KR101179670B1

KR101179670B1 - 고고도 시험용 노즐의 안정성 확보를 위한 진동 지지빔

Info

Publication number: KR101179670B1
Application number: KR1020100130834A
Authority: KR
Inventors: 유재석; 장영순
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2010-12-20
Publication date: 2012-09-05
Also published as: KR20120069328A

Abstract

본 발명은 고고도 시험용 노즐의 안정성 확보를 위한 진동 지지빔에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공환경을 모사하기 위한 디퓨져의 내부에 안착되는 노즐의 끝단 반경 변위를 감소시켜 디퓨져와의 충돌을 방지하여 진공상태에서 고고도 연소시험이 원활하게 수행되도록 한 진동 지지빔에 관한 것이다.
본 발명은 러그 체결 브라켓과, 상기 러그 체결 브라켓의 일단에 연결되고, 노즐의 선단부 측에 구비된 진동 지지빔 브라켓에 연결되는 상부 러그와, 상기 러그 체결 브라켓의 타단에 연결되고, 노즐의 끝단부 측에 구비된 브라켓 링에 연결되는 하부 러그와, 상기 러그 체결 브라켓과 상기 상하부 러그를 상호 고정하는 내측너트와 외측너트 및 상기 내외측너트와 상기 러그 체결 브라켓 사이에 개재되는 고무와샤를 포함하는 진동 지지빔을 제공한다.

Description

고고도 시험용 노즐의 안정성 확보를 위한 진동 지지빔{Vibration Support Beam to Guarantee the Safety of the Nozzle for High Altitude Firing Test}

본 발명은 고고도 시험용 노즐의 안정성 확보를 위한 진동 지지빔에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공환경을 모사하기 위한 디퓨져의 내부에 안착되는 노즐의 끝단 반경 변위를 감소시켜 디퓨져와의 충돌을 방지하여 진공상태에서 고고도 연소시험이 원활하게 수행되도록 한 진동 지지빔에 관한 것이다.

액체엔진의 경우 엔진에 공급되는 연료량을 밸브로 조절할 수 있기 때문에 비행 시험에서 원하는 전체 추력의 합 즉, 총 역적 (kgf?sec)을 제어할 수 있다. 그러나 고체 모타 엔진은 한 번 점화하면 채워진 고체연료를 전부 소진하기 때문에 비행시험 중에 역적을 제어할 수 없다.

나로호 2단 고체 모타 엔진은 공기가 거의 없는 고도 303 km에서 점화한다. 나로호 2단 엔진의 지상연소시험의 경우 대기압기 존재하는 환경에서 수행하기 때문에 정확한 총 역적(specific thrust)을 계산하기 어렵다. 따라서, 도 1과 같이 노즐 끝단에 디퓨져(1)를 씌워서(디퓨져의 내부에 노즐이 삽입됨) 노즐(2) 주의의 압력을 도 3과 같이 저 진공 (2.6 psia ≡134 torr)으로 만들어 고고도 모사 시험을 수행하였다. 이때, 도 1의 노즐 끝단(3) 외경과 디퓨져(1) 내경의 차이(h)가 작을수록, 즉 노즐 끝단(3)과 디퓨져(1)의 사이 공간의 작을수록 낮은 진공 상태를 유지할 수 있다. 그러나 실제 개발된 나로호 2단의 노즐은 TVC(Thrust Vector Control) 제어를 하기 때문에 노즐에 삽입된 플렉시블 씰(4)로 인하여 반경방향으로 움직이게 설계되어 있다. 고고도 전용 노즐을 만들이기 위해서 플렉시블 씰(4)을 도 2와 같이 알루미늄 소재로 대체하였으나, 노즐 확장부가 길게 나와 있어서(외팔보 형상) 연소 중에 발생하는 추력섭동으로 인하여 노즐 끝단(3)이 반경 방향으로 움직일 것으로 예상되었다. 이와 같은 예상되는 반경 방향 움직임으로 인하여 노즐 끝단(3)과 디퓨져(1) 사이의 공간을 크게 설계하면 원하는 저진공을 만들지 못한다는 단점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하고자 안출된 것으로서, 연소시험시 추력 섭동으로 인한 노즐 끝단의 반경방향 변위를 줄이기 위한 진동 지지빔을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 연소압에 의하여 발생되는 축 방향 변위로 인하여 진동 지지빔에 과도한 하중이 걸릴 수 있으므로, 축 방향 변위로 발생하는 과도한 하중이 노즐에 전달되지 말아야 하므로, 진동 지지빔이 노즐에 조립되는 과정에서 노즐에 과도한 하중이 발생되지 않도록 하는 조립 방법도 제공하고자 한다.

본 발명은 러그 체결 브라켓(10);과, 상기 러그 체결 브라켓(10)의 일단에 연결되고, 노즐(2)의 선단부 측에 구비된 진동 지지빔 브라켓(5)에 연결되는 상부 러그(20);와, 상기 러그 체결 브라켓(10)의 타단에 연결되고, 노즐(2)의 끝단부 측에 구비된 브라켓 링(6)에 연결되는 하부 러그(30);와, 상기 러그 체결 브라켓(10)과 상기 상하부 러그(20)(30)를 상호 고정하는 내측너트(40)와 외측너트(50); 및 상기 내외측너트(40)(50)와 상기 러그 체결 브라켓(10) 사이에 개재되는 고무와샤(60);를 포함하는 진동 지지빔을 제공한다.

여기서, 상기 상부 러그(20)는 상기 진동 지지빔 브라켓(5)에 힌지 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 하부 러그(30)는 상기 브라켓 링(6)에 힌지 연결된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내외측너트(40)(50)는 상기 고무와샤(60)를 압착되지 않은 상태로 밀착 결합하는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명은 진동 지지빔(100)을 노즐(2)에 장착하는 방법에 관한 것으로서, 하부 러그(30)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 압착되지 않은 상태로 밀착 체결하는 단계;와, 상부 러그(20)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 일정 간격 움직일 수 있도록 유지한 상태로 체결하는 단계;와, 상기 상하부러그(20)(30)를 각각 진동 지지빔 브라켓(5)과 브라켓 링(6)에 연결하는 단계; 및 상기 상부 러그(20)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 압착되지 않은 상태로 밀착 체결하는 단계;를 포함하는 전동 지지빔 노즐 체결 방법도 제공한다.

본 발명에 따르면, 진동 지지빔을 장착하여 연소시험 시 추력 섭동으로 인한 노즐 끝단의 반경 방향 변위를 줄임으로써 노즐 끝단 주위에 요구되는 낮은 진공 상태를 만들 수 있다.

또한, 이와 같은 낮은 진공상태를 모사한 고고도 지상연소시험을 수행함으로써, 나로호 2단 엔진과 같이 진공 상태에서 수행되는 장치의 정확한 총 역적을 예측할 수 있다.

도 1은 종래기술에서 저진공 상태 모사 시험에 사용되는 디퓨져에 노즐이 삽입된 도면이고(확대도는 내부 단면도임),
도 2는 종래기술에 따른 노즐의 형상을 도시한 사시도이며,
도 3은 종래기술에서 노즐을 디퓨져에 삽입시 디퓨져 내부의 압력 상태를 나타내는 그래프이고,
도 4는 본 발명에 따른 진동 지지빔이 노즐에 장착된 형상을 나타낸 사시도이며,
도 5는 본 발명에 따른 진동 지지빔의 평면도이고,
도 6은 본 발명에 따른 진동 지지빔이 노즐에 결합된 상세 결합도이며,
도 7은 본 발명에 따른 진동 지지빔이 결합되는 고무와샤의 압축 시험 장치(a) 및 압축 시험 결과를 나타내는 그래프(b)이고,
도 8은 도 7에 따른 압축 시험 결과를 정리한 표이며,
도 9는 본 발명에 따른 노즐 확장부의 구조시험 결과를 나타내는 그래프이고,
도 10은 본 발명을 이용한 실제 연소시험에서 측정한 노즐의 축 방향 변위를 나타내는 그래프이며,
도 11은 본 발명을 이용한 실제 연소시험에 사용된 점화기의 압력분포를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서, 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해해야 한다.

도 4는 본 발명에 따른 진동 지지빔이 노즐에 장착된 형상을 나타낸 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 진동 지지빔의 평면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 진동 지지빔이 노즐에 결합된 상세 결합도이다.

도 4 내지 도 6에서 보듯이, 본 발명에 따른 진동 지지빔(100)은, 러그 체결 브라켓(10), 상부 러그(20), 하부 러그(30), 내측너트(40), 외측너트(50), 고무와샤(60)를 포함하여 구성된다.

상기 진동 지지빔(100)은 고고도 연소 시험 시 진동에 의한 노즐 끝단(3)의 반경 방향 변위를 줄이기 위해서 설계되었다. 고고도 연소시험의 경우, 도 1에서 보듯이 노즐 끝단(3)과 디퓨져(1)의 내경의 간격(h)이 디퓨져(1)의 성능을 위해 엄격하게 규제되고 있으며, 만약 연소 중 노즐(2)의 반경 방향 변위가 일정 수준 이상 발생하게 되면 노즐 끝단(3)과 디퓨져(1)의 충돌로 인해 사고의 위험성이 존재한다.

따라서, 도 4에서와 같이 장착된 진동 지지빔(100)은 노즐의 반경 방향 변위를 억제하여 디퓨져(1)의 성능을 높이는 간격(h)을 작게 만들 수 있다. 상기 노즐(2)은 끝단부(3)가 확장된 형상을 구비하고 있으므로, 노즐(2)의 선단부와 끝단부를 상호 연결하면 노즐 끝단(3)의 반경방향 변위를 억제할 수 있다. 이 역할을 하는 것이 본 발명인 진동 지지빔(100)에 해당한다. 또한 연소압에 의해서 발생하는 노즐(2)의 축 방향 변위를 진동 지지빔(100)에 삽입된 고무와샤(60)에서 흡수하여 노즐(2)의 구조안전성을 만족시킨다.

즉 본 발명에 따른 진동 지지빔(100)은, 노즐(2)의 선단부 측과 끝단부 측의 사이에 장착되어 노즐 끝단부(3)의 반경 방향 변위를 최소화하여 디퓨져(1)와의 간격을 최소화할 수 있도록 함과 동시에, 노즐(2)에서 분사되는 연료가 연소되는 경우 노즐(2)이 받는 하중(연소압)을 흡수하도록 설계한 것이다. 이하, 본 발명의 구성을 상세히 설명한다.

상기 러그 체결 브라켓(10)은, 본 발명인 진동 지지빔(100)에서 몸체 역할을 하는 것으로 양단에 구비되는 상하부러그(20)(30)를 중간에서 연결해주는 매개체이다. 상기 러그 체결 브라켓(10)은 상하부러그(20)(30)의 연결이 용이하도록 양단이 관통된 사각기둥 형상인 것이 바람직하며, 상기 사각기둥에서 마주보는 두 면에 각각 상부러그(20)와 하부러그(30)가 장착되는 것이 바람직하다. 물론, 상기 사각기둥에서 상하부러그(20)(30)가 장착되는 부분의 단면 길이가 그렇지 않은 부분의 단면 길이보다 짧은 것이 구조적으로 안정적일 수 있다.

상기 상부 러그(20)는, 상기 러그 체결 브라켓(10)의 일단에 연결되고, 노즐(2)의 선단부 측에 구비된 진동 지지빔 브라켓(5)에 연결되는 구성에 해당한다. 상기 상부 러그(20)는 상기 러그 체결 브라켓(10)에 내외측너트(40)(50)에 의해 결합되게 되며, 상기 진동 지지빔 브라켓(5)에 힌지 연결되는 것이 바람직하다. 진동 지지빔 브라켓(5)과 회전이 자유롭게 연결되어야만 노즐(2)에 변위 발생시 응력이 발생하지 않아 파괴에서 자유롭기 때문이다.

상기 하부 러그(30)는, 상기 러그 체결 브라켓(10)의 타단에 연결되고, 노즐(2)의 끝단부 측에 구비된 브라켓 링(6)에 연결되는 구성에 해당한다. 상기 하부 러그(20)는 상기 브라켓 링(6)에 내외측너트(40)(50)에 의해 결합하게 되며, 상기 브라켓 링(6)에 힌지 연결되는 것이 바람직하다. 브라켓 링(6)과 회전이 자유롭게 연결되어야만 노즐(2)에 변위 발생시 응력이 발생하지 않아 파괴에서 자유롭기 때문이다.

상기 내측너트(40)와 외측너트(50)는 상기 러그 체결 브라켓(10)과 상기 상하부 러그(20)(30)를 상호 고정하는 수단에 해당하는 것으로, 상기 러그 체결 브라켓(10)의 내부에서 상기 상하부 러그(20)(30)를 고정하는 부분인 내측너트(40)와, 상기 러그 체결 브라켓(10)의 외부에서 상기 상하부 러그(20)(30)를 고정하는 부분인 외측너트(50)로 구성된다. 물론, 상기 상하부 러그(20)(30)는 외주면에 상기 내외측너트(40)(50)에 상응하는 나사산이 구비됨이 바람직하다.

상기 고무와샤(60)는, 상기 내외측너트(40)(50)와 상기 러그 체결 브라켓(10) 사이에 개재되어 충격(하중)을 흡수하는 수단에 해당한다. 그러므로, 상기 내외측너트(40)(50)는 상기 고무와샤(60)를 압착되지 않은 상태로 밀착 결합됨이 바람직하다. 고무와샤(60)가 압착된 상태로 결합되면 탄성력이 적은 강체와 동일한 형태로 고정되는 것과 동일하기 때문이다. 그래야만, 노즐(2)에 하중이 부가되는 경우(연소압)에 하중을 상기 고무와샤(60)가 흡수하여 상기 노즐(2)을 구조적으로 안정되게 할 수 있기 때문이다.

이러한 이유로 상기 진동 지지빔(100)을 노즐(2)에 장착하는 경우에는 상기 고무와샤(60)가 압착되지 않은 상태로 장착되어야 한다. 이에, 본 발명에서는 다음과 같이 진동 지지빔(100)의 노즐(2) 장착 방법에 의해 조립으로 인한 노즐에 작용하는 하중을 제거하였다.

즉, 진동 지지빔(100)을 노즐(2)에 장착하는 방법에 관한 것으로서, 하부 러그(30)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 압착되지 않은 상태로 밀착 체결하는 단계와, 상부 러그(20)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 일정 간격 움직일 수 있도록 유지한 상태로 체결하는 단계와, 상기 상하부러그(20)(30)를 각각 진동 지지빔 브라켓(5)과 브라켓 링(6)에 연결하는 단계 및 상기 상부 러그(20)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 압착되지 않은 상태로 밀착 체결하는 단계를 포함하는 전동 지지빔 노즐 체결 방법을 제안한다.

더욱 상세히 설명하면, 먼저, 하부 러그(30)에 체결된 내외측너트(40)(50)는 완전히 체결한다(체결 토크 : 190 lbf-in). 여기서, 내외측너트(40)(50) 체결 시 고무 와샤(60)에 접하는 너트를 고무에 밀착(다만, 너트 체결 시 고무가 눌리지 말아야 함) 후 조립 치구로 고정하고 외측너트(50)를 규정된 조립 토크로 체결하도록 한다.

다음으로, 상부 러그(20)에 조립된 내외측너트(40)(50)를 완전히 채우지 말고 상부 러그(20)가 2 mm 정도 움직일 수 있도록 유격이 유지된 상태로 체결한다. 즉, 내외측너트(40)(50)와 고무와샤(60)가 일정간격 이격된 상태로 체결한다.

그리고, 진동 지지빔 조합체(100)의 상부 러그(20)를 노즐 연결부에 장착되어 있는 진동 지지빔 브라켓(5)에 조립한다. 또한 하부 러그(30)를 노즐 브라켓 링(6)에 조립한다. 물론, 상기 상하부 러그(20)(30) 중 최소한 어느 하나는 회전이 자유롭도록 힌지 결합되는 것이 바람직하다.

다음으로, 진동 지지빔 조합체(100)를 노즐(2)에 조립 후, 아직 체결이 되지 않은 상부 러그(20)의 내외측너트(40)(50)를 체결한다(체결 토크 : 190 lbf-in). 체결 순서는 0°, 180°, 90°, 270° 순서로 체결한다. 이는 노즐에 불균일한 체결하중이 걸리지 않게 하기 위한 것으로서, 보통 원형 플렌지에 볼트를 체결할 때 대칭으로 체결하여 균일한 체결력이 부가되게 하는 경우와 유사하다. 여기서, 내외측너트(40)(50) 체결 시 고무 와샤(60)에 접하는 너트를 고무에 밀착(너트 체결 시 고무가 눌리지 말아야 함) 후 조립 치구로 고정하고 외측너트(50)를 규정된 조립 토크로 체결한다.

이하, 미설명 도면을 설명하도록 한다.

연소압에 의해서 발생되는 노즐(2)의 축 방향 변위는 약 2mm 정도로 계산되었다. 노즐(2)의 축 방향 변위가 2mm 발생할 때, 진동 지지빔(100)은 축에서 벗어난 조립방향으로 인하여 약 1.8mm 늘어난다. 이와 같이 늘어난 진동 지지빔 변위는 노즐 브라켓 링(6)에 하중을 전달하게 된다. 진동 지지빔으로 인한 하중의 구조 안전성을 확인하기 위해서 도 7과 같은 고무 압축시험을 수행하였다. 진동 지지빔의 대부분 변위는 고무와샤(60)에서 발생함으로 고무와샤(60) 변위에 대한 하중을 측정하여 노즐 브라켓 링(6)에 작용하는 하중을 얻을 수 있다.

도 8에서 보듯이, 약 145 N (14.8 kgf)의 힘이 노즐 브라켓 링(6)에 작용하는 것을 알 수 있다. 노즐의 확장부 구조시험 결과, 도 9에서 보듯이 브라켓 링(6)의 파손하중이 29kN임을 감안하면 아주 안전함을 알 수 있다. 또한 실제 연소시험에서 측정한 노즐(2)의 축 방향 변위는 도 10과 같이 약 1.35 mm로, 해석보다 작게 측정됨을 알 수 있다. 이것은 해석에서 고려하지 않은 추력(출구에서 입구쪽으로 작용)의 영향으로 판단된다. 실제로는 1.8 mm 늘어나서 발생하는 145 N보다 더 작은 힘이 노즐 브라켓 링(6)에 작용하는 것을 알 수 있다. 또한 도 10의 노즐 축 방향 변위에서 보듯이 실제 연소 시험 동안 노즐 끝단(3)과 디퓨져(1) 사이의 충돌 없이 연소시험이 잘 수행된 것을 알 수 있다. 이는, 만약 연소 시험 시 추력 섭동으로 인하여 노즐 끝단(3)과 디퓨져(1)의 충돌이 발생하면 노즐의 축 방향 변위가 도 11의 압력분포와 비례하는 그림이 나오지 않고, 충돌 발생시점에 섭동현상이 발생하기 때문이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 물론이다.

1 : 디퓨져
2 : 노즐
3 : 노즐 끝단
4 : 모사 플렉서블 씰
5 : 진동 지지빔 브라켓
5a : 볼트
5b : 너트
5c : 평와샤
5d : 스프링 와샤
5e : 고무 와샤
6 : 브라켓 링
6a : 볼트
6b : 셀프 락킹 너트(self-locking nut)
6c : 코터 핀
6d : 평와샤
6e : 고무와샤
10 : 러그 체결 브라켓
20 : 상부 러그
30 : 하부 러그
40 : 내측너트
50 : 외측너트
60 : 고무와샤
100 : 진동 지지빔

Claims

러그 체결 브라켓(10);
상기 러그 체결 브라켓(10)의 일단에 연결되고, 노즐(2)의 선단부 측에 구비된 진동 지지빔 브라켓(5)에 연결되는 상부 러그(20);
상기 러그 체결 브라켓(10)의 타단에 연결되고, 노즐(2)의 끝단부 측에 구비된 브라켓 링(6)에 연결되는 하부 러그(30);
상기 러그 체결 브라켓(10)과 상기 상하부 러그(20)(30)를 상호 고정하는 내측너트(40)와 외측너트(50); 및
상기 내외측너트(40)(50)와 상기 러그 체결 브라켓(10) 사이에 개재되는 고무와샤(60);를 포함하는 진동 지지빔.
제1항에 있어서,
상기 상부 러그(20)는 상기 진동 지지빔 브라켓(5)에 힌지 연결된 것을 특징으로 하는 진동 지지빔.
제1항에 있어서,
상기 하부 러그(30)는 상기 브라켓 링(6)에 힌지 연결된 것을 특징으로 하는 진동 지지빔.
제1항에 있어서,
상기 내외측너트(40)(50)는 상기 고무와샤(60)를 압착되지 않은 상태로 밀착 결합하는 것을 특징으로 하는 진동 지지빔.
진동 지지빔(100)을 노즐(2)에 장착하는 방법에 관한 것으로서,
하부 러그(30)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 압착되지 않은 상태로 밀착 체결하는 단계;
상부 러그(20)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 일정 간격 움직일 수 있도록 유지한 상태로 체결하는 단계;
상기 상하부러그(20)(30)를 각각 진동 지지빔 브라켓(5)과 브라켓 링(6)에 연결하는 단계; 및
상기 상부 러그(20)에 체결되는 내외측너트(40)(50)를 고무와샤(60)가 압착되지 않은 상태로 밀착 체결하는 단계;를 포함하는 전동 지지빔 노즐 체결 방법.