KR101042456B1

KR101042456B1 - 로켓엔진용 조향가능한 노즐

Info

Publication number: KR101042456B1
Application number: KR1020047010201A
Authority: KR
Inventors: 안뚜완 에르비오; 미셸 베르드와예; 앙드레 뒤모르띠르; 필립 비
Original assignee: 에스엔에쎄엠아 프로폴지옹 솔리드
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2011-06-16
Also published as: KR20050016292A

Abstract

본 발명은 로켓엔진용 조향가능한 노즐에 관한 것으로, 이 노즐은 엔진의 연소실(12)의 뒤끝벽에 고정된 목부(16)와 움직이는 확산부(20)를 구비하고, 짐발조인트 장착부의 연결된 링크장치는 움직이는 확산부를 목부에 연결하면서 움직이는 확산부와 고정부가 각각의 구형상면(24a,16a)을 매개로 서로 접촉하게 하며, 액츄에이터장치(50a,50b)가 노즐의 움직이는 확산부에 작용하여서, 한쪽 구형상면 위에서 다른쪽 구형상면이 미끄럼이동함으로써 노즐의 방위를 조정하여 엔진의 추력벡터의 방향을 변경시킬 수 있고, 노즐의 움직이는 확산부(20)와 목부(16) 사이에 위치된 탄성있는 복귀수단(62,64)이 움직이는 확산부에 작용하여 이 확산부를 목부쪽으로 밀어부쳐서, 상기 구형상면들(24a,16a)이 노즐의 임의의 요구방위에 대해 서로 접촉되게 유지하도록 되어 있다.

Description

로켓엔진용 조향가능한 노즐 {Swivelling nozzle for a rocket engine}

본 발명은 로켓엔진용 노즐에 관한 것으로, 특히 본 발명의 적용분야는 한정되지는 않지만 대략 500mm 이하의 직경을 가진 전술미사일과 같은 미사일에 관련된다.

일반적으로, 조향(操向)가능한 노즐을 갖춘 로켓엔진은 뒤끝벽을 통해 밖으로 개방되는 연소실을 형성하는 케이싱과, 움직이는 확산부와 고정부인 목부를 갖춘 적어도 하나의 노즐, 상기 움직이는 확산부와 목부를 연결하는 연결된 링크장치 및, 그 방위를 변경시켜 궁극적으로 상기 연소실로부터 분사되는 연소가스에 의해 생성된 추력벡터의 방향을 변경시키도록 노즐에 작용하는 액츄에이터장치를 구비하고 있다.

알려진 상기 연결된 링크장치는 서로 접착된 탄성재료층과 번갈아 합성재료층 또는 금속더미로 이루어진 적층된 구형상 접합부를 이용한다. 이러한 링크장치는 탄성재료층의 전단변형에 의해 노즐이 케이싱에 대해 제한된 범위내에서 회전되게 할 수 있다. 적층된 접합부는 인장력에 대한 제한된 강도가 주어진다면, 연소가 스에 의해 노즐에 가해진 힘의 영향하에서 통상 압축응력을 받도록 장착되는데, 불행히도 어떤 구조에서는 적층된 접합부가 인장력을 받을 수 있다. 덧붙여, 적층된 접합부는 노화에 민감하고, 매우 넓은 범위의 온도를 견딜 수 있는 적층된 접합부를 만들기가 어렵다고 하는 문제점이 있었다.

이러한 단점을 극복하기 위해서, 노즐의 목부에 형성된 상보적인 구형상면과 직접 접촉하는 구형상면(볼과 소켓 시스템)이 있는 조향가능한 확산부를 갖춘 노즐이 제안되었는 바, 한쪽 구형상면 위에서 다른쪽 구형상면이 미끄럼이동함으로써 노즐에 있는 확산부의 방위가 변경되었다. 서로 접촉하는 노즐의 목부와 움직이는 확산부는 전형적으로 특히 고온에서 우수한 열-기계적 특성과 높은 내마모성을 나타내는 탄소/탄소 복합재료로 만들어진다. 이러한 장착부는 적층된 구형상 접합부를 갖춘 장착부의 단점은 방지하지만, 노즐에 있는 확산부의 모든 방위에 대해서 상기 접촉하는 구형상면들 사이에 기밀성이 갖추어져야 하는 문제점이 있게 되었다. 이를 해결하기 위해서는, 작동각도에 관계없이 볼과 소켓 사이에 영구적인 접촉이 이루어져 한다. 이러한 조향가능한 노즐에 대해 예비시험이 이행되었으며, 이 시험에서 상하요동과 좌우요동의 제어에 한계를 갖지만 그 개념은 실행가능하였는데, 볼이 프리스트레스(prestressed) 액츄에이터에 의해 소켓에 대해 압착되면 된다.

본 발명의 목적은 앞에서 설명한 적층된 구형상 접합부를 링크장치로 이용하 는 종래기술의 단점이 없는 로켓엔진용 조향가능한 노즐을 제공하고, 특히 튼튼하고 신뢰성 있으면서 노즐의 임의의 요구방위에 대해 접촉면에서 기밀성을 제공하는 연결된 장착부를 제공하는 것이다.

이 목적은 로켓엔진용 조향가능한 노즐에 의해 성취되는 바, 이는 뒤끝벽을 갖추고서 연소실을 둘러싸는 케이싱과, 움직이는 확산부와 상기 뒤끝벽에 고정된 목부를 갖춘 노즐, 이 노즐의 움직이는 확산부와 목부를 연결하면서 움직이는 확산부와 목부가 각각의 구형상면을 매개로 서로 접촉하게 하는 연결된 링크장치 및, 한쪽 구형상면 위에서 다른쪽 구형상면이 미끄럼이동함으로써 노즐의 방위를 조정하여 엔진의 추력벡터의 방향을 변경시킬 수 있도록 노즐의 움직이는 확산부에 작용하는 액츄에이터장치를 구비하되, 본 발명에 따른 조향가능한 노즐은 추가로 상기 움직이는 확산부와 목부 사이에 위치된 탄성있는 복귀수단을 구비하고, 이 복귀수단이 움직이는 확산부에 작용하여 이 확산부를 목부쪽으로 밀어부쳐서, 상기 구형상면들이 노즐의 임의의 요구방위에 대해 서로 접촉되게 유지하도록 되어 있다.

가해지는 탄성있는 복귀력에 의해, 서로에 대해 구형상면들을 압축시키는 비교적 안정된 힘이 작동동안 이행된 이동에 관계없이 확보될 수 있어서, 이들 구형상면 사이의 기밀성에 영향을 미치지 않고서 임의의 방향으로 작동이 일어나게 할 수 있다.

상기 링크장치는 링과, 2개의 제1힌지를 매개로 링에다 노즐의 움직이는 확산부를 연결하는 2개의 제1링크아암 및, 2개의 제2힌지를 매개로 링에다 노즐의 고정부인 목부를 연결하는 2개의 제2링크아암을 구비하는 카단(cardan)식인 짐발조인트(gimbal joint) 장착부로 될 수 있다.

또한, 상기 탄성있는 복귀수단은 제1링크아암에 일체로 형성될 수 있으며, 이들은 프리스트레스 스프링으로 이루어질 수 있다.

다른 실시예에서, 탄성있는 복귀수단은 적어도 부분적으로 조립체에서 탄성적으로 변형되는 예컨대 카단식인 짐발조인트 장착부의 링과 같이 링크장치의 탄성적으로 변형가능한 부품으로 이루어진다.

마찰저감 수단이 서로 접촉하는 구형상면들 사이에 있을 수 있는데, 이 마찰저감 수단은 예컨대 그래파이트 그리스(graphite grease)와 같은 윤활제로 이루어질 수 있다. 변형예에서, 마찰저감 수단은 예컨대 낮은 마찰계수를 가진 재료의 코팅부와 같이 구형상면들 사이의 접촉영역에 위치되고서 구형상면들 중 한쪽에 또는 양쪽에 형성된 코팅부나 윤활부로 이루어질 수 있다.

또, 상기 액츄에이터장치는 종래와 같이 선형액츄에이터나 실린더로 이루어질 수 있다. 변형예에서, 링크장치가 2개의 선회축을 가진 카단식인 짐발조인트 장착부로 된다면, 액츄에이터장치는 상기 축들을 직접 제어하기 위해 짐발조인트 장착부의 축 상에 위치된 회전액츄에이터를 구비한다.

적층된 구형상 접합부를 사용하는 종래의 장치와 비교하여 보면, 본 발명에 따른 조향가능한 노즐의 조립체는 상당한 장점들을 갖고 있는 바, 환경조건 및 노화면에서 더욱 영구적이고; 보다 큰 구형상의 접촉면적을 이용함으로써 큰 추력편향각도가 얻어질 수 있되, 이는 움직이는 확산부를 갖춘 장치에 본래 갖추어져 있 고 노즐 내부의 항공역학적 영향에 기인하여 증대된 추력편향의 현상과 조합되며; 적층된 접합부를 손상시킬 수 있으면서 본 발명의 노즐에 있는 접촉하는 구형상면들에 의해 흡수되는 안쪽으로 굽은 힘, 즉 움직이는 확산부의 상류끝 쪽으로 확산부에 작용하는 힘에 덜 민감하고; 비교적 값이 비싼 구성요소인 적층된 구형상 접합부를 사용하지 않을 뿐만 아니라 이와 관련되어야 하는 열보호부를 없앨 수 있게 된다.

본 발명은 첨부도면을 참조로 하여 기술된 다음 설명으로 더욱 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 로켓엔진의 부분적이고 개략적인 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시된 로켓엔진의 길이방향 단면도이다.

도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도이다.

도 1 내지 도 3은 고체추진제의 블록(도시되지 않음)이 수용된 연소실(12)을 둘러싸는 케이싱(10)을 갖춘 로켓엔진을 개략적으로 도시하고 있다. 이 연소실(12)은 그 뒤끝벽(14)을 통해 목부(16)와 확산부(20)를 구비한 노즐의 앞쪽으로 개방되어 있다.

목부(16)는 알맞은 노즐의 목 뿐만 아니라 집중부 및 확산부의 시작을 형성 하고, 예컨대 케이싱의 뒤끝벽(14)에 고정된 링(18)에 나사고정됨으로써 이 뒤끝벽(14)에 고정되게 된다.

또한, 목부(16)는 전형적으로 탄소/탄소 복합재료로 만들어지고, 링(18)은 전형적으로 단열성 복합재료로 만들어진다. 열보호층이 케이싱의 내부면에 구비된다. 이러한 연소실 구조는 본래 잘 알려져 있다.

노즐의 고정부에, 특히 목부(16)에 장착된 노즐의 확산부(20) 또는 적어도 그 일부는 움직일 수 있게 되어 있다. 알려진 바와 같이, 움직이는 확산부에 의해 조향가능한 노즐은 확산부의 주축의 실제 선회각에 대해 추력편향을 증대시킬 수 있게 한다는 점에서 이롭다.

이 움직이는 확산부(20)는 전형적으로 예컨대 페놀수지의 매트릭스를 갖춘 탄소 또는 실리카 보강섬유의 합성재로 만들어진 단열재료로 된 내부층(23)을 갖추고서 예컨대 금속으로 만들어진 케이싱(22)을 구비하고 있다. 그 상류끝에서, 움직이는 확산부(20)는 통상 탄소/탄소 복합재료로 만들어진 내부링의 형태로 된 부분(24)을 갖추고 있다.

목부(16)와 움직이는 확산부의 부분(24)은 노즐의 축(11) 상에 중심이 놓이는 각각의 구형상면(16a,24a)을 매개로 하여 서로 접촉하고 있다.

움직이는 확산부의 부분들(22,23,24)은 복합재료로 된 단일부품을 형성하도록 일체로 될 수 있다.

상기 노즐의 움직이는 확산부는 짐발조인트 장착부의 기계적인 링크를 매개로 하여 고정부인 목부에 연결되는 바, 이 링크는 케이싱의 끝벽 주위로 위치되고서 예컨대 금속으로 된 링(30)과, 노즐의 움직이는 확산부의 케이싱(22)에 고정되고 그 끝에서 2개의 힌지(36,38)를 매개로 링에 각각 연결되는 2개의 링크아암(32,34) 및, 링(30)에 고정되고 그 끝에서 연소실의 케이싱(10)의 끝벽(14)에 연결되어 궁극적으로 2개의 다른 힌지(46,48)를 매개로 노즐의 목부에 각각 연결되는 2개의 다른 링크아암(42,44)을 구비한다.

링크아암(32,34)과 힌지(36,38)는 축(11) 주위로 대향하는 위치에 놓이게 되는데, 힌지(36,38)의 축은 상기 축(11)에 직각인 평면에 놓이는 선회축(39)을 형성하게 된다.

마찬가지로, 링크아암(42,44)과 힌지(46,48)는 연소실의 축(21) 주위로 대향하는 위치에 놓이게 되는데, 힌지(46,48)의 축은 상기 축(21)에 직각인 평면에 놓이는 선회축(49)을 형성하게 된다. 이들 힌지(36,38,46,48)는 링 주위에 등각도로 떨어져 있어서, 선회축들(39,49)은 직각을 이룬다.

목부(16)와 부분(24)의 접합면(16b,24b)은 축(11)과 축(21) 사이에 있을 수 있는 각이동량을 제한하게 된다.

상기 노즐은 이 노즐의 확산부(20)의 케이싱(22)에 대해 지지하는 한쪽 끝과 연소실의 케이싱(10)에 대해 지지하는 반대쪽 끝을 갖춘 다수의 선형액츄에이터나 실린더, 또는 선회축(39,49) 상의 짐발조인트 장착부에 위치되어 짐발조인트 장착부의 2개의 선회축을 직접 조향할 수 있도록 된 다수의 회전액츄에이터에 의해 작동될 수 있다.

도시된 실시예에서, 힌지(52a,52b;54a,54b)를 매개로 하여 케이싱들(10,22)에 연결된 2개의 선형액츄에이터(50a,50b)가 구비되고, 이들 액츄에이터(50a,50b)의 축(51a,51b)을 포함하는 평면들은 이들 사이에 약 90°와 같은 각도를 형성한다.

변형예에서, 액츄에이터는 노즐의 움직이는 확산부(20)와 링(30) 사이에 장착될 수 있으며, 액츄에이터의 갯수도 2 이상이 될 수 있다.

본 발명에 따르면, 노즐을 통하는 가스흐름방향의 반대방향으로 노즐의 움직이는 확산부(20)에 작용하는 탄성있는 복귀수단이 구비되어, 노즐의 확산부에 대한 요구방위에 관계없이 구형상면들(16a,24a)이 영구적으로 서로 접촉할 수 있게 되어 있다. 따라서, 이들 구형상면(16a,24a) 사이의 기밀성이 축(11)에 대한 축(21)의 임의의 가능한 방위에 대해 유지된다.

도시된 실시예에서, 탄성있는 복귀수단은 압축의 프리스트레스가 부여되고서 링크아암(32,34)에 수용되는, 예컨대 접시스프링형의 스프링(62,64)으로 이루어진다.

특히, 각 링크아암(32,34)은 힌지(36,38)에 연결된 한쪽 끝과, 노즐의 확산부의 케이싱(22)에 고정된 돌출부(26,28)에 있는 구멍(26a,28a)을 관통하는 다른쪽 끝을 가진 로드(31,33)를 구비하고 있다.

이 다른쪽 끝은 로드의 끝에 나사고정된 너트(45,47)에 의해 보유지지되는데, 상기 스프링(62,64)이 너트(45,47)와 돌출부(26,28)의 사이에 위치된다. 예컨대, 스프링(62,64)은 상기 구멍(26a,28a)에 맞물리는 부싱(66,68)의 벌어진 끝에 수용된다.

이 부싱(66,68)은 구멍(26a,28a)에 삽입되고, 이들 구멍을 간극없이 관통하는 로드(31,33)를 갖추어서 로드(31,33)와 구멍(26a,28a) 사이에는 간극을 없애거나 적어도 줄이도록 되어 있고, 따라서 그 축(21) 주위로 있을 수 있는 상기 움직이는 확산부의 임의의 회전을 방지하게 된다.

스프링(62,64)의 압축의 프리스트레스는 노즐의 확산부(20)의 있을 수 있는 임의의 방위에 대해 구형상면들(16a,24a)의 서로에 대한 효율적인 회전을 보장하도록 결정되어진다.

액츄에이터(50a,50b)의 작용에 의해 조향가능한 노즐이 작동하는 동안, 접촉하는 구형상면들(16a,24a)이 서로에 대해 맞비비게 된다. 목부(16)와 부분(24) 사이의 마찰은 건조마찰로 될 수 있다. 또한, 예컨대 목부(16)의 나머지 구멍으로 적어도 부분적으로 관통하는 그래파이트 그리스와 같은 윤활제 또는 테프론(Teflon)에 기초로 한 재료와 같이, 소켓과 볼을 구성하는 2개의 구형상면 중 하나 또는 다른 하나의 소켓과 볼 사이의 접촉영역에 있는 코팅부나 윤활부와 같은 마찰저감 수단을 이용할 수도 있다.

스프링과 상이한 수단이 노즐의 모든 가능한 방위에 대해 엔진의 적절한 작동을 위해 필요한 탄성있는 복귀를 제공하도록 이용될 수 있다. 예컨대, 노즐의 고정된 목부에 움직이는 확산부를 연결하는 링크장치의 탄성적으로 변형가능한 부분에 의해 복귀될 수 있다.

따라서, 도 2에 도시된 실시예의 변형예에서는 스프링(62,64)을 이용하지 않고서 링(30)의 탄성변형으로 복귀될 수 있다. 이를 위해, 예컨대 강으로 만들어진 링(30)은 조여지는 너트(45,47)의 영향하에서 탄성적으로 변형될 수 있도록 결정되는 두께로 되거나 감소된 두께를 가진 부분들을 가질 수 있다.

Claims

뒤끝벽(14)을 갖추고서 연소실(12)을 둘러싸는 케이싱(10)과, 움직이는 확산부(20)와 상기 뒤끝벽에 고정된 목부(16)를 갖춘 노즐, 이 노즐의 움직이는 확산부를 목부에 연결하면서 움직이는 확산부와 목부가 각각의 구형상면(24a,16a)을 매개로 서로 접촉하게 하는 연결된 링크장치 및, 한쪽 구형상면 위에서 다른쪽 구형상면이 미끄럼이동함으로써 노즐의 방위를 조정하여 엔진의 추력벡터의 방향을 변경시킬 수 있도록 노즐의 움직이는 확산부에 작용하는 액츄에이터장치(50a,50b)를 구비하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐에 있어서,

상기 노즐의 움직이는 확산부(20)와 목부(16) 사이에는 탄성있는 복귀수단(62,64)이 위치되고, 이 복귀수단이 움직이는 확산부에 작용하여 이 확산부를 목부쪽으로 밀어부쳐서, 상기 구형상면들(24a,16a)이 노즐의 임의의 요구 방위(desired orientation)에 대해 서로 접촉되게 유지하도록 되어 있고,

상기 노즐의 임의의 요구 방위에 대해 서로 접촉되게 상기 구형상면들을 유지하기만 함으로써, 상기 움직이는 확산부(20)와 상기 목부(16) 사이의 기밀성을 확고히 할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제1항에 있어서, 상기 링크장치는 링(30)과, 2개의 제1힌지(36,38)를 매개로 링에다 노즐의 움직이는 확산부(20)를 연결하는 2개의 제1링크아암(32,34) 및, 2개의 제2힌지(46,48)를 매개로 케이싱의 뒤끝벽(14)에다 링(30)을 연결하는 2개의 제2링크아암(42,44)을 구비하는 짐발조인트 장착부이고,

상기 탄성있는 복귀수단(62,64)이 링크아암에 일체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제2항에 있어서, 상기 탄성있는 복귀수단(62,64)은 제1링크아암(32,34)에 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄성있는 복귀수단은 프리스트레스 스프링(62,64)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 탄성있는 복귀수단은, 조립체에서 탄성적으로 변형되는 상기 링크장치에 수용되는 적어도 부분적으로 탄성적으로 변형가능한 부품으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제5항에 있어서, 상기 탄성적으로 변형가능한 부품은 짐발조인트 장착부의 링으로 되는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 서로 접촉하는 구형상면들 사이에는 마찰저감 수단이 있는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제7항에 있어서, 상기 마찰저감 수단은 윤활제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제8항에 있어서, 상기 윤활제는 그래파이트 그리스(graphite grease)인 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제7항에 있어서, 상기 마찰저감 수단은 구형상면들 사이의 접촉영역에 있는 코팅부나 윤활부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링크장치는 2개의 선회축을 가진 짐발조인트 장착부이고, 상기 액츄에이터장치는 축들을 직접 조정하기 위해 짐발조인트 장착부의 축 상에 위치된 회전액츄에이터를 구비하는 것을 특징으로 하는 로켓엔진용 조향가능한 노즐.