이외에 다각형의 형상을 가질 수도 있다.
한편, 하판(12)은 하우징(11)의 하부에 결합되어 용기의 바닥을 형성하게 되며, 상판(13)은 상기 하우징(11)의 상부에 결합되어 뚜껑이 된다. 이때, 상기 연료가스공급부(2)는 상판(13)에 형성된다.
이렇게 용기(1)는 하우징(11)과, 이 하우징의 상하에 결합되는 상판(13), 하판(12)으로 간단한 구성을 가지는 것이고, 구성의 단순화로 인하여 대형으로 제작하기에도 용이한 것이다.
한편, 내부에 주입된 용융된 파라핀계 연료와 가스가 새어 나가지 아니하도록, 상기 하우징(11)과 상기 하판(12)의 결합 면에는 개스킷(121)이 개재되고, 상 기 하우징(11)과 상기 상판(13)의 결합 면에는 기밀용 오링(131)이 개재되는 것이 바람직하다.
이때, 하우징(11)의 하부와 하판(12)의 결합 면에는 개스킷(121)을 개재하여 하우징과 하판의 접촉면을 통하여 파라핀계 연료가 새지 아니하도록 하며, 하우징(11)의 상부와 상판(13)의 결합 면에는 오링이 개재되어 조립을 간편히 하면서, 주입된 가스가 새어 나가지 아니하게 한다. 이때, 이러한 개스캣과 오링은 서로 전용될 수도 있다.
한편, 상기 하우징(11)의 내부를 상하로 관통하며, 양단이 상기 상판(13)과 하판(12)에 결합되는 맨드렐(14)이 더 포함될 수 있다.
맨드렐(14)은 하우징의 상하 방향으로 설치됨으로써, 도 5에 도시된 바와 같이, 파라핀계 연료(200)에 그레인 포트(210)를 형성하게 된다. 즉, 산화제가 그레인 포트(210)를 통과하면서 열기로 인하여 기화되는 고체 연료와 혼합되어 연소가 이루어지는 연소 공간을 형성하는 것이다.
이러한 그레인 포트의 단면형상, 배열위치, 설치 개수는 하이브리드 로켓의 후퇴율, 추진력 등의 성능을 고려하여 형성되는 것이고, 이에 따라 맨드렐이 하나 또는 그 이상이 용기 내부에 설치되는 것이다.
이러한 맨드렐(14)은 양단이 상판과 하판을 관통하게 결합되거나, 기밀성을 증대시키기 위하여 하판에 홈을 형성하고 이 홈에 맨드렐의 양단이 끼워지도록 형성될 수도 있다. 또는 상기 하우징(11)의 하부에는 상기 맨드렐(14)을 고정하기 위 한 고정홈(151)이 형성된 맨드렐고정판(15)이 더 포함될 수 있다.
이러한 맨드렐고정판(15)은 성형부 내부의 바닥에 위치하며, 고정홈(151)에 끼워지는 맨드렐(14)이 하판(12)과 수직을 이루며 세워지게 한다. 즉, 상판(13)을 하우징(11)에 결합하기 전까지 맨드렐(14)이 쓰러지지 않게 함으로써 상판(13)과 하우징(11)의 조립이 보다 원활하게 이루어지는 것이다.
한편, 연료가스공급부(2)는 용융된 상기 파라핀계 연료가 공급되는 연료주입구(21)와, 상기 가스가 주입되는 가스주입구(22)로 이루어진다.
연료주입구(21)를 통하여 용융된 파라핀계 연료를 용기 내부로 부어 넣을 수 있게 되며, 주입이 종료된 이후에는 연료주입구(21)는 폐쇄되어 기밀된다. 이를 위하여 연료주입구(21)는 상판의 상부를 향하여 입구가 돌출되게 결합된 관 형상을 가지며, 마개 등의 기밀수단 또는 니플(nipple)을 통한 연결관과 결합이 가능하도록 상판 위로 돌출된 부분의 외주면 또는 내주면에는 나사산이 형성될 수 있다.
한편, 가스주입구(22)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 고압의 가스가 저장된 가스탱크(T1)와 연결되어 용기의 내부로 가스를 유입할 수 있게 형성된다. 이러한 가스주입구는 상기 연료주입구와 같은 형상을 가질 수 있는 것이다.
이때, 용기 내부의 압력을 일정하게 유지하기 위하여, 가스주입구와 가스탱크의 연결은 압력의 측정 및 조절 기능을 가지는 밸브(T2)와 레귤레이터(T3)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 연료가스공급부(2)는 도시하지 아니하였으나 전술된 연료주입구와 가스주입구를 합친 하나의 단일주입구로 형성할 수도 있다. 즉, 용융된 파란핀계 연료의 주입과, 고압 가스의 주입이 하나의 단일주입구를 통하여 순차적으로 이루어진다.
이러한 단일주입구로 형성됨으로써 연료주입구와 가스주입구를 개별 구비하는 것보다 용기의 기밀성을 향상시킬 수 있으며, 제작이 용이해지는 것이다.
한편, 용기(1)의 기밀성을 더욱 좋게 하기 위하여 상판(13)과 하판(12)은 하우징(11)에 강한 힘으로 밀착되는 것이 바람직하다. 이를 위하여 상기 상판(13)과 하판(12)의 가장자리는 상기 하우징의 외부로 연장되며, 이 연장된 가장자리에는 관통공(122,132)이 형성되고, 양단이 상기 상판(13)의 관통공(132)과 상기 하판(12)의 관통공(122)에 삽입 고정되는 체결봉(16)이 결합된다.
즉, 원통형인 하우징(11)의 직경보다 상판(13)과 하판(12)의 직경이 더 크게 형성되고, 상판과 하판의 각 가장자리에는 서로 대응되는 위치에 관통공(122,132)이 형성된다.
또한, 하우징(11)의 상, 하단에 각각 대어진 상판(13)과 하판(12)의 관통공(122,132)에는 양단부에 나사산이 형성된 체결봉이 너트에 의하여 결합됨으로써, 조립자가 너트(161)를 조여 상판과 하판을 하우징에 강하게 가압할 수 있게 된다.
이때, 전술된 바와 같이, 개스킷과 오링에 의하여 상판과 하판은 하우징에 가압되면서 기밀성을 크게 할 수 있는 것이다.
또한, 고체화된 파라핀계 연료는 각 체결봉(16)의 너트(161)를 풀고 상판(13)과 하우징(11)을 들어 올림으로써 용기에서 인출할 수 있게 되는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치를 분해한 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치의 단면도.
도 4는 도 1에 도시된 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치의 사용상태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 5는 도 1에 도시된 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치에 의하여 제조된 파라핀계 연료의 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 연료 제조장치 110 : 성형부
1 : 용기
11 : 하우징 12 : 하판 121 : 개스킷 122 : 관통공
13 : 상판 131 : 오링 132 : 관통공
14 : 맨드렐 15 : 멘드렐고정판 151 : 고정홈 16 : 체결봉
161 : 너트 2 : 연료가스공급부 21 : 연료주입구 22 : 가스주입구
200 : 연료 R : 반경 방향 V : 수직 방향 210 : 그레인 포트

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 고압의 가스에 의해 가압된 상태에서 냉각 고체화되는 용융된 파라핀계 연료를 수용하는 성형부(110)가 포함되고,
    상기 성형부(110)는
    기밀 가능한 용기(1)와,
    상기 용기(1) 내부와 연통되는 연료가스공급부(2)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
  3. 제2항에서, 상기 용기(1)에는
    상하가 개방된 하우징(11);
    상기 하우징(11)의 하부에 결합되는 하판(12);
    상기 하우징(11)의 상부에 결합되는 상판(13)이 포함되며,
    상기 상판(13)에는 상기 연료가스공급부(2)가 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
  4. 제3항에서,
    상기 하우징(11)의 내부를 상하로 관통하며, 양단이 상기 상판(13)과 하판(12)에 결합되는 맨드렐(14);이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
  5. 제3항 또는 제4항에서,
    상기 연료가스공급부(2)는 하나의 통로인 단일주입구로 형성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
  6. 제3항 또는 제4항에서,
    상기 연료가스공급부(2)는
    용융된 상기 파라핀계 연료가 공급되는 연료주입구(21)와,
    상기 가스가 주입되는 가스주입구(22)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
  7. 제4항에서,
    상기 하우징(11)의 하부에 결합되며, 상기 맨드렐(14)을 고정하기 위한 고정홈(151)이 형성된 맨드렐고정판(15)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
  8. 제3항 또는 제4항에서,
    상기 하우징(11)과 상기 하판(12)의 결합 면에는 개스킷(121)이 개재되고,
    상기 하우징(11)과 상기 상판(13)의 결합 면에는 기밀용 오링(131)이 개재되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
  9. 제3항 또는 제4항에서,
    상기 상판(13)과 하판(12)의 가장자리는 상기 하우징의 외부로 연장되어 관통공(122,132)이 형성되고, 양단이 상기 상판(13)의 관통공(132)과 상기 하판(12)의 관통공(122)에 삽입 고정되는 체결봉(16)이 너트(161)에 의하여 결합되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 로켓의 파라핀계 연료 제조장치.
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