KR101022388B1 - 누센 펌프를 이용한 인공위성 추진 장치 및 추진 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 누센 펌프를 이용한 추진 장치에 관한 것으로서, 특히 멤브레인에 작동 유체가 도입, 토출되는 라인과 히터를 부가하여 멤브레인 하단에 유체를 압축하고 이를 노즐을 통해 추진력을 발생시켜 이를 인공 위성의 추진에 이용하는 인공 위성 추진 장치 및 추진 방법에 관한 것이다.

이와 같은 본 발명에 의한 경우 종래와 달리 각종 고압 탱크가 필요없어 중량을 가볍게 할 수 있는 효과가 있다.

누센 펌프, 열적 발산 원리, 인공 위성

Description

누센 펌프를 이용한 인공위성 추진 장치 및 추진 방법{Satellite propulsion apparatus and method by using propulsion apparatus by Knudsen pump}

본 발명은 누센 펌프를 이용한 추진 장치에 관한 것으로서, 특히 멤브레인에 작동 유체가 도입, 토출되는 라인과 히터를 부가하여 멤브레인 하단에 유체를 압축하고 이를 노즐을 통해 추진력을 발생시켜 이를 인공 위성의 추진에 이용하는 누센 펌프를 이용한 인공 위성 추진 장치 및 추진 방법에 관한 것이다.

일반적으로 액체 추진제를 이용하는 중대형 인공위성(1)의 경우 도 1a에 도시된 바와 같이 연소에 의해 추진력을 발생시키는 액체 추진제가 저장되는 추진제 탱크(30)와, 상기 액체 추진제가 연소될 수 있도록 하는 산화제가 저장되는 산화제 탱크(20)로 구성되며, 상기 산화제와 추진제는 추력기(40)에서 연소되어 추진력을 발생시킨다. 이때 상기 추진제 탱크(30)나 산화제 탱크(20)에는 상기 추진제나 산화제가 일정한 압력으로 토출되도록 하기 위해 상기 탱크(20,30)에 고압의 가압가스를 통해 추진제와 산화제를 가압하게 되며, 상기 가압 가스는 가압 탱크(10)에 저장된다. 그런데 이러한 추진시스템은 고압의 가압가스를 저장하는 가압 탱크와 일정 압력의 산화제 및 추진제를 저장하는 탱크가 장치해야 하는 관계로 구성이 복잡해지고 중량이 무거워지는 문제점이 있었다.

이와 다르게 소형 및 극소형 인공위성(2)의 경우에는 도 1b에 도시된 바와 같이 고압의 가스를 고압탱크(50)에 보관한 후 밸브(60)를 통해 일정한 고압가스를 추력기(70)를 통해 토출함에 따라 추력을 발생시키는 냉가스 추진시스템을 사용하고 있다. 그러나 이러한 냉가스 추진시스템은 구조는 단순하나 고압탱크를 장착해야 하는 관계로 중량이 무거워지며 추력을 발생함에 따라 고압탱크내의 가스 압력이 낮아짐에 따라 추력이 변하는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 누센 펌프를 이용한 추력 장치를 제공하여 중량을 경량화시키는 한편 구성을 단순화할 수 있는 누센 펌프를 구비한 추력 장치와 이를 이용한 인공위성 추진 장치를 제공함에 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다공성 물질로서 양측의 온도 구배에 의해 작동 유체의 압력 구배를 발생시키는 멤브레인과, 상기 멤브레인을 수용하는 하우징과, 상기 하우징 일측에 장치되어 작동 유체가 도입되는 도입 라인과, 상기 하우징 타측에 장치되는 것으로서 상기 작동 유체를 가열하여 상기 온도 구배를 발생시키는 히터와, 상기 히터를 통과한 작동 유체가 토출되는 토출 라인을 포함하여, 상기 온도 구배에 의해 발생된 압력 구배를 이용하여 추진력을 발생시키는 노즐을 구비한 추력 장치 및 이를 이용한 인공 위성 추력 장치에 특징이 있다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 경우 종래와 달리 고압 탱크가 필요없어 중량을 가볍게 할 수 있고, 또한 고압의 가스를 사용하는 일반적인 냉가스추진시스템과 비교하여 액체추진제의 사용이 가능하며 탱크의 부피를 작게할 수 있고 이에 의해 위성전체의 크기를 축소하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의해 일정한 추력기 챔버압력을 유지할 수 있어 일정한 추 력이 발생 가능하다

본 발명은 상술한 바와 같이 누센 펌프를 이용하여 추진력을 발생시키는 추진 장치로서 이하 우선 상기 누센 펌프에 대해 설명한다.

일반적으로 누선 펌프(knudsen pump)는 열적 발산 원리를 이용하여 추진력을 발생시키는 것을 말한다.

상기 열적 발산원리를 도 2를 참조하여 설명하면, 다공물질의 맴브레인(M) 좌우의 상이한 온도(T1,T2)를 가진 가스가 가스분자의 평균자유행정 [ mean free path] 보다 작은 직경(D)을 가진 관으로 연결된 맴브레인에 있을 때(Kn>1, 분자흐름) 상기 맴브레인(M) 좌우의 온도구배는 압력구배를 유발하고 온도가 낮은 쪽(T1)에서 높은 쪽(T2)으로 유동이 발생하는 원리를 말하며,하며, 누센 펌프는 이러한 원리를 이용하여 압력구배를 얻는 것을 말한다.(도 2참조)

상기 발산원리는 Reynolds(1879)에 의해 다공질의 치장벽토판(stucco plate)을 이용하여 최초로 연구되었고 Knudsen(1910)이 실험적으로 증명되었다.

이후 이에 대한 연구는 제작기술의 미흡으로 인하여 중단되었다가 최근 MEMS 기술의 발달로 인하여 연구가 재개되었다. Pham Van Diep(1994)은 MEMS 기반의 열적발산원리에 대한 이론적 해석을 수행하였으며, 이를 누센펌프(Knudsen Pump)라고 명하였다.

그리고 현재까지 상기 누센펌프에 대한 연구는 미 남가주 대학(USC: Univ. of Southern California)의 Muntz 교수와 NASA 산하의 Jet Propulsion Lab.에서 소형진공설비와 가스크로마토그래피에 적용을 위한 목적으로 연구되고 있다.

본 발명은 이와 같은 누센 펌프의 원리를 이용하여 추진제를 가압하고 이를 활용하여 추진력을 발생하는 추력 장치로서 이하 실시예와 도 3을 참조하여 설명한다.

실시예1

본 발명의 추력 장치(100)는 앞서 설명한 바와 같이 다수개의 홀(121)이 형성되는 다공성 물질로서 양측의 온도 구배에 의해 작동 유체의 압력 구배가 발생되는 멤브레인(120 ; 앞서 사용한 도면 기호 M과 동일함)과, 상기 멤브레인(120)을 수용하는 하우징(110)과, 상기 하우징(110) 일측에 장치되어 작동 유체가 도입되는 도입 라인(140)과, 상기 하우징(110) 타측에 장치되는 것으로서 상기 작동 유체를 가열하여 상기 온도 구배를 발생시키는 히터(130)와, 상기 히터(130)에 장치되는 것으로서, 상기 히터(130)를 통과한 작동 유체가 토출되는 토출 라인(150)을 포함하여, 상기 온도 구배에 의해 발생된 압력 구배를 이용하여 작동 유체의 유동을 발생시키게 되고 이에 의해 추진력을 발생시키게 된다.

한편 본 실시예에서는, 상기 멤브레인(120)을 디스크 형상을 가지는 다공성 물질을 대상으로 하고 있으며, 상기 멤브레인(120)을 수용하는 하우징(110) 역시 디스크 형상이되 내부에 상기 멤브레인(120)을 수용할 수 있는 수용 공간이 형성되어 있는 것을 대상으로 하고 있다.

이와 같은 본 실시예의 멤브레인(120)과 하우징(110)의 형상은 본 발명을 설명하기 위한 하나의 형상에 불과한 것으로서, 예를 들어 상기 멤브레인(120)과 하우징(110)의 형상이 육면체의 박스(box)형상이어도 무방하다. 이러한 측면에서 본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 의해 제한되지 않음은 분명하다.

또한 상술한 바와 같이 상기 멤브레인(120)은 다공성 물질인데 본 실시예에서는 다수개의 홀(121)로 이를 표현하였다.

한편 상기 히터(130)의 경우 상기 멤브레인(120)을 통과하여 나온 작동 유체를 가열하는 역할을 하게 된다.

이는 앞서 설명한 바와 같이 멤브레인(120)의 양측 온도 구배가 확대될 수 록 압력 구배가 증가하고 이에 의해 상기 작동 유체의 유동 또한 증가하게 되어 결국 추력을 증가시킬 수 있기 때문이다.

한편 본 실시예에서의 상기 히터(130)의 형상을 중공의 원통형상을 가지되 그 내부에 가열 수단으로서 열선(131)을 설치하였으며, 상기 히터(130)에 상기 토출 라인(150)을 장치하였다.

그러나, 본 실시예의 히터(130) 형상은 상기 멤브레인(120)을 수용할 수 있으면 족한 것이므로 본 발명은 상기 실시예에 국한되지 않음은 분명하다.

또한 가열 수단으로서 열선(131)을 개시하였으나, 이는 상기 작동 유체를 가열하는 일 실시예에 불과한 것으로서 본 발명은 상기 실시예에 국한되지 않음은 분명하다.

이상과 같은 본 발명의 추력장치(100)에 의해 작동 유체의 유동을 발생시켜 추력을 생산할 수 있는바 이에 대해 설명한다.

우선 작동 유체가 도입 라인(140)을 통해 도입된다.

이때 상기 도입 라인(140)은 통상 진공으로 유지되어 상기 도입된 작동 유체 즉 액체 추진제가 기화되도록 한다.

이는 앞서 설명한 바와 같이 멤브레인(120)의 홀(121) 직경이 상기 작동 유체의 평균 자유 행정보다 작아야 하는데, 이때 상기 도입 라인(140)에서 작동 유체를 기화하여 평균 자유 행정을 증가시키면 상기 멤브레인(120)의 홀(121) 직경을 증가시킬 수 있어 상기 멤브레인(120)의 제작을 용이하게 할 수 있기 때문이다.

한편 상기 기화된 작동 유체는 상기 토출 라인(150)측과의 온도 구배에 의해 압력 구배가 발생하고, 상기 압력 구배에 의해 토출 라인(150)측으로 유동하게 된다.

이때 상기 작동 유체는 상기 멤브레인(120)의 홀(121)을 거쳐 상기 토출 라인(150)측으로 유동하게 된다.

이상 설명한 바와 같이 누센 펌프를 이용한 본 발명의 추력 장치(100)의 경우 중량을 가볍게 할 수 있고, 구성을 단순화할 수 있는 효과가 있다.

실시예2

본 발명은 앞서 설명한 추력 장치(100)를 이용하여 인공 위성에 추진력을 제공하는 인공 위성 추진 장치(200)로서, 상기 추력 장치(100)의 도입 라인(140)에 공급되는 작동 유체를 저장하는 저장 탱크(210)와, 상기 토출 라인(150)에 장치되 어 작동 유체가 분사되는 노즐(N)과, 상기 도입 라인(140) 및 토출 라인(150)에 각각 장치되는 제1밸브(V1) 및 제2밸브(V2)를 포함하여, 인공위성에 추진력을 제공하게 된다.

본 실시예에서는 도 4에 나타난 바와 같이 저장 탱크(210)로서 구형의 형상을 가지는 것을 대상으로 하고 있으나, 이는 상기 작동 유체 즉 액체 추진제를 보다 효율적으로 저장할 수 있는 형상을 나타낸 것에 불과하다.

또한 상기 도입 라인(140)은 상기 저장 탱크(210)에 직접 연결되도록 하고 상기 토출 라인(150)은 노즐(N)에 직접 연결되도록 하였다.

한편 상기 도 4에서는 도면을 보다 명료하게 표현하기 위해 앞서 설명한 멤브레인(120)과 하우징(110) 그리고 히터(130)를 점선으로 표시된 블록으로 처리하였으며, 본 발명의 인공 위성 추력 장치(200)가 장치되는 인공 위성의 형상은 나타내지 않았다.

한편 상기 도입 라인(140)과 토출 라인(150)에는 제1밸브(V1)와 제2밸브(V2)를 장치하였다.

이상과 같은 본 발명의 인공 위성 추력 장치(200)에 의해 인공 위성에 추진력을 제공할 수 있는데, 이하 작동 방법에 대해 설명한다.

우선 상기 제1밸브(V1)를 개방하여 상기 저장 탱크(200)에 저장된 작동 유체(즉 액체 추진제)를 진공 상태인 상기 도입 라인(140)으로 투입하여 상기 작동 유체를 기화시키는 제1단계(S1)를 수행한다.

상기 작동 유체를 기화시키는 이유는 앞서 설명한 바와 같이 평균 자유 경로 를 증가시키기 위함이고 또한 단열 팽창으로 인한 온도 하강을 도모하여 온도 구배를 더욱 강화시킬 수 있기 때문이다.

상기 제1단계(S1)을 수행한 후 상기 추력 장치(100)의 토출 라인(150)을 통해 토출되는 작동 유체의 압력이 설정치까지 가압되도록 하는 제2단계(S2)를 수행한다.

즉, 앞서 설명한 바와 같이 멤브레인(120) 양측에 온도 구배가 발생하면 이에 의해 압력 구배가 발생하고 그 결과 작동 유체가 상기 멤브레인(120)을 거쳐 온도가 높은 토출 라인(150)측으로 유동하게 된다.

이때 상기 제2밸브(V2)는 닫힌 상태로 유지되므로 상기 토출 라인(150)내부의 압력이 상승하게 된다.

상술한 바와 같은 작동 유체의 압력이 설정치에 도달한 경우 상기 제2밸브(V2)를 일정시간 개방하여 상기 노즐(N)을 통해 외부로 상기 작동 유체를 분출하는 제3단계(S3)를 통해 인공 위성에 추진력을 공급하게 된다.

이상과 같은 본 발명의 인공 위성 추력 장치(200)에 의하는 경우 단순한 구성을 가지는 누센 펌프 추력 장치(100)를 이용한 바 중량을 경량화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 추진 시스템에 대한 개념도,

도 2는 누센 펌프의 원리를 도시하는 개념도,

도 3은 본 발명의 추진 장치에 대한 개념도,

도 4는 본 발명의 추진 장치를 사용한 인공 위성의 추진 장치에 대한 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 추력장치 110 : 하우징

120 : 멤브레인 121 홀

130 : 히터 131 : 열선

140 : 도입 라인 150 : 토출 라인

200 : 인공위성 추력 장치 210 : 저장 탱크

V1 : 제1밸브 V2 : 제2밸브

N : 노즐

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 다공성 물질로서 양측의 온도 구배에 의해 작동 유체의 압력 구배가 발생되는 멤브레인과,

   상기 멤브레인을 수용하는 하우징과,

   상기 하우징 일측에 장치되어 작동 유체가 도입되는 도입 라인과,

   상기 하우징 타측에 장치되는 것으로서 상기 작동 유체를 가열하여 상기 온도 구배를 발생시키는 히터와,

   상기 히터에 장치되는 것으로서, 상기 히터를 통과한 작동 유체가 토출되는 토출 라인을 포함하여,

   상기 온도 구배에 의해 발생된 압력 구배를 이용하여 추진력을 발생시키는 누센 펌프를 구비한 추력 장치와,

   상기 추력 장치를 이용한 것으로서

   상기 추력 장치의 도입 라인에 공급되는 작동 유체를 저장하는 저장 탱크와,

   상기 토출 라인에 장치되어 작동 유체가 분사되는 노즐과,

   상기 도입 라인 및 토출 라인에 각각 장치되는 제1밸브 및 제2밸브를 더 포함하여,

   인공위성에 추진력을 제공하는 것을 특징으로 하는 누센 펌프를 이용한 인공위성 추진 장치
4. 청구항 제 3 항에 기재된 인공 위성 추진 장치의 추진 방법으로서,

   상기 제1밸브를 개방하여 상기 저장 탱크에 저장된 작동 유체를 진공 상태인 상기 도입 라인으로 투입하여 상기 작동 유체를 기화시키는 제1단계와,

   상기 추력 장치의 토출 라인을 통해 토출되는 작동 유체의 압력이 설정치까지 가압되도록 하는 제2단계와,

   상기 작동 유체의 압력이 설정치에 도달한 경우 상기 제2밸브를 일정시간 개방하여 상기 노즐을 통해 외부로 상기 작동 유체를 분출하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공 위성 추진 방법.

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