KR101014787B1 - 액체로켓의 연소기 헤드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체로켓의 연소기 헤드에 관한 것으로서, 상부는 돔형으로 형성되고 그 내부에는 인젝터를 일정한 형태로 위치시키는 인젝터 페이스가 형성되어 있으며 그 중앙 상부에는 산화제 공급관이 연결된 헤드와, 상기 헤드의 플랜지부와 연소기를 김발구조물에 장착할 수 있도록 하는 조립링체 사이에 설치된 김발지지대를 포함하는 액체로켓 연소기에 있어서, 상기 산화제 공급관이 연결되는 연소기 헤드의 상면과 조립링체 사이에 헤드의 수직변형을 감소시키는 김발보강대가 설치된 것을 특징으로 하여, 연소기가 고압에서 작동 시 헤드의 변형을 감소시킬 수 있다.

액체로켓, 연소기, 헤드, 돔, 인젝터 페이스, 김발지지대, 수직보강재

Description

액체로켓의 연소기 헤드{A Head of the Liquid Rocket Thrust chamber}

본 발명은 액체로켓의 연소기 헤드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고압의 압력조건과 극저온의 환경에서 작동하는 연소기 헤드의 무게를 최소화하고 구조적으로 안정화한 액체로켓의 연소기 헤드에 관한 것이다.

일반적으로, 액체로켓 연소기는 크게 헤드부(이하 "헤드" 라 한다)와 챔버부로 구분할 수 있다. 연소기 헤드는 산화제와 연료를 터보펌프로부터 고압으로 공급받아 인젝터를 통하여 혼합시켜 챔버부 즉 연소실로 분사시킨다. 또한 연소기 헤드는 경우에 따라서는 연소기에서 발생된 추력을 발사체에 전달하는 역할을 한다.

이러한 연소기 헤드는 추력을 전달하는 방식과 전달하지 않는 두 가지 방식이 존재하지만, 본 발명은 추력을 전달하는 방식의 연소기 헤드에 관한 것이다.

현재 외국에서 개발하여 사용되는 연소기 헤드는 두 가지 형태로 분류할 수 있다.

첫 번째 형태는 구 소련권의 나라 즉 러시아에서 개발하여 사용하는 방식으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 연소기 헤드(11)가 돔형 구조로 되어 있고, 그 중앙부에는 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급관(12)이 설치되며, 추력 전달은 헤드(11) 외측의 플랜지부(11a)에 설치된 김발지지대(13) 즉 김발지지 구조물에 의해 추력 전달이 이루어지게 된다.

두 번째 형태는 미국 및 유럽에서 사용하는 방식으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 연소기 헤드(21)(31) 외측 형상이 무게를 줄일 수 있는 사다리꼴의 형상으로 형성되고, 내측은 원형 또는 타원형의 매니폴드 형상으로 형성된다. 그리고, 연소기 헤드(21)(31)의 일측에는 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급관(22)(32)이 설치되고, 헤드(21)(31)의 중앙 상부에는 김발구조물(23)(33)이 설치되며, 추력 전달은 헤드(21)(31) 외측의 사다리꼴 형상과 중앙의 수직한 실린더 형상의 구조물에 의해 전달된다.

이와 같은 연소기 헤드(11)(21)(31)는 연소실의 연소가스에 의한 압력과 헤드 내부에서의 내압을 받게 되고, 내압을 받는 헤드(11)(21)(31)의 직경이 증가하게 되면, 헤드(11)(21)(31)의 구조적인 안정성을 갖기 위해 직경의 증가와 비례하여 구조물의 두께를 증가시켜야 한다.

한편, 이론적으로 내압에 구조적으로 가장 안정한 구조물의 형상은 구형이다. 이러한 이유 때문에 도 1에 도시된 바와 같이, 구 소련권에서는 연소기 헤드(11)로 구형 돔의 형상을 사용하고 있다. 그리고 추력의 전달은 연소기 헤 드(11) 외측의 플랜지부(11a)에 설치된 여러 개의 김발지지대(13)를 이용한다. 이러한 구형 돔의 형상을 하는 연소기 헤드(11)에서는 돔의 곡률 반경과 내압이 결정되면, 돔의 최적 두께는 이론적으로 계산할 수 있다.

그러나, 이와 같은 돔 형상의 연소기 헤드(11)에서는 도 1에서와 같이, 산화제 공급을 위하여 돔형 헤드(11) 중앙에 산화제를 공급할 수 있는 구멍(hole)을 천공하고, 산화제 공급관(12)을 연결하여 설치하면, 동일한 내압을 받는 상황 하에서 산화제 공급관(12)이 연결된 구멍 때문에 돔형의 헤드(11)는 구조적으로 불안정하게 된다. 이러한 불안정한 구조는 결국 헤드(돔)(11)의 두께를 증가시켜 해결할 수는 있으나, 헤드(11)의 두께를 증가시키면 연소기의 전체적인 무게 또한 크게 증가되는 문제점이 있었다. 즉, 동일한 추력을 발생시키는 연소기에 있어서 연소기 헤드(11)의 무게를 감소시키는 것이 효율적인 측면에서 매우 중요한 사안이기 때문에 전술한 바와 같이 연소기의 무게가 증가되는 것은 연소기의 효율을 현저하게 떨어뜨리게 되는 요인이 된다.

따라서, 이러한 단점을 해결하는 것이 연소기 헤드(11)의 설계에 있어서 매우 중요하다.

이에, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 연소기 헤드를 돔 형상으로 형성하는 한편 그 중앙부에 산화제 공급관을 연결하면서도 헤드의 무게를 최소화하고 구조적으로 안정화된 액체로켓의 연소기 헤드를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적은, 돔형으로 형성되고 그 내부에는 인젝터와 인젝터 페이스가 형성되어 있으며 그 중앙 상부에는 산화제 공급관이 연결된 헤드와, 상기 헤드의 플랜지부와 연소기 장착 조립링체 사이에 설치된 김발지지대를 포함하는 액체로켓 연소기에 있어서, 상기 산화제 공급관이 연결되는 연소기 헤드의 상면과 조립링체 사이에 헤드의 수직변형을 감소시키는 김발보강대가 설치된 액체로켓의 연소기 헤드에 의해 달성된다.

그리고, 상기 연소기 헤드의 돔부와 인젝터 페이스 사이에는 돔부의 변형을 방지하기 위한 수직보강재가 설치된다.

또한, 상기 수직보강재의 하단부는 인젝터 페이스에 나사 결합되어 탈착이 가능하게 설치되고, 상기 인젝터 페이스와 나사 결합된 수직보강재의 하단부는 인젝터 페이스에 브레이징으로 고정되며, 상기 수직보강재의 상단부는 헤드의 돔부에 용접 고정된다.

본 발명의 액체로켓의 연소기 헤드에 따르면, 헤드 내부에 수직보강재를 탈착가능하게 설치하여 연소기의 제작을 용이하게 하여 제작비용을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 헤드의 변형을 감소시킬 수 있고, 헤드와 조립링체 사이에 김발보강대를 설치하여 추력을 전달할 뿐만 아니라 헤드의 돔부에서 발생되는 수직 방향의 변형을 감소시켜 구조적인 안정성을 향상시키는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

첨부도면 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 액체로켓의 연소기 헤드를 도시한 도면이다.

본 발명의 액체로켓 연소기에는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 돔 형상으로 형성된 헤드(110)가 구성된다.

그리고, 상기 돔형 헤드(110)의 내측 하부에는 다수의 인젝터가 장착되는 인젝터 페이스(112)가 설치되고, 상기 헤드(110)의 돔부(111) 중앙에는 산화제 공급관(140)이 연결되는 구멍이 천공되어 있으며, 이 구멍의 상부에는 산화제 공급관(140)이 연결된다.

또한, 상기 헤드(110)의 외측단 즉 플랜지부(110a)에는 봉으로 이루어진 다수의 김발지지대(160)가 설치되고, 상기 김발지지대(160)의 상단부에는 김발구조물(미도시)을 장착할 수 있는 링 형상의 연소기 장착 조립링체(150)가 헤드(110)와 이격된 위치로 설치된다.

한편, 상기 연소기 헤드(110)의 돔부(111)와 인젝터 페이스(112) 사이에는 도 4에 도시된 바와 같이, 헤드(110)의 변형 즉 돔부(111)와 인젝터 페이스(112)의 변형을 방지 또는 감소시키기 위한 수직보강재(120)(130)가 하나 이상 설치된다.

상기 수직보강재(120)(130)는 서로 다른 직경과 높이를 갖는 중공의 원통관 으로서, 상기 수직보강재(120)(130)가 도 4에서와 같이 헤드(110) 내부의 중앙부와 외주연부 측의 돔부(111)와 인젝터 페이스(112) 사이에 각각 설치된다.

이때, 상기 수직보강재(120)(130)는 도 4의 원안에 도시된 바와 같이, 그 하단부 외측면에 나사부(121)(131)가 형성되고, 이에 대응한 인젝터 페이스(112)의 상부에는 그 내측면에 나사부(113a)(114a)가 형성되어 있는 돌출리브(113)(114)가 각각 돌출 형성되어, 수직보강재(120)(130)의 하단부가 인젝터 페이스(112)의 돌출리브(113)(114)에 탈착 즉 조립 및 분리가 가능하게 나사 결합된다.

이후, 나사 결합된 수직보강재(120)(130)와 인젝터 페이스(112)의 돌출리브(113)(114)는 브레이징(brazing)으로 고정됨으로써, 수직보강재(120)(130)와 돌출리브(113)(114)의 결합력이 증대되어 구조적인 안정화를 이룰 수 있게 된다.

그리고, 상기와 같이 인젝터 페이스(112)에 고정된 수직보강재(120)(130)의 상단부는 헤드(110)의 돔부(111)와 조립된 후 용접 고정된다.

이와 같이 설치되는 수직보강재(120)(130)는 먼저, 인젝터 페이스(112)의 돌출리브(113)(114)에 각각 나사 결합한 후 브레이징으로서 수직보강재(120)(130)를 돌출리브(113)(114)에 고정시키고, 수직보강재(120)(130)의 상부에 헤드(110)의 돔부(111)를 안착시킨 후 수직보강재(120)(130)를 돔부(111) 내측면에 용접 고정하여 설치한다.

상기 수직보강재(120)(130)는, 연소기 헤드(110)의 중앙부에 산화제 공급관(140)이 설치됨으로써, 산화제의 내압에 의하여 헤드(110)가 구조적으로 불안정하고 돔부(111)의 형상이 크게 변형되는 것을 감소시키기 위해 설치된 것으로서, 헤드(110) 내부의 산화제 매니폴드(115) 내부에서 산화제가 유동의 균일성을 갖게 하고, 헤드(110)의 수직방향의 변형을 감소시킨다.

이와 같은 수직보강재(120)(130)는 연소기 헤드(110)의 직경에 따라 1개 또는 2개 이상으로 설치된다.

특히, 본 발명에서는 수직보강재(120)(130)를 헤드(110)에 탈착가능하게 설치하여 구성한 것으로서, 수직보강재(120)(130)가 헤드(110)에 일체로 형성된 경우보다 가공 및 조립이 용이하게 된다. 즉, 2개 이상의 수직보강재(120)(130)가 헤드(110)에 일체로 형성되는 경우, 헤드(110)에 2개 이상의 수직보강재(120)(130)를 가공하여야 하므로 가공 상의 어려움이 있고, 가공시간이 증가되므로 가공비용이 상승하게 된다. 따라서, 본 발명에서와 같이 수직보강재(120)(130)를 헤드(110)에 탈착식으로 설치하면, 수직보강재(120)(130)의 가공 및 조립이 용이하게 되어 전술한 바와 같은 경우의 단점을 모두 해소할 수 있게 된다.

한편, 상기 연소기 헤드(110)에서 산화제의 작동 압력에도 헤드(110)가 구조적으로 안정하도록 헤드(110)의 내부에 구성된 산화제 매니폴드(115) 내부에 수직보강재(120)(130)를 설치하면, 구조적으로 돔부(111)가 변형되지 않도록 안정화시킬 수는 있지만, 산화제 매니폴드(115)와 연소실(116) 내부의 압력이 매우 높기 때문에 연소기 헤드(110)가 전체적으로 수직방향으로 변형되어 인젝터 페이스(112)가 오목한 형상으로 변형될 수 있다. 그리고, 이러한 변형은 헤드(110) 내에 설치된 인젝터 페이스(112)의 평탄도를 변형시키기 때문에, 인젝터의 형상과 분무 방향을 변화시켜 연소기의 연소성능에 영향을 미칠 수 있다.

따라서, 이와 같은 헤드(110)의 수직방향 변형을 감소시키기 위하여 헤드(110)의 돔부(111) 상면에 김발보강대(170)를 설치하여, 헤드(110)의 수직변형을 감소시켜 구조적으로 안정한 연소기 헤드(110)를 제공한다.

한편, 상기 김발보강대(170)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 산화제 공급관(140)이 연결되는 연소기 헤드(110)의 상면 즉 돔부(111)와 조립링체(150) 사이에 헤드(110)의 수직변형을 감소시키기 위하여 다수개로서 설치된다.

이와 같이 설치된 김발보강대(170)는 돔부(111)의 수직방향 변형을 감소시켜 연소기 헤드(110)를 구조적으로 안정화시킨다.

이는, 상기 헤드(110) 외측의 플랜지부(110a)에 설치된 김발지지대(160)와 더불어 김발보강대(170)를 헤드(110)의 돔부(111)와 조립링체(150) 사이에 설치하여 줌으로써, 추력의 힘으로 돔부(111)의 수직방향 변형을 감소시켜 헤드(110)를 구조적으로 안정화시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 김발지지대(160)와 김발보강대(170)는 봉 형상으로 형성된다. 이때, 이와 같은 김발지지대(160)와 김발보강대(170)로 이루어진 김발지지 구조물은 얇은 셀(shell) 형상의 구조물로 형성하여 용접 또는 주조방식으로 연소기 헤드(110)와 조립할 수도 있으나, 용접방법으로 얇은 셀 구조물을 헤드(110)에 조립하는 경우에는 고압/극저온에서 작동하는 연소기 헤드(110)에서 용접에 의한 결함 발생 가능성이 증가하기 때문에, 용접방식 보다 주조방식으로 헤드(110)를 제작한다. 그러나 주조방식을 이용하는 경우에 추력을 지지하는 셀 구조물의 두께가 얇으면 제작 과정에서 불량이 발생할 가능성이 매우 높고, 이러한 단점을 해결하기 위하여 외국에서 사용하고 있는 열간등방압 가압성형(Hot Isostatic Pressing)과 같은 다른 제작 방식을 사용하는 경우에는 제작 과정에서 고도의 기술이 요구된다. 고도의 제작기술은 제작비용 증가의 원인이 될 뿐만 아니라 국내에서는 고도의 제작기술을 연소기 헤드(110)에 적용하여 제작한 경험이 없는 단점이 있다.

따라서, 김발지지대(160)와 김발보강대(170)로 이루어진 김발지지 구조물은 본 발명에서와 같이 봉 형상의 구조물을 사용하는 것이 제작이 용이할 뿐만 아니라 비용 및 제작 시간을 절감시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 러시아형 액체로켓의 연소기 헤드를 보인 도면이다.

도 2는 종래의 미국형 액체로켓의 연소기 헤드를 보인 도면이다.

도 3은 종래의 유럽형 액체로켓의 연소기 헤드를 보인 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 액체로켓의 연소기 헤드를 도시한 단면 구성도이다.

도 5는 본 발명에 따른 액체로켓의 연소기 헤드를 도시한 사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11,21,31 : 연소기 헤드 11a : 플랜지부

12,22,32 : 산화제 공급관 13 : 김발지지대

23,33 : 김발구조물 110 : 연소기 헤드

110a : 플랜지부 111 : 돔부

112 : 인젝터 페이스 113,114 : 돌출리브

113a,114a : 나사부 115 : 산화제 매니폴드

116 : 연소실 120,130 : 수직보강재

121,131 : 나사부 140 : 산화제 공급관

150 : 조립링체 160 : 김발지지대

170 : 김발보강대

Claims (4)

1. 돔형으로 형성되고 그 내부에는 인젝터와 인젝터 페이스가 형성되어 있으며 그 중앙 상부에는 산화제 공급관이 연결된 헤드와, 상기 헤드의 플랜지부와 연소기 장착 조립링체 사이에 설치된 김발지지대를 포함하는 액체로켓 연소기에 있어서,

   상기 산화제 공급관이 연결되는 연소기 헤드의 상면과 조립링체 사이에 헤드의 수직변형을 감소시키는 김발보강대가 설치된 것을 특징으로 하는 액체로켓의 연소기 헤드.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 연소기 헤드의 돔부와 인젝터 페이스 사이에는 돔부의 변형을 방지하기 위한 수직보강재가 설치된 것을 특징으로 하는 액체로켓의 연소기 헤드.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 수직보강재는 인젝터 페이스에 나사 결합되어 탈착이 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 액체로켓의 연소기 헤드.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 인젝터 페이스와 나사 결합된 수직보강재는 인젝터 페이스에 브레이징으로 고정된 것을 특징으로 하는 액체로켓의 연소기 헤드.

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