KR101153989B1 - 경사진 그레인 포트를 가진 하이브리드 로켓의 고체 연료 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 로켓에 사용되는 고체 연료에 관한 것으로, 특히 연소가 진행됨에 따라 불균일하게 발생되는 국부 후퇴율을 고려하여 고체 연료의 활용도와 충전효율을 높임과 동시에 후퇴율을 증대시킴으로써 고성능의 효율적인 연소가 가능케 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료에 있어서 고체 연료 내부에 형성된 그레인 포트의 단면적은 길이방향에 따라 변경되는 것을 특징으로 한다.

이로써, 그레인 포트의 단면적이 출구측으로 갈수록 증대되거나 감소하도록 형성되어 산화제가 고속으로 유입됨에 따른 열전달을 증가시켜 후퇴율을 증가시키고 불균일도를 개선하는 효과를 갖는다.

하이브리드 로켓, 고체 연료, 그레인 포트

Description

경사진 그레인 포트를 가진 하이브리드 로켓의 고체 연료{Hybrid rocket fuel with grain port of tapered shape}

본 발명은 하이브리드 로켓에 사용되는 고체 연료에 관한 것으로, 특히 연소가 진행됨에 따라 불균일하게 발생되는 국부 후퇴율을 고려하여 고체 연료의 활용도와 충전효율을 높임과 동시에 후퇴율을 증대시킴으로써 고성능의 효율적인 연소가 가능케 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료에 관한 것이다.

하이브리드 로켓은 고체 연료와 액체 또는 기체 산화제를 조합한 추진제를 사용하는 로켓으로, 연소 제어가 어려운 고체 연료에 액체 산화제를 고속 분사하여 산화제의 유량 조절로 추진력 제어를 가능하게 한 로켓이다.

도 4에는 일반적으로 사용되는 하이브리드 로켓(100)의 추진체계를 나타내었다. 고체 연료(130)는 로켓의 사이즈에 맞추어 원통형의 외관을 가지며, 내부의 길이방향에 따라 원형 단면 또는 다각형 단면을 가지는 하나 또는 다수의 그레인 포트(131)가 형성된다. 산화제는 고체 연료의 상부에 구비된 인젝터(110)를 통하여 그레인 포트(131)의 내부로 빠르게 유입된다. 점화 초기에 점화기(120)에 의하여 포트의 내부에서 불꽃이 형성되면 인젝터를 통해 주입된 산화제와 기화된 고체 연료가 포트 내에서 적절히 혼합되어 지속적으로 발화하고, 팽창된 연소 가스는 고체 연료(130)의 후방으로 급속히 배출되어 하이브리드 로켓(100)에 추진력을 제공한다. 이때, 그레인 포트(131) 내에서 생성되어 통과하는 연소가스의 열은 그레인 포트의 내주벽에 대류, 복사 열전달되어 고체 연료의 지속적인 기화가 이루어지게 하여 산화제의 주입으로 연속적인 추진력을 얻을 수 있게 된다. 이러한 추진 작용은 산화제의 공급여부에 따라 점화와 소화가 반복되어 추진작동의 제어가 이루어지게 된다.

추진제의 성능을 나타내는 지표로 후퇴율을 정의하면, 연소에 있어서 그레인 포트 내면이 로켓 연료의 외주면 방향으로 타들어가는 속도로 정의된다. 후퇴율은 로켓의 추진력과 로켓의 연소시간을 결정하는 것으로, 하이브리드 로켓의 설계에 있어서 중요한 요소이다. 한편, 국부 후퇴율은 어느 특정지점에서의 후퇴율로 정의되는데, 이는 그레인 포트의 기화는 로켓의 축방향에 따라 균일하게 이루어지지 못하는 점을 고려한 것이다. 즉, 평균 후퇴율보다 큰 값을 가지는 어느 한 지점의 국부 후퇴율을 파악함으로써 그레인 포트 설계의 적합성을 평가하는데 사용된다.

종래의 하이브리드 로켓의 고체 연료에서 그레인 포트는 일정한 단면적을 가지도록 형성되었는데, 고체 연료의 연소를 종료한 후 기화되어 확장된 그레인 포트를 관찰하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상류에서 하류로 갈수록 국부 후퇴율은 점 차 감소하다가 다시 후퇴율이 증가하는 경향이 나타난다. 국부 후퇴율의 감소는 고체 연료의 리딩엣지(leading edge)에서 발생된 경계층(boundary layer)이 후류로 갈수록 성장하여 연소가스의 화염이 고체 연료로 전달되는 대류 열전달량이 감소하는 것에 기인한 것이며, 국부 후퇴율이 다시 증가하는 것은 기화되어 연소된 연료가 하류로 갈수록 축적됨으로써 연소가스의 유속이 증가함에 기인한 것이다.

이와 같이 국부 후퇴율이 구간마다 다른 연소특성을 갖기 때문에 로켓의 설계에 있어서 요구되는 추진력이 발휘될 수 있는 최소한의 고체 연료 크기(연소에 소모되는 부피)에 더하여 최대 국부 후퇴율에 따른 구간의 소모를 추가적으로 고려하여야 하는 불리함이 발생된다. 즉, 최적설계에 따른 고체 연료의 크기에 불균일한 연소를 고려한 마진을 고려하여 고체 연료를 더 크게 제작하여야 하는 것이다. 이렇게 증가된 부분은 고체 연료의 연소가 종료될 때에 국부 후퇴율이 작은 부분은 남은 채 버려지는 것으로 로켓의 효율을 나쁘게 하는 것이다.

한편, 고체로켓에서 점차 내경이 커지는 평판형 고체로켓의 연료에 대한 연구가 이루어진 바 있다. 고체로켓의 연료는 별도의 산화제 유입 없이 연료에 내포된 산화제 성분이 바로 기화하여 연소되기 때문에, 고체로켓에서는 연료의 내경이 크게 증가될수록, 즉 길이방향 단면에서 내경이 클수록 모멘텀 추력이 감소하는 경향을 나타낸다. 이와 달리, 하이브리드 로켓의 경우에는 별도의 산화제가 그레인 포트로 빠르게 유입되기 때문에 고체 연료의 경우보다 복잡한 유동 해석이 요구된다. 이러한 하이브리드 로켓에서 고체 연료의 그레인 포트의 단면적 변화에 대한 개발은 아직 이루어지지 못하였던 것이다.

본 발명은 전술된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 실시예는 산화제 유속의 변화에 의한 열전달율에 기인한 그레인 포트의 불균형적 국부 후퇴율을 고려하여 고체 연료의 활용도와 충전효율을 높임과 동시에 후퇴율을 증대시킴으로써 고성능의 효율적인 연소가 가능케 하는 목적을 갖는다.

구체적으로 그레인 포트의 내부에서 산화제 유속의 증가를 통해 화염으로부터 고체 연료 표면으로의 열전달율을 증가시켜 평균 후퇴율을 증대시키는 목적을 갖는다.

한편 그레인 포트의 형상이 화염으로부터 고체 연료 표면으로의 열전달율에 대응하도록 하여, 일정한 수준의 국부후퇴율을 얻는 목적도 갖는다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 실시예로 길이방향에 따라 내부에 그레인 포트가 형성된 하이브리드 로켓의 고체 연료에 있어서, 상기 그레인 포트의 단면적은 상기 길이방향에 따라 변경되는 것을 특징으로 경사진 그레인 포트를 가지는 경사진 그레인 포트를 가지는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료를 제시한다.

또한, 상기 그레인 포트의 단면적은 입구측에서 출구측으로 갈수록 점차 증대되는 것을 특징으로 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료를 제시한다.

또한, 상기 그레인 포트의 단면적은 입구측에서 출구측으로 갈수록 점차 감소되는 것을 특징으로 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료를 제시한다.

또한, 상기 그레인 포트의 단면적은 입구측에서 출구측으로 갈수록 점차 증대되다가 다시 감소하는 것을 특징으로 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료를 제시한다.

또한, 상기 그레인 포트의 단면적 변화는 상기 고체 연료의 단위길이당 일정한 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료를 제시한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료에 따르면, 그레인 포트의 단면적이 출구측으로 갈수록 증대되거나 감소하도록 형성됨으로써, 산화제의 고속 유입에 따른 열전달율을 증가시켜 평균 후퇴율을 개선하고 국부 후퇴율의 불균일도를 개선하는 효과를 갖는다.

또한, 같은 외경을 갖는 조건에서 종래의 기술에 따른 고체 연료에 비하여 고체 연료의 체적을 증대시킬 수 있으므로, 연료충전율을 증대시키는 효과를 갖는다.

구체적으로 그레인 포트가 출구측으로 갈수록 증대되는 경우에는 평균 후퇴 율은 기존의 원통형 형상에 비해 대등한 수준이지만 연소후 그레인 포트는 비교적 일정한 형상을 가져 국부 후퇴율의 불균일도가 크게 개선되는 효과를 갖는다.

한편, 그레인 포트가 출구측으로 갈수록 감소되는 경우에는 산화제 유속의 증가로 인해 경계층의 발달이 느려져 화염으로부터 연료 표면으로의 대류 열 전달률이 증대시키고 고체 연료의 기화를 촉진함으로써 평균 후퇴율이 크게 증가하며, 연소후 그레인 포트 또한 비교적 일정한 형상을 가져 국부 후퇴율의 불균일도가 크게 개선되는 효과를 갖는다.

한편, 그레인 포트의 직경이 출구측으로 갈수록 점차 증가하였다가 감소하는 형상을 가지는 경우에는, 기존 연료의 입, 출구측에서 크게 증가하는 국부후퇴율의 불균일도에 대응해, 입구측에서의 국부후퇴율의 불균일도를 개선하고, 출구측의 수렴부에서 열전달의 증가로 인한 전체 후퇴율의 증대와 함께 출구측의 국부후퇴율의 불균일도를 동시에 개선함으로서 고체 연료의 연소 성능이 크게 개선되는 효과를 갖는다.

이하, 첨부도면의 바람직한 실시예를 통하여, 본 발명인 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료의 기능, 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료는, 길이방향에 따라 내부에 그레인 포트가 형성된 하이브리드 로켓의 고체 연료에 있어서, 상기 그레인 포트의 단면적은 상기 길이방향에 따라 변경되는 것이다.

즉, 그레인 포트의 단면적은 고체 연료의 길이방향을 따라 점차 증가하거나, 점차 감소하는 형상을 갖는다. 이는 도 1 내지 3의 단면도를 통하여 명확하게 알 수 있는 것으로 그레인 포트(11)의 단면적이 점차 증가 또는 감소됨에 따라 그레인 포트(11) 내부인 연소실의 체적이 출구측으로 갈수록 증대되거나 감소되도록 구성된다. 이러한 그레인 포트 내부의 체적변화에 기인하여 그레인 포트 내부를 통과하는 산화제의 유동상태 및 경계층의 형성 두께가 변경되어 연소특성이 개선되는 것이다.

이때, 그레인 포트(11)는 단면형상은 원형이며 고체 연료의 중앙에 하나가 형성되는 것으로 도시되며 설명되었지만, 본 발명은 다각형 형상의 단면을 가지거나 복수로 형성되는 그레인 포트에도 적용 가능한 것이다.

하이브리드 로켓의 고체 연료의 성능은 평균 후퇴율, 국부 후퇴율 균일도, 연료 충전율로 판단할 수 있는데, 아래의 실시예 형태에 따라 개선된 성능을 살펴본다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료의 단면도이다. 본 발명의 제1실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료(10)에 형성된 그레인 포트(11)는, 그 단면적이 고체 연료의 입구측(10a)에서 출구측(10b)으로 갈수록 점차 증대되는 형상을 갖는다.

여기서, 입구측(10a)이란 산화제가 유입되는 부분으로 지상에 세워진 하이브리드 로켓의 상류이며, 출구측(10b)이란 입구측의 반대측으로 연소가스가 배기되는 하이브리드 로켓의 하류를 의미한다.

점차 넓어지는 그레인 포트(11) 형상으로 인하여 출구측(10b)으로 갈수록 연소실의 거리당 체적이 증대하므로 입구측(10a)으로부터 유입된 산화제의 유동속도는 종래의 직선형 원형단면의 그레인 포트에 비하여 입구측에서 빠르고 출구측으로 갈수록 상대적으로 낮아지게 된다. 이로 인하여 그레인 포트(11)의 입구에서 높은 후퇴율을 나타내고 후단으로 갈수록 낮은 후퇴율을 나타내어 일정 연소시간이 지나면 전체적으로 균일한 연소 형상을 나타내게 된다.

한편, 종래의 그레인 포트에 비하여 입구측의 두께를 더욱 두껍게 설계할 수 있게 되므로 연료를 더욱 충전할 수 있어 연료 충전율이 증가하게 된다. 예를 들어 고체 연료의 길이가 200mm, 외경50mm이며, 그레인 포트 직경이 22mm인 종래의 고체 연료와, 동일 조건에서 출구측에서 입구측을 향하여 1ㅀ의 경사를 갖도록 입구측의 그레인 포트 직경이 작게 설계된 고체 연료의 체적의 차이는, 6.8% 정도로 입구측이 좁은 고체 연료가 크게 된다. 따라서 종래의 하이브리드 로켓의 고체 연료를 본 발명의 실시예에 따른 하이브리드의 고체 연료로 대체하는 경우에 연료 충전율을 상승시킬 수 있게 되는 것이다. 이러한 연료 충전율의 증대는 하이브리드 로켓의 추진력이 오랜 기간 유지될 수 있게 하는 것이다. 이때, 연료 충진율은 연료의 길이와 경사각이 클수록 증대되는 것이다.

한편, 도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료의 단면도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료(10)는 그레인 포트(11)의 단면적이 입구측(10a)에서 출구측(10b)으로 갈수록 점차 감소하는 특징을 갖는다.

이 경우, 점차 좁아지는 그레인 포트(11) 형상으로 인하여 출구측(10b)으로 갈수록 연소실의 체적이 점차 줄어들게 된다. 그로 인하여 산화제의 유속은 좁아진 연소실의 체적에 따라 증가하며 열전달률이 증가하게 되어 입구에서 낮은 후퇴율을 나타내고 후단으로 갈수록 높은 후퇴율을 나타내어 일정 연소시간이 지나면 전체적으로 균일한 연소 형상을 나타내게 된다.

아울러 하류로 갈수록 축적된 연료 가스로 인한 추진제 유속의 증가가 전체적으로 빨라진 산화제의 흐름으로 인해 그 효과가 배가되어 평균 후퇴율 또한 크게 향상되는 것이다.

한편, 도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료의 단면도이다. 본 발명의 제3실시예에 따른 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료(10)에 형성된 그레인 포트(11)는, 그 단면적이 입구측(10a)에서 출구측(10b)으로 갈수록 점차 증대되다가 다시 감소하는 것이다. 즉, 전술된 제1실시예의 고체 연료에 연이어 제2실시예에 따른 고체 연료가 형성된 것과 같은 형상을 갖는다.

이 경우, 입구측(10a)부터 시작되어 그레인 포트(11)의 단면적이 점차 증대하는 확산부에서는 국부 후퇴율이 입구측에서 빠르고 출구측으로 갈수록 상대적으로 낮아지게 되어 일정 연소시간이 지나면 전체적으로 균일한 연소 형상을 나타내게 된다.

또한, 그레인 포트(11)의 단면적이 점차 감소하는 수렴부에서는 산화제의 축방향 유속의 증가에 따라 열전달률이 증가하게 되어 입구에서 낮은 후퇴율을 나타내고 후단으로 갈수록 높은 후퇴율을 나타내어 일정 연소시간이 지나면 전체적으로 균일한 연소 형상을 나타내게 됨과 동시에 평균 후퇴율 또한 크게 향상된다.

제3실시예의 고체 연료(10)는 이러한 연소특성을 가짐으로써 종래의 기술에 따른 평균 후퇴율의 증가를 유도하고 고체 연료의 국부 후퇴율의 차이를 개선하면서, 연료충전율을 증대시켜 성능을 증대시킬 수 있게 된다.

특히, 입구측(10a)과 출구측(10b)에서 그레인 포트(11)의 직경이 중앙보다 작게 형성됨에 따라 연소가 진행됨에 따라 입구측(10a)과 출구측(10b)의 양단에서 상대적으로 중앙보다 증대된 국부후퇴율을 보상하게 되어, 그레인 포트(11)가 직선화되면서 연소가 진행된다. 따라서 하이브리드 로켓의 전체 추진량에 따른 적당량의 고체 연료를 설계하여 불필요한 고체 연료부분을 제거함으로써 하이브리드 로켓의 최적설계가 가능해지는 효과를 갖는다.

또한, 제1 내지 3실시예에서, 그레인 포트(11)의 단면적 변화는 고체 연료의 단위길이당 일정한 비율로 이루어질 수 있다. 즉, 그레인 포트(11)는 도 1 내지 3 에 도시된 것과 같이 길이 방향 단면을 살펴볼 때에 그레인 포트(11)가 선형적으로 증대되거나 감소되도록 형성되는 것이다. 이 경우, 그레인 포트(11)의 성형이 용이해지며, 그레인 포트(11) 내에서 산화제 등 유체의 흐름을 좋게 할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드 로켓의 고체 연료의 단면도.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드 로켓의 고체 연료의 단면도.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드 로켓의 고체 연료의 단면도.

도 4는 종래의 기술을 나타낸 단면도.

도 5는 종래의 기술에 따른 국부 후퇴율을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 고체 연료

11 : 그레인 포트

10a : 입구측 10b : 출구측

Claims (5)

1. 삭제
2. 길이방향에 따라 내부에 그레인 포트(11)가 형성된 하이브리드 로켓의 고체 연료에 있어서,

   상기 그레인 포트(11)의 단면적은 입구측(10a)에서 출구측(10b)으로 갈수록 점차 증대되고,

   상기 그레인 포트(11)의 단면적 변화는 상기 고체 연료(10)의 단위길이당 일정한 비율로 이루어지는 것을 특징으로 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료.
3. 삭제
4. 길이방향에 따라 내부에 그레인 포트(11)가 형성된 하이브리드 로켓의 고체 연료에 있어서,

   상기 그레인 포트(11)의 단면적은 입구측(10a)에서 출구측(10b)으로 갈수록 점차 증대되다가 감소하되,

   단면적이 일정 각도로 증가되는 부분과 단면적이 일정 각도로 감소되는 부분이 연접하는 것을 특징으로 하는 경사진 그레인 포트를 가지는 하이브리드 로켓의 고체 연료.
5. 삭제

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