KR101069553B1 - 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진과 그 추진 방법 - Google Patents

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조성권
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K9/00—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof
    • F02K9/42—Rocket-engine plants, i.e. plants carrying both fuel and oxidant therefor; Control thereof using liquid or gaseous propellants
    • F02K9/60—Constructional parts; Details not otherwise provided for
    • F02K9/62—Combustion or thrust chambers

Abstract

본 발명은 친환경 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기로 주입하여 촉매와의 반응을 통해 스팀과 산소로 분해시키고 분해 반응시 발생하는 반응열을 이용하여 액체 상태의 연료를 기화한 뒤 산소를 산화제로 이용하여 연료를 연소시켜 추진력을 얻는 이원추진제 로켓 엔진에 관한 것이다.
보다 구체적으로는 과산화수소 저장탱크; 연료 저장탱크; 내부에 과산화수소와 반응하는 활성 물질이 도포된 촉매가 충전되는 반응기; 상기 과산화수소 저장탱크와 상기 연료 저장탱크에 연결되고, 공급 입구와 분사기 및 상기 공급 입구의 중앙부에서 연장되는 중공 형태의 연료 공급관을 포함하며, 상기 분사기를 통해 상기 반응기로 과산화수소를 공급하고 상기 연료 공급관으로 연료를 공급하는 추진제 공급부; 상기 반응기를 통과하여 분해 반응에 의해 발생한 산소를 산화제로 이용하고 분해 반응열에 의해 기화된 연료를 연소시키는 연소 챔버; 및 상기 연소 챔버에서 발생한 생성물을 분사시키는 분사 노즐; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진에 관한 것이다.
과산화수소 분해, 점화 지연, 이원추진제, 로켓 엔진, 자연 점화

Description

과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진과 그 추진 방법{Bipropellant rocket engine using Heat of hydrogen peroxide decomposition and propulsion method thereof}
본 발명은 친환경 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기로 주입하여 촉매와의 반응을 통해 스팀과 산소로 분해시키고 분해 반응시 발생하는 반응열을 이용하여 액체 상태의 연료를 기화한 뒤 산소를 산화제로 이용하여 연료를 연소시켜 추진력을 얻는 이원추진제 로켓 엔진에 관한 것이다.
로켓 엔진은 설계한 추력을 발생시키는 장치로서 추력기를 포함하는 개념이며 로켓 발사체 또는 인공위성 등에 부착되어 설정한 비행 궤도를 따라 비행하도록 해주는 장치이다. 로켓 엔진은 하나의 추진제만으로 구동하는 단일추진제 로켓 엔진과 산화제를 이용하여 연료를 연소시키는 이원추진제 로켓 엔진으로 나누어 질 수 있다.
종래의 이원추진제 로켓 엔진의 경우,
첫째, 고온의 산화제 유동 흐름에 액상 연료를 분사하여 점화하며 이에 따라 액상의 연료가 기화되는 시간을 포함한 점화 시간을 확보하기 위해 화염 안정기 등을 이용하여 와류를 형성하고 점화하였다. 따라서 별도의 장치 구성으로 인해 고비용 및 고중량의 문제가 있고 점화의 신뢰성이 낮은 단점이 있다.
둘째, 액체 상태의 연료를 기화할 때 액적이 남은 경우 연소 지연시간이 길어지고 액적 상태의 연료가 많을수록 불완전 연소율이 높아져 로켓 엔진의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 별도의 점화 장치를 구성하지 않고도 액체 상태의 연료를 기체 상태의 활성 연료로 변환하여 점화의 신뢰성을 높이고 연료의 불완전 연소율을 최소화하며 장치 구성의 단순화로 비용 절감 효과가 있는 이원추진제 로켓 엔진의 개발이 요구된다.
본 발명은 분해 반응열을 이용하여 액체 상태의 연료를 기체 상태의 연료로 변환시켜 공급하는 이원추진제 로켓 엔진을 제공하고자 한다.
본 발명은 별도의 점화 장치가 필요 없어 점화 신뢰성이 높으며 연료의 완전 연소율을 극대화할 수 있는 이원추진제 로켓 엔진을 제공하고자 한다.
본 발명은 과산화수소 저장탱크(1100); 연료 저장탱크(1200); 내부에 과산화수소와 반응하는 활성 물질(1412)이 도포된 촉매(1410)가 충전되는 반응기(1400); 상기 과산화수소 저장탱크(1100)와 상기 연료 저장탱크(1200)에 연결되고, 공급 입구(1320)와 분사기(1340) 및 상기 공급 입구(1320)의 중앙부에서 연장되는 중공 형태의 연료 공급관(1310)을 포함하며, 상기 분사기(1340)를 통해 상기 반응기(1400)로 과산화수소를 공급하고 상기 연료 공급관(1310)으로 연료를 공급하는 추진제 공급부(1300); 상기 반응기(1400)를 통과하여 분해 반응에 의해 발생한 산소를 산화제로 이용하고 분해 반응열에 의해 기화된 연료를 연소시키는 연소 챔버(1600); 및 상기 연소 챔버(1600)에서 발생한 생성물을 분사시키는 분사 노즐(1700); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 반응기(1400)와 연소 챔버(1600)사이에 형성되되 일면이 상기 연료 공급관(1310)과 연결되고 샤워헤드 형태의 다수개의 오리피스(1510)가 분 포되어 가공된 분배기(1500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 오리피스(1510)는 홀이 소정 간격을 두고 이격되어 원형으로 배열되되 상기 분배기(1500)의 중심측에 배열된 홀보다 원주측에 배열된 홀이 더 큰 직경을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 분배기(1500)는 상기 연료 공급관(1310)과 연결된 측에 형성되는 제 1 분배기(1520)와 대향되는 측면에 형성되는 제 2 분배기(1530)가 결합되어 형성되고, 상기 제 1 분배기(1520)는 상기 연료 공급관(1310)에서 상기 제 1 분배기(1520)의 원주측 방향을 향하여 방사형으로 다수개 연장되는 중공 형태의 열전달 촉진관(1521)과 상기 열전달 촉진관(1521)의 끝단에서 상기 제 2 분배기(1530)와 결합되는 측을 향하여 형성되는 제 1 연료홀(1522)을 포함하며, 상기 제 2 분배기(1530)는 상기 제 1 연료홀(1522)과 연결되는 위치에 형성되는 제 2 연료홀(1532)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 연료 공급관(1310)의 내부에는 펠렛 또는 비드 형태의 열매개체(1311)가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 비드 형태의 열매개체(1311)는 직경이 300 ~ 5000 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 분배기(1500)와 상기 연료 공급관(1310)은 구리 또는 구리 합금으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 연료 공급관(1310)은 상기 반응기(1400)의 내부에서 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 상기 반응기(1400)는 내부에 촉매(1410)가 충전되고 상기 촉매(1410)는 펠렛 또는 그레인 형상의 마이크로비드인 지지체(1411)에 과산화수소와 반응하는 활성 물질(1412)이 도포되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매(1410)의 지지체(1411)는 직경이 300 ~ 5000 마이크로미터인 다공성 펠렛 형태의 마이크로비드인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매(1410)의 활성 물질(1412)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합이고, 상기 촉매(1410)의 지지체(1411)는 무기 산화물인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 연료 저장탱크(1200)에 수용되는 연료는 케로신, RP 로켓연료, 알코올계 에탄올, 메탄올 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 결합인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 (a) 과산화수소 저장탱크(1100)와 연료 저장탱크(1200)로부터 공급받은 과산화수소와 연료를 주입하되 과산화수소는 설정된 압력으로 가압하여 분사기(1340)를 통해 반응기(1400)로 주입하고 연료는 설정된 압력으로 가압하여 연료 공급관(1310)으로 주입하는 단계; (b) 상기 반응기(1400)에서 촉매(1410)를 이용하여 과산화수소를 수증기와 산소로 분해시키고 분해 반응시 발생하는 분해 반응열을 이용하여 액상의 연료를 기체 상태로 변환시키는 과산화수소 분해 및 연료 기화 단계; (c) 상기 (b)단계에서 발생한 산소를 산화제로 이용하여 기체 상태의 연료를 연소 챔버(1600)내에서 연소시키는 연소 단계; (d) 상기 (c)단계에서 연소에 의해 발생한 생성물을 분사 노즐(1700)을 통해 분사시켜 추진력을 얻는 분사 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 이원추진제 로켓 엔진은,
첫째, 과산화수소 분해 반응열을 이용하여 액체 상태의 연료를 기체 상태로 변환한 뒤 연소 챔버에 공급하므로 별도의 점화 장치나 연소 지연시간을 고려한 장치가 불필요하여 단순화, 경량화된 시스템을 구현할 수 있으며 비용 절감의 효과가 있다.
둘째, 연료 공급과정에서 연료 공급관과 분배기의 구성에 의해 액체 상태의 연료에 충분한 열전달이 되므로 연소 지연시간과 불완전 연소율을 최소화하여 점화의 신뢰성을 높이고 엔진 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로 로켓은 연료를 태워서 만드는 고압가스를 내뿜어 추진력을 얻는 장치이며 이와 같은 방식의 엔진을 로켓 엔진 이라한다. 로켓 엔진은 크기에 비해 가장 큰 힘을 내는 엔진으로서, 같은 크기의 자동차 엔진보다 3,000배 이상의 힘을 낸다. 로켓은 매우 큰 힘을 내는 만큼 연료가 빨리 연소되므로 짧은 시간동안 많은 연료를 소모하고, 높은 온도를 발생시킨다. 따라서, 로켓 기관은 높은 온도와 높은 압력, 그리고 강한 힘에 견디면서도 가벼워야 하기 때문에 매우 복잡하고 어려운 기술이 필요하다.
로켓의 작동 원리는 작용-반작용의 법칙으로, 물체에 어떤 힘이 가해져서 작용이 생기면 크기는 같지만 방향이 반대인 반작용이 생기는 것을 이용하여 강력한 로켓이 앞으로 나아갈 수 있도록 하는 것이다. 로켓의 연소실에서 추진제가 연소되면 매우 빠르게 팽창하는 가스가 생성되며, 이 팽창 가스의 압력은 로켓 안의 모든 방향으로 균일하게 작용하고, 어떤 한 방향으로 가해지는 압력은 그 반대 방향으로 가해지는 압력과 균형을 이룬다. 하지만 로켓 뒤쪽으로 흐르는 가스는 노즐을 통해 내뿜어져 로켓 앞쪽의 압력과 균형을 이루지 못하게 되어 발생하는 압력차로 로켓이 앞으로 나아간다. 노즐을 통해 내뿜어지는 가스가 뉴턴의 운동 법칙에서 말하는 '작용'에 해당하고, 내뿜어지는 가스의 반대쪽인 진행 방향으로 로켓을 미는 추진력이 '반작용'에 해당한다.
로켓은 추진 방식에 따라 액체 연료에 의한 방법과 고체 연료에 의한 방법 크게 두 가지로 나뉜다. 액체 연료에 의한 추진 방법은, 기체 내에 채워져 있는 연료와 산화제의 연소에 의해서 발생한 가스를 분출하면서 생성되는 가스를 기체 후방으로 고속 분출시켜 그 반동력으로 전진을 하며, 고체 연료에 의한 추진 방법은, 기체 내에 채워져 있는 고체연료의 연소에 의해서 그 추진력을 이용하여 전진하게 된다. 상기 두 가지 추진 방법 중 단위 질량의 추진제로 낼 수 있는 추력을 정의하는 비추력은 고체 연료 로켓보다 액체 연료 로켓이 크고 추력 조절이 용이하므로 우주 산업에서는 액체 연료를 추진제로 사용하는 경우가 많다.
또한, 액체 연료에 의한 추진 방법에서도 하나의 추진제만으로 추력을 얻는 단일추진제 방식과 연료와 산화제의 두 개의 추진제를 구비하여 산화제를 이용하여 연료를 연소시켜 추력을 얻는 이원추진제 방식이 있다. 단일추진제 방식의 경우 시스템의 간소화, 경량화 면에서 우수하나 추진제 단위 질량당 생성되는 비추력이 상대적으로 적은 반면 이원추진제 방식의 경우 시스템이 복잡해질 수 있으나 단일추진제 방식에 비해 비추력이 2배 가량 높아 효율적이다. 이하에서는 액체 연료를 사용하며 이원추진제 방식인 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명에 의한 이원추진제 로켓 엔진의 주요부를 나타낸 분해 결합도를, 도 2 는 본 발명에 의한 이원추진제 로켓 엔진의 결합 상태를 나타낸 단면도를, 도 3 은 본 발명에 의한 분사기의 정면도를, 도 4 는 본 발명에 의한 분배기의 구조와 결합 상태를 나타낸 사시도를, 도 5 는 본 발명에 의한 제 1 분배기의 정면도를, 도 6 은 본 발명에 의한 제 2 분배기의 정면도를, 도 7 은 본 발명에 의한 연료 공급관 내부에 열매개체가 포함된 상태를 나타내는 단면도를, 도 8 은 본 발명에 의한 연료 공급관이 반응기의 내부에서 나선형으로 형성되는 상태를 나타내는 분해 결합도를, 도 9 는 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도를, 도 10 은 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도를, 도 11 은 본 발명에 의한 이원추진제 로켓 엔진의 추진 방법을 나타내는 블록선도를 나타낸다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진(1000)은 과산화수소 저장탱크(1100), 연료 저장탱크(1200), 반응기(1400), 추진 제 공급부(1300), 연소 챔버(1600), 분사 노즐(1700)을 포함할 수 있고 분배기(1500)를 선택적으로 포함할 수 있다. 이하 구체적으로 살펴본다.
도 2 를 참조하면 상기 과산화수소 저장탱크(1100)는 과산화수소(hydrogen peroxide)를 보관하고 있는 저장용 탱크이며 도 2 는 결합 상태를 나타낸 도시이므로 저장 탱크의 형상은 정육면체, 직육면체, 구, 원기둥 등 다양한 형상으로 이루어 질 수 있다. 종래의 추진제 저장탱크의 경우 높은 압력에서 견디도록 두꺼운 탱크 벽을 구성해야 하므로 고강도 금속재질로 하였으나 상기 과산화수소 저장탱크(1100)는 탱크 벽의 내면을 금속 재질로 구성하고 외면을 복합 소재로 구성하는 것 또한 가능하다. 탱크 벽 내면을 구성하는 금속 재질은 추진제인 과산화수소(hydrogen peroxide)와 호환성을 지니는 금속 재료의 범위 내에서 다양할 수 있으며, 탱크 벽의 외면을 구성하는 복합 소재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 케블라 등으로 경량화에 기여하면서 높은 압력에서 견딜 수 있는 재료의 범위 내에서 다양한 소재일 수 있다.
도 2 를 참조하면 상기 연료 저장탱크(1200)는 로켓 엔진 연소를 위한 연료를 보관하고 있는 저장용 탱크이며 도 2 는 결합 상태를 나타낸 도시이므로 저장 탱크의 형상은 정육면체, 직육면체, 구, 원기둥 등 다양한 형상으로 이루어 질 수 있다. 상기 연료 저장탱크(1200)에는 액체 상태의 연료를 수용하며 상기 연소 챔버(1600)로 주입시 기체 상태로 기화되는데 이에 대해서는 후술하기로 한다. 상기 연료 저장탱크(1200)에 저장되는 액상의 연료로는 케로신(Kerosene), RP-1 RP-3 RP-8 등의 로켓 연료 시리즈, 알코올(Alcohol) 계열의 에탄올(Ethanol) 등이 있다. 또한, 메탄올(Methanol) 등과 같이 상온에서 기체 상태가 되는 연료를 사용할 수도 있다.
상기 과산화수소 저장탱크(1100)와 연료 저장탱크(1200)에서의 공급량을 조절하기 위해 밸브(도면 미도시)가 형성될 수 있다. 상기 밸브(도면 미도시)는 글로브 밸브나 앵글 밸브와 같은 스톱 밸브, 평행 슬라이드 밸브, 웨지 밸브, 체크 밸브, 감압 밸브, 이스케이프 밸브, 안전 밸브, 스로틀 밸브 등 다양한 형태일 수 있으며 그 재료는 과산화수소, 연료와 반응하지 않는 금속 재료 범위 내에서 다양할 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 반응기(1400) 내부에는 촉매(1410)가 충전되어 있고 상기 촉매(1410)는 지지체(1411)와 활성 물질(1412)로 형성될 수 있다. 상기 반응기(1400)의 중앙부에는 연료 공급관(1310)이 관통하여 형성되므로 상기 반응기(1400)의 내부에서 상기 연료 공급관(1310)이 차지하는 공간을 제외한 나머지 공간에 상기 촉매(1410)가 충전되어 있는 것이 바람직하다. 상기 반응기(1400)에서는 과산화수소(hydrogen peroxide) 분해 반응이 일어난다. 과산화수소(hydrogen peroxide) 분해 반응식은 다음과 같으며 이는 발열 반응이다.
2H2O2 -> 2H2O + O2
분해 반응시 발생하는 물과 산소는 고온의 상태이며 물은 기체 상태의 수증기일 수 있다.
상기 반응기(1400)에서 발생하는 과산화수소 분해 반응은 고온, 고압의 가스 를 생성하는 점에서 그 특성이 연소 반응과 유사하다. 과산화수소 분해 반응에서 촉매를 이용하는 방법은 액상의 과산화수소와 액상의 촉매를 동시에 분사하여 반응시키는 방식인 액체-액체형(liquid-liquid type)이 있으나 수분에 의해 효율이 저하되는 점, 공급관을 두 개 설치하여 간결하지 아니한 점 등 단점이 있다. 따라서, 고체 상태의 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 촉매나 스크린(screen) 형태의 촉매를 많이 사용하게 된다. 전자인 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 촉매의 경우 덩어리진 고체 촉매에 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분사하여 반응시키는 방식이다. 이 방식은 과산화수소(hydrogen peroxide)와 촉매의 접촉 면적이 크고 물질 전달이 용이하여 과산화수소(hydrogen peroxide)의 분해 반응에서 뛰어난 효과를 기대할 수 있다는 장점이 있다. 후자인 스크린(screen) 형태의 촉매의 경우 와이어가 직조된 스크린(screen)을 적층하여 고압으로 압축시킨 팩을 사용하는 방식으로서 분해 반응에서 펠렛 촉매와 같이 분쇄되지 않아 내구성이 좋다는 장점이 있다. 따라서, 시스템의 가동 조건에 따라 촉매를 선택할 수 있으나 상기 이원추진제 로켓 엔진(1000)에서 높은 추력을 얻기 위해서는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 촉매를 선택하여 사용함이 바람직하다.
도 9 를 참조하면 상기 촉매(1410)는 상기 지지체(1411)를 구성하는 넓은 표면적을 지닌 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드 표면에 상기 활성 물질(1412)을 코팅시켜 형성된다. 상기 활성 물질(1412)은 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하는 물질이다. 상기 활성 물질(1412)은 백금(platinum), 은(silver), 파라듐( palladium), 이리듐(iridium) 등과 같은 귀금 속 계열 금속이거나 산화망간(manganese oxide), 산화철(oxidized steel) 등과 같은 전이금속(transition metal)의 산화물중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합이 될 수 있다. 상기 활성 물질(1412)은 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하여 기체 상태의 수증기와 산소를 발생시킨다. 도 2 를 참조하면 기존의 스크린(screen) 또는 모노리스(monolith) 형태의 촉매에 비하여 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 상기 촉매(1410)를 사용하면 입자들 사이로의 기질의 이동이 용이하여 추진제의 분해속도가 빨라진다. 또한, 기존의 은 스크린(silver screen) 형태 촉매의 경우 촉매 표면적을 증가시키는데 한계가 있었으나 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 상기 촉매(1410)를 사용하면 월등한 촉매 표면적을 가질 수 있어 추진제의 분해 속도가 빨라지고 추진제 유량의 증가로 인해 고성능 로켓 엔진을 구현할 수 있다.
도 10 을 참조하면 펠렛(pellet) 형태의 상기 촉매(1410)는 다공성(多孔性)일 수 있다. 상기 지지체(1411)를 구성하는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드는 다수개의 구멍이 뚫려 있고 그 위에 상기 활성 물질(1412)을 코팅시켜 형성된다. 따라서, 공극이 최대가 되고 과산화수소(hydrogen peroxide)와 그레인(grain) 형태의 상기 활성 물질(1412) 입자간 접촉 면적도 극대화되어 반응속도가 빨라질 수 있다. 이에 따라, 추진제 유량이 증가되고 상기 이원추진제 로켓 엔진(1000)의 효율을 높일 수 있다. 도 9 및 도 10 을 참조하면 상기 지지체(1411)는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드일 수 있다. 상기 지지체(1411)의 구직경은 추진제의 분해 효율에 큰 영향을 미치며 300 ~ 5000 마이크로 미터인 것이 바람직하다. 다수의 펠렛(pellet)의 직경을 실질적으로 동일하게 함으로써 펠렛(pellet)의 생산비를 절감할 수 있다. 반면에, 서로 직경이 다르고 수가 동일한 2종류의 펠렛(pellet)을 사용함으로써 입자상 물질의 포집율의 면에서 우수한 결과를 얻을 수도 있다. 상기 지지체(1411)는 물리화학적 특성이 우수해야 하며, 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하지 않아야 하므로 알루미나(aluminum oxide), 실리카(silicon dioxide), 티타니아(titania) 등과 같은 무기 산화물인 것이 바람직하다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 반응기(1400)의 중공된 일 측면에 상기 추진제 공급부(1300)가 형성될 수 있고, 상기 반응기(1400)의 대향되는 타 측면에 상기 분배기(1500)가 형성될 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 추진제 공급부(1300)는 과산화수소 저장탱크(1100) 및 연료 저장탱크(1200)와 연결된다. 상기 추진제 공급부(1300)는 연료 공급관(1310), 공급 입구(1320), 분사기(1340)를 포함하며 입구 개스킷(1330)을 선택적으로 포함할 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 연료 공급관(1310)은 상기 공급 입구(1320)의 중앙부에서 연장되는 중공 형태의 관으로 끝단은 상기 분배기(1500)와 연결된다. 상기 연료 공급관(1310)은 상기 반응기(1400)의 내부를 관통하여 형성되며 상기 연료 공급관(1310)의 내부로 이송되는 연료는 상기 반응기(1400)에서 발생하는 과산화수소 분해 반응의 반응열에 의해 기화된다. 도 8 을 참조하면 상기 연료 공급관(1310)은 상기 공급 입구(1320)와 분배기(1500)를 연결하되 상기 반응기(1400) 의 내부에서 나선형으로 형성될 수 있다. 상기 연료 공급관(1310)의 연료 이송을 방해하지 않으면서 동시에 상기 연료 공급관(1310)이 상기 반응기(1400)를 통과하는 경로를 연장하여 열전달 효율을 높이기 위함이다. 상기 연료 공급관(1310)의 내부와 상기 반응기(1400) 내부의 열전달률을 높이기 위해 상기 연료 공급관(1310)은 열전도율이 높고 과산화수소 분해 반응에 견딜 수 있도록 내열성을 지닌 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 연료 공급관(1310)의 재질로 구리 또는 구리 합금 등을 사용할 수 있다.
도 7 을 참조하면 상기 연료 공급관(1310)의 내부에는 펠렛 또는 비드 형태의 열매개체(1311)가 형성될 수 있다. 상기 열매개체(1311)는 과산화수소 분해 반응이 발생하는 상기 반응기(1400)의 내부에 위치한 상기 연료 공급관(1310) 내부에 구비되므로 내열성이 뛰어나고 열전달률이 높은 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 이를 위해 상기 열매개체(1311)는 직경이 300 ~ 5000 마이크로미터의 비드 형태의 알루미나를 사용하거나 스펀지 형태의 금속 폼(metal form)을 상기 연료 공급관(1310)에 채워 넣어 사용하는 실시예를 고려해 볼 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 공급 입구(1320)는 산화제를 생성하기 위한 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 상기 과산화수소 저장탱크(1100)로부터 공급받아 상기 분사기(1340)로 전달할 수 있도록 주입구가 상기 분사기(1340)의 일 측면과 맞닿아 있으며 상기 반응기(1400)의 중공된 일 측면을 봉쇄하여 상기 반응기(1400)의 마개 역할도 겸하고 있다. 또한 상기 공급 입구(1320)는 상기 연료 저장탱크(1200)로부터 액체 상태의 연료를 공급받아 상기 공급 입구(1320)의 중앙부 에서 연장된 상기 연료 공급관(1310)으로 액체 상태의 연료를 이송하기도 한다.
도 1 을 참조하면 상기 입구 개스킷(1330)은 상기 공급 입구(1320)와 분사기(1340)의 사이에 형성되는 것이 바람직하며 상기 공급 입구(1320)의 주입방향 측면의 직경보다 작도록 형성되어 상기 공급 입구(1320)에 결합될 수 있다. 상기 입구 개스킷(1330)은 주입되는 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 특히, 본 발명의 경우 고농도의 과산화수소(hydrogen peroxide)로 대기압보다 높은 압력을 가해 제작될 수 있으므로 압력 차이로 인한 유출 위험이 따르게 되며 상기 입구 개스킷(1330)이 이를 방지한다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 분사기(1340)는 일 측면이 상기 공급 입구(1320)의 주입구와 맞닿아 있으며 타 측면은 상기 반응기(1400)를 봉쇄하여 상기 촉매(1410)들이 이탈하지 않도록 마개 역할을 겸하고 있다. 상기 분사기(1340)의 중앙부는 중공 형태로 상기 연료 공급관(1310)이 관통하도록 형성되는 것이 바람직하다. 상기 분사기(1340)는 고농도의 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기 내부로 균일하게 공급해 주는 역할을 한다. 도 3 을 참조하면 상기 분사기(1340)는 평판에 샤워 헤드(shower head)형태로 다수개의 오리피스(1341)가 균일하게 분포되어 가공되어 있는 형상인 것이 바람직하다. 상기 공급 입구(1320)로부터 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 불규칙하게 불연속적으로 주입되더라도 상기 분사기(1340)에서 분량을 조절하여 상기 반응기(1400) 내부로 균일하게 공급해야 하므로 상기 오리피스(1341)는 상기 분사기(1340)상에 균일한 분포로 가공되어야 한다. 또한, 상기 분사기(1340)를 통해 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)는 촉매(1410)와 반응하기 쉬운 기체 상태로 변환되어야 하며 상기 촉매(1410)와 반응을 극대화하여 추진제의 유속을 증가시켜야 한다. 이를 위해 상기 오리피스(1341)의 직경은 10 ~ 2000 마이크로미터인 것이 바람직하다.
도 1, 도 2, 도 4 내지 도 6 을 참조하면 상기 분배기(1500)는 상기 반응기(1400)와 연소 챔버(1600) 사이에 형성될 수 있다. 상기 분배기(1500)는 일면이 상기 연료 공급관(1310)과 연결되고 샤워헤드 형태의 다수개의 오리피스(1510)가 분포되어 가공되는 것이 바람직하다. 또한 상기 반응기(1400)에서 분해 반응의 결과물로 발생한 수증기와 산소가 불규칙하게 불연속적으로 주입되더라도 상기 분배기(1500)에서 이를 조절하여 상기 연소 챔버(1600) 내부로 균일하게 공급해야 하므로 상기 오리피스(1510)는 상기 분배기(1500) 상에서 동일한 간격으로 이격되어 균일한 분포로 가공되는 것이 바람직하다. 상기 오리피스(1510)의 직경은 1000 ~ 8000 마이크로미터인 것이 바람직하나 설계에 따라 다양한 직경으로 설계될 수 있음은 물론이다.
도 4 내지 도 6 을 참조하면 상기 분배기(1500)에는 소정 간격으로 이격되어 원형으로 배열된 다수개의 오리피스(1510)가 형성된다. 상기 오리피스(1510)는 원형으로 배열된 오리피스(1510) 간에는 동일한 직경을 갖고 상기 분배기(1500)의 중심측에서 원형으로 배열된 오리피스(1510)의 직경보다 상기 분배기(1500)의 원주측에서 원형으로 배열된 오리피스(1510)의 직경이 더 큰 것이 바람직하다. 도 4 내지 도 6 을 참조하면 상기 분배기(1500)는 상기 연료 공급관(1310)에 연결된 측인 제 1 분배기(1520)와 상기 제 1 분배기(1520)와 대향되는 측면에 형성되는 제 2 분배 기(1530)가 결합되어 형성될 수 있다. 도 5 를 참조하면 상기 제 1 분배기(1520)는 상기 제 1 분배기(1520)의 원주측 방향을 향하여 방사형으로 다수개 연장되는 중공 형태의 열전달 촉진관(1521)과 상기 열전달 촉진관(1521)의 끝단에서 상기 제 2 분배기(1530)와 결합되는 측을 향하여 형성되는 제 1 연료홀(1522)을 구비할 수 있다. 도 6 을 참조하면 상기 제 2 분배기(1530)는 상기 제 1 연료홀(1522)과 연결되는 위치에 형성되는 제 2 연료홀(1532)을 구비할 수 있다. 상기 반응기(1400) 내부를 관통하는 상기 연료 공급관(1310)을 통해 액체 상태의 연료를 기화시키는데 액체 상태의 연료가 잔존하게 되는 경우 종래의 기술에서 발생하던 점화 지연시간이 발생하거나 불완전 연소율이 높아지게 된다. 따라서 연료의 기화율을 높이기 위해 상기 열전달 촉진관(1521)이 형성될 수 있다. 도 4 및 도 5 를 참조하면 상기 열전달 촉진관(1521)은 상기 연료 공급관(1310)과 연결되어 연료를 공급받으며 상기 제 1 분배기(1520)의 원주측 방향을 향하여 방사형으로 뻗어나가되 상기 제 1 분배기(1520)의 내부로 유동하도록 원통형으로 형성되는 것이 바람직하다. 잔존하던 액체 상태의 연료는 방사형으로 형성된 상기 열전달 촉진관(1521)을 통과하면서 기체 상태로 상태 변환할 수 있다. 방사형으로 형성된 상기 열전달 촉진관(1521)의 끝단에는 상기 제 2 분배기(1530)가 형성된 측으로 천공되는 상기 제 1 연료홀(1522)이 형성되고 상기 제 1 연료홀(1522)은 상기 제 2 분배기(1530)에 형성된 상기 제 2 연료홀(1532)과 맞닿아 연결될 수 있다. 따라서 상기 열전달 촉진관(1521)을 통해 유동하면서 기체 상태로 변환된 연료는 상기 제 1 연료홀(1522)과 제 2 연료홀(1532)을 차례로 통과하면서 상기 연소 챔버(1600)로 분사될 수 있다.
상기 분배기(1500)는 상기 반응기(1400)에서 분해 반응에 의해 발생한 산소 및 수증기와 상기 연료 공급관(1310)을 통해 이송되면서 액체 상태에서 기체 상태로 변환된 연료를 상기 연소 챔버(1600)로 공급하는 역할을 한다. 이때 기체 상태의 연료와 산화제인 산소를 적절히 혼합해야 높은 연소 효율을 얻을 수 있는데 상기 분배기(1500)에서 이를 수행하는 것이 바람직하다. 상기 분배기(1500)에 천공된 상기 오리피스(1510)로 분해 반응에 의한 결과물인 수증기와 산소를 통과시키면 와류가 형성될 수 있다. 또한 상기 오리피스(1510)를 통해 분사되는 수증기와 산소의 분사 속도와 상기 제 1 연료홀(1522)과 제 2 연료홀(1532)을 거쳐 분사되는 기체 상태 연료의 분사 속도가 서로 다르기 때문에 켈빈-헬름홀츠 불안정성(Kelvin-Helmholtz instability)에 따른다. 상술한 와류와 켈빈-헬름홀츠 불안정성(Kelvin-Helmholtz instability)의 복합적인 영향에 의해 연료와 산화제의 혼합률이 높아질 수 있다. 상기 분배기(1500)의 재질은 열전달률과 내열성이 높은 재질인 구리 또는 구리 합금 등으로 형성되는 것이 바람직하며 이에 대해서는 상기 연료 공급관(1310)의 재질과 동일할 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 연소 챔버(1600)는 상기 반응기(1400)에서 발생한 분해 반응의 결과물인 산소를 산화제로 이용하여 상기 연료 공급관(1310), 열전달 촉진관(1521), 제 1 연료홀(1522), 제 2 연료홀(1532)을 차례로 통과하면서 기체 상태로 변환된 기상의 연료를 연소시킨다. 상기 분배기(1500)와 연소 챔버(1600)의 사이에는 출구 개스킷(1550)이 선택적으로 형성될 수 있으며 상기 분배기(1500)를 통과한 산소, 수증기와 기체 상태의 연료가 외부로 유출되는 것을 방지 하는 역할을 한다. 특히 분해 반응을 통해 발생한 수증기 및 산소와 반응열에 의해 기화된 연료는 대기압보다 높은 압력을 갖게 될 수 있으므로 압력 차이로 인한 유출 위험이 따르게 되며 상기 출구 개스킷(1550)이 이를 방지할 수 있다.
도 1 및 도 2 를 참조하면 상기 분사 노즐(1700)은 상기 연소 챔버(1600)와 반응기(1400)가 연결된 측면의 대향되는 측면에 연결되어 상기 연소 챔버(1600)에서 연소에 의해 발생한 생성물을 분사시켜 추진력을 얻는다. 상기 분사 노즐(1700)은 일반적인 로켓 엔진에서 사용되는 분사 노즐과 동일하므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11 을 참조하면 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진의 추진 방법은 다음과 같다.
(a)단계
과산화수소 저장탱크(1100)에서 과산화수소를 공급받아 설정된 압력으로 가압하여 분사기(1340)를 통해 반응기(1400)로 주입하고 연료 저장탱크(1200)에서 액체 상태의 연료를 공급받아 설정된 압력으로 가압하여 연료 공급관(1310)으로 주입한다.
(b)단계
상기 반응기(1400)에서 촉매(1410)를 이용하여 과산화수소를 수증기와 산소로 분해시키고 과산화수소 분해 반응시 발생하는 분해 반응열을 이용하여 연료 공급관(1310), 열전달 촉진관(1521)을 통해 유동하는 액상의 연료를 기체 상태의 연 료로 상태 변환시킨다.
(c)단계
분배기(1500)에 형성된 오리피스(1510)를 통해 수증기와 산소를 연소 챔버(1600)로 분사시키고 상기 열전달 촉진관(1521)을 거쳐 기화된 연료는 제 1 연료홀(1522)과 제 2 연료홀(1532)을 통하여 상기 연소 챔버(1600)로 분사되며 상기 (b)단계에서 발생한 산소를 산화제로 이용하여 기체 상태의 연료를 연소시킨다.
(d)단계
상기 (c)단계에서 연소에 의해 발생한 생성물을 분사 노즐(1700)을 통해 분사시켜 로켓 엔진의 추진력을 얻는다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
도 1 은 본 발명에 의한 이원추진제 로켓 엔진의 주요부를 나타낸 분해 결합도.
도 2 는 본 발명에 의한 이원추진제 로켓 엔진의 결합 상태를 나타낸 단면도.
도 3 은 본 발명에 의한 분사기의 정면도.
도 4 는 본 발명에 의한 분배기의 구조와 결합 상태를 나타낸 사시도.
도 5 는 본 발명에 의한 제 1 분배기의 정면도.
도 6 은 본 발명에 의한 제 2 분배기의 정면도.
도 7 은 본 발명에 의한 연료 공급관 내부에 열매개체가 포함된 상태를 나타내는 단면도.
도 8 은 본 발명에 의한 연료 공급관이 반응기의 내부에서 나선형으로 형성되는 상태를 나타내는 분해 결합도.
도 9 는 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.
도 10 은 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.
도 11 은 본 발명에 의한 이원추진제 로켓 엔진의 추진 방법을 나타내는 블록선도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1000 : 이원추진제 로켓 엔진
1100 : 과산화수소 저장탱크 1200 : 연료 저장탱크
1300 : 추진제 공급부
1310 : 연료 공급관 1311 : 열매개체
1320 : 공급 입구 1330 : 입구 개스킷
1340 : 분사기 1341 : 오리피스
1400 : 반응기 1410 : 촉매
1411 : 지지체 1412 : 활성 물질
1500 : 분배기 1510 : 오리피스
1520 : 제 1 분배기 1521 : 열전달 촉진관
1522 : 제 1 연료홀 1530 : 제 2 분배기
1532 : 제 2 연료홀 1550 : 출구 개스킷
1600 : 연소 챔버 1700 : 분사 노즐

Claims (13)

  1. 과산화수소 저장탱크(1100);
    액체 상태의 연료를 수용하는 연료 저장탱크(1200);
    내부에 과산화수소와 반응하는 활성 물질(1412)이 도포된 촉매(1410)가 충전되는 반응기(1400);
    상기 과산화수소 저장탱크(1100)와 상기 연료 저장탱크(1200)에 연결되고, 공급 입구(1320)와 분사기(1340) 및 상기 공급 입구(1320)의 중앙부에서 연장되는 중공 형태의 연료 공급관(1310)을 포함하며, 상기 분사기(1340)를 통해 상기 반응기(1400)로 과산화수소를 공급하고 상기 연료 공급관(1310)으로 연료를 공급하는 추진제 공급부(1300);
    상기 반응기(1400)를 통과하여 분해 반응에 의해 발생한 산소를 산화제로 이용하고 분해 반응열에 의해 기화된 연료를 연소시키는 연소 챔버(1600);
    상기 연소 챔버(1600)에서 발생한 생성물을 분사시키는 분사 노즐(1700); 및
    상기 반응기(1400)와 연소 챔버(1600)사이에 형성되되 일면이 상기 연료 공급관(1310)과 연결되고 샤워헤드 형태의 다수개의 오리피스(1510)가 분포되어 가공된 분배기(1500);
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 오리피스(1510)는 홀이 소정 간격을 두고 이격되어 원형으로 배열되되 상기 분배기(1500)의 중심측에 배열된 홀보다 원주측에 배열된 홀이 더 큰 직경을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 분배기(1500)는 상기 연료 공급관(1310)과 연결된 측에 형성되는 제 1 분배기(1520)와 대향되는 측면에 형성되는 제 2 분배기(1530)가 결합되어 형성되고,
    상기 제 1 분배기(1520)는 상기 연료 공급관(1310)에서 상기 제 1 분배기(1520)의 원주측 방향을 향하여 방사형으로 다수개 연장되는 중공 형태의 열전달 촉진관(1521)과 상기 열전달 촉진관(1521)의 끝단에서 상기 제 2 분배기(1530)와 결합되는 측을 향하여 형성되는 제 1 연료홀(1522)을 포함하며,
    상기 제 2 분배기(1530)는 상기 제 1 연료홀(1522)과 연결되는 위치에 형성되는 제 2 연료홀(1532)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 연료 공급관(1310)의 내부에는 펠렛 또는 비드 형태의 열매개체(1311)가 형성되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 비드 형태의 열매개체(1311)는 직경이 300 ~ 5000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 분배기(1500)와 상기 연료 공급관(1310)은 구리 또는 구리 합금으로 형성되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 연료 공급관(1310)은 상기 반응기(1400)의 내부에서 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반응기(1400)는 내부에 촉매(1410)가 충전되고 상기 촉매(1410)는 펠렛 또는 그레인 형상의 마이크로비드인 지지체(1411)에 과산화수소와 반응하는 활성 물질(1412)이 도포되는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 촉매(1410)의 지지체(1411)는 직경이 300 ~ 5000 마이크로미터인 다공성 펠렛 형태의 마이크로비드인 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 촉매(1410)의 활성 물질(1412)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합이고,
    상기 촉매(1410)의 지지체(1411)는 무기 산화물인 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료 저장탱크(1200)에 수용되는 연료는 케로신, RP 로켓연료, 알코올계 에탄올, 메탄올 중 선택되는 어느 하나 또는 이들의 결합인 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진.
  13. (a) 과산화수소 저장탱크(1100)와 연료 저장탱크(1200)로부터 공급받은 과산화수소와 연료를 주입하되 과산화수소는 설정된 압력으로 가압하여 분사기(1340)를 통해 반응기(1400)로 주입하고 연료는 설정된 압력으로 가압하여 연료 공급관(1310)으로 주입하는 단계;
    (b) 상기 반응기(1400)에서 촉매(1410)를 이용하여 과산화수소를 수증기와 산소로 분해시키고 분해 반응시 발생하는 분해 반응열을 이용하여 액상의 연료를 기체 상태로 변환시키는 과산화수소 분해 및 연료 기화 단계;
    (c) 상기 (b)단계에서 발생한 산소를 산화제로 이용하여 기체 상태의 연료를 연소 챔버(1600)내에서 연소시키는 연소 단계;
    (d) 상기 (c)단계에서 연소에 의해 발생한 생성물을 분사 노즐(1700)을 통해 분사시켜 추진력을 얻는 분사 단계;
    로 이루어지는 것을 특징으로 하는 과산화수소 분해열을 이용한 이원추진제 로켓 엔진의 추진 방법.
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