KR101183453B1 - 단일추진제 추력기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단일추진제 추력기에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 추진제와 촉매 반응을 사용하는 단일추진제 추력기에 있어서, 추진제가 촉매 반응기를 지나며 발생하는 압력강하는 최소화함과 동시에, 다량의 추진제를 분해시켜 단일추진제 추력기의 추력 성능을 향상시킬 수 있는, 단일추진제 추력기를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단일추진제 추력기는, 촉매 반응을 통해 가스를 생성하는 촉매 반응기(110)와, 상기 촉매 반응기(110)에서 생성된 가스를 분사하여 추력을 발생시키는 노즐(120)을 포함하여 이루어지는 단일추진제 추력기(100)에 있어서, 상기 노즐(120)을 통과하는 가스의 흐름 방향을 축 방향이라 하고, 축 방향에 수직한 방향을 반경 방향이라 하고, 상기 촉매 반응기(110)에서 축 방향에 나란한 면을 측면이라 할 때, 촉매가 상기 촉매 반응기(110)의 측면으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

단일추진제 추력기 {Monopropellant Thruster}

본 발명은 단일추진제 추력기에 관한 것이다.

지상에서 고공이나 우주로 발사체를 쏘아 올리기 위하여 사용되는 로켓 엔진은 매우 강한 추력을 필요로 한다. 일반적인 로켓 엔진은 화학 추진제를 연소시키는 연소실과 연소실에서 만들어진 가스를 가속하여 방향성을 갖게 하기 위한 노즐로 구성되며, 단위 시간 동안 추진제의 질량을 노즐에서 가속하면 질량이 가속되는 방향과 반대 방향에 추력이 생기는 원리를 이용하여 비행하게 된다. 요컨대 연소실에서 추진제를 연소시켜 만들어진 가스를, 노즐로 방향성을 줌으로써 그 반대 방향에 추력이 생겨 대기가 없는 우주 공간에서도 비행할 수 있게 되는 것이다.

로켓 동력 비행체는 탄도 미사일 등과 같은 군사용 비행체와, 인공위성을 쏘아 올리는 등과 같은 목적으로 사용되는 우주용 비행체로 크게 나뉠 수 있다. 이와 같은 로켓 동력 비행체의 제작 및 운용은 상당히 많은 비용이 들게 되며, 따라서 로켓 엔진에서 에너지 손실을 보다 줄이면서도 더욱 강한 추력을 얻을 수 있도록 하기 위한 다양한 추진제 및 추력기에 대한 연구가 꾸준히 지속되어 왔다.

짧은 시간에 많은 에너지를 발생시키며 큰 추력을 얻을 수 있는 대표적인 방법이 액상의 추진제를 사용하여 화학적 반응을 통해 추진하는, 단일추진제 또는 이원추진제 로켓 엔진이다. 이 중 단일추진제 추력기는 한 종류의 추진제를 사용하며, 촉매 반응을 거쳐 발생된 고온 고압의 생성물을 노즐을 통해 외부로 분사함으로써 작용/반작용 원리에 의해 노즐 분사 반대 방향으로 추진력을 얻어 나아가게 된다. 이와 같은 엔진은 우주 개발에 필수 요소이며, 인공위성 또는 발사체의 자세 제어 및 미사일 등 국방과 연관이 깊어 기술 선진국으로부터의 기술 이전이 거의 불가능하다. 현재 많은 나라에서 이러한 로켓 기술을 확보하기 위한 다양한 연구를 진행 중에 있으며, 독자적인 개발을 통한 원천기술의 개발이 반드시 필요하다.

과산화수소는 화학기호로 H₂O₂이며, 촉매나 열분해를 통해 수증기와 산소로 분해된다. 단일추진제 추력기에 과산화수소를 적용하기 위해서, 상온에서의 촉매 반응을 이용하여 고온 고압의 가스를 노즐로 분출시키게 된다. 이러한 촉매 반응기의 설계 기술은 단일추진제 추력기 설계 기술의 대부분을 차지하며, 안정적인 촉매 반응기 설계는 매우 중요하다. 일반적으로 촉매 반응기 설계 시에 사용하는 추진제 유량 대비 설계 촉매 반응기의 크기가 결정되며, 이와 동시에 추진제가 촉매 반응기를 지나며 발생하는 압력 강하는 반응기의 형상 및 촉매 반응 안정성에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 압력강하가 클수록 공급해야 할 압력이 높아서 시스템이 전체적으로 높은 압력을 대비한 설계가 이루어져야 하며, 압력 강하의 상승에 따라 단일추진제 추력기의 압력 불안정성이 증가하는 경향을 보인다. 따라서 가능한 최소의 압력강하가 발생하도록 설계하여야 한다.

기존에는 압력강하를 줄이기 위해서 단순히 길이 방향의 요소를 줄이는 방법을 사용하였는데, 이러한 방법이 논문 "Scaling and Evaluation of Pt/Al2O3 Catalytic Reactor for Hydrogen Peroxide Monopropellant Thruster"(An, S., and Kwon, S., Journal of Propulsion and Power, Vol. 25, 2009, pp. 1041-1045, 이하 선행기술)에서 보다 구체적으로 설명되어 있다. 그런데, 이는 단일추진제 추력기의 형상이 면적 방향으로 증가하여, 설계 시 형상에 제약을 받기 때문에 바람직하지 못하다.

상기 선행기술에서의 문제점을 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 일반적으로 과산화수소 단일추진제 추력기의 경우, 평판 상에 다수 개의 오리피스가 배치 구비된 형태로 구성된 샤워헤드 형상의 인젝터를 이용하여 액상의 과산화수소를 공급하는 형상을 지닌다. 설계 과산화수소의 공급 유량을 모두 촉매 분해시키기 위해, 사용되는 촉매에 해당하는 촉매 반응기 최적부피가 존재하며, 이를 만족시키도록 설계가 이루어진다. 최적 부피를 달성하기 위해서는 반응기의 단면적과 길이 방향 요소를 고려해야 한다. 이 때, 길이 방향 요소는 압력강하를 증가시키는 직접적인 요소로, 가능한 최소로 설계되어야 하기 때문에, 결국 단면적 증가로 이어진다. 하지만 설계 추력기가 증가할수록 공급 과산화수소의 유량은 증가하며, 이를 만족시키기 위해 부피가 증가하게 된다. 결국 단면적이 증가하는 설계 형상을 지니게 되며, 지속적인 단면적 증가로 설계 추진력을 만족시키는 것은 바람직하지 못한 것이다. 따라서 설계 시 추력기 형상에 제약을 최소화하며, 압력강하를 줄일 수 있는 방법이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 추진제와 촉매 반응을 사용하는 단일추진제 추력기에 있어서, 추진제가 촉매 반응기를 지나며 발생하는 압력강하는 최소화함과 동시에, 다량의 추진제를 분해시켜 단일추진제 추력기의 추력 성능을 향상시킬 수 있는, 단일추진제 추력기를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 단일추진제 추력기는, 촉매 반응을 통해 가스를 생성하는 촉매 반응기(110)와, 상기 촉매 반응기(110)에서 생성된 가스를 분사하여 추력을 발생시키는 노즐(120)을 포함하여 이루어지는 단일추진제 추력기(100)에 있어서, 상기 노즐(120)을 통과하는 가스의 흐름 방향을 축 방향이라 하고, 축 방향에 수직한 방향을 반경 방향이라 하고, 상기 촉매 반응기(110)에서 축 방향에 나란한 면을 측면이라 할 때, 촉매가 상기 촉매 반응기(110)의 측면으로 공급되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 촉매 반응기(110)는 축 방향에 나란한 방향으로 연장되며 단면이 다각형 또는 폐곡면으로 이루어지는 기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 촉매 반응기(110)는 상기 촉매 반응기(110)의 중심축 위치에서 가스가 생성되어 상기 노즐(120) 측으로 분사되도록, 상기 촉매 반응기(110)의 측면으로 공급된 촉매가 반경 방향을 따라 내측으로 유동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 단일추진제 추력기(100)는 과산화수소, 하이드라진, HAN(Hydroxyl Ammonium Nitrate)를 포함하는 단일추진제 중 선택되는 어느 한 가지를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 과산화수소가 측면에서 공급되기 때문에 큰 유량에서도 낮은 압력강하를 유지할 수 있는 효과가 있으며, 이에 따라 추력기의 압력 불안정성을 크게 줄일 수 있어, 단일추진제 추력기의 신뢰성 있는 설계 및 제작이 가능하게 해 주는 큰 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 과산화수소가 측면에서 공급됨으로써 촉매 반응이 완료된 고온 고압의 생성물이 촉매 반응기 중심에 집중되기 때문에 촉매 반응기 제작 시 재료의 열적 안정성 증가와 동시에 열손실을 최소화하여 성능을 증가시킬 수 있는 큰 효과가 있다.

도 1은 단일추진제 추력기.
도 2는 종래의 단일추진제 추력기의 작동 상태도.
도 3은 본 발명의 단일추진제 추력기의 작동 상태도.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 단일추진제 추력기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1은 단일추진제 추력기의 주요 부품을 개략적으로 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 단일추진제 추력기(100)는 촉매 반응을 통해 가스를 생성하는 촉매 반응기(110)와, 상기 촉매 반응기(110)에서 생성된 가스를 분사하여 추력을 발생시키는 노즐(120)을 포함하여 이루어진다. 이 때, 상기 노즐(120)을 통과하는 가스의 흐름 방향을 축 방향이라 하고, 축 방향에 수직한 방향을 반경 방향이라 하고, 상기 촉매 반응기(110)에서 축 방향에 나란한 면을 측면이라 한다.

도 1에서 상기 촉매 반응기(110)는 원기둥 형상으로 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이로써 상기 촉매 반응기(110)의 형상이 한정되는 것은 물론 아니다. 이에 대해서는 이후에 보다 상세히 설명한다.

또한, 상기 촉매 반응기(110)는, 실제 촉매 반응이 일어나는 촉매 반응 베드(112)와, 상기 촉매 반응 베드(112)를 포함하는 부품들을 그 내부에 수용하는 촉매 반응 챔버(111)를 포함하여 이루어지게 된다.

도 2는 종래의 단일추진제 추력기의 작동 상태를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 종래의 촉매 반응기(100')에서는 상기 촉매 반응기(100')의 길이 방향, 즉 상기 노즐(120)을 통과하는 가스의 흐름 방향과 나란하게 촉매가 유동되어 공급된다. 촉매가 유동되어 진행함에 따라 압력강하가 발생하게 되는 바, 따라서 압력강하를 줄이기 위해서는 종래에는 촉매 반응기(100')의 길이를 줄이는 수밖에 없는 문제가 있었다.

도 3은 본 발명의 단일추진제 추력기의 작동 상태를 도시한 것이다. 본 발명에서는 촉매가 상기 촉매 반응기(110)의 측면으로 공급되는 것을 특징으로 한다. 상술한 바와 같이 여기에서, 측면이란 상기 촉매 반응기(110)에서 축 방향에 나란한 면을 말하며, 도면에서와 같이 상기 촉매 반응기(110)가 원기둥 형상으로 형성된 경우 곡면으로 형성된 옆면이 측면이 된다. 상기 촉매 반응기(110)의 형상을 보다 상세히 설명하자면, 상기 촉매 반응기(110)는 축 방향에 나란한 방향으로 연장되며 단면이 다각형 또는 폐곡면으로 이루어지는 기둥 형상으로 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 즉 본 발명에서는, 상기 촉매 반응기(110)가 축 방향으로 연장되는 형태의 형상으로 이루어져, 축 방향에 대하여 수직인 방향, 즉 반경 방향으로 촉매가 공급되게 되는 것이다.

특히 본 발명에서 상기 촉매 반응기(110)는, 도 3에 도시되어 잇는 바와 같이 상기 촉매 반응기(110)의 중심축 위치에서 가스가 생성되어 상기 노즐(120) 측으로 분사되도록, 상기 촉매 반응기(110)의 측면으로 공급된 촉매가 반경 방향을 따라 내측으로 유동되도록 한다. 보다 상세히 설명하자면, 촉매는 상기 촉매 반응기(110)의 외곽에서 공급되어 중심부로 흐르면서 상기 촉매 반응 베드(112)에서 촉매 반응을 일으키게 된다. 이와 같이 촉매 반응을 통해 발생한 고온, 고압의 수증기와 산소는, 상기 촉매 반응기(110) 중심에 위치한 통로를 통하여 상기 단일추진제 추력기(100)의 상기 노즐(120)로 배출됨으로써 추력이 발생된다.

이와 같이 함으로써, 상기 촉매 반응기(110)의 측면으로 공급된 촉매의 유동 거리는 상기 촉매 반응기(110)의 반경이 되며, 따라서 상기 촉매 반응기(110)의 길이에 비해 훨씬 유동 거리가 짧기 때문에 압력강하가 훨씬 줄어들게 된다. 따라서 종래에는, 유량을 늘리고자 하여도 압력강하 때문에 상기 촉매 반응기(110)의 길이를 늘리는데 한계가 있었으나, 본 발명의 경우 상기 촉매 반응기(110)의 길이가 길어도 압력강하와 관계되는 유동 거리는 반경에 의해 결정되는 바, 종래에 비해 훨씬 유량 증대 설계가 자유로워지게 된다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 상술한 바와 같이 압력강하량이 반경에 의해 결정되기 때문에, 높은 촉매 유량에도 압력강하를 상기 촉매 반응기(110) 반경을 지나는 정도로 일정하게 유지시킬 수 있어, 상기 단일추진제 추력기(100)의 압력 불안정성을 크게 줄일 수 있다.

또한, 이와 같이 과산화수소와 같은 촉매가 측면에서 공급되며, 촉매반응이 완료된 고온, 고압의 생성물이 상기 촉매 반응기(110) 중심에 집중되기 때문에, 촉매 반응기 제작 시 재료의 열적 안정성 증가와 동시에 열손실을 최소화하여 성능을 증가시킬 수 있다. 즉, 상온의 과산화수소는 냉각수 역할을 하며 반응기의 재질을 보호하고, 고온의 생성물은 촉매 반응기 중심부에 위치하여 열적 손실을 최소화함으로써 단일추진제 추력기의 성능을 향상시킬 수 있는 것이다.

상기 단일추진제 추력기(100)의 구조는 촉매로서 과산화수소만을 사용하는 것이 아니라, 하이드라진, HAN(Hydroxyl Ammonium Nitrate) 등과 같은 다양한 단일추진제 중 선택되는 어느 것을 사용하는 추력기에든 자유로이 적용될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 단일추진제 추력기
110: 촉매 반응기
111: 촉매 반응 챔버
112: 촉매 반응 베드
120: 노즐

Claims (4)

1. 촉매 반응을 통해 가스를 생성하는 촉매 반응기(110)와, 상기 촉매 반응기(110)에서 생성된 가스를 분사하여 추력을 발생시키는 노즐(120)을 포함하여 이루어지는 단일추진제 추력기(100)에 있어서,
   상기 노즐(120)을 통과하는 가스의 흐름 방향을 축 방향이라 하고, 축 방향에 수직한 방향을 반경 방향이라 하고, 상기 촉매 반응기(110)에서 축 방향에 나란한 면을 측면이라 할 때,
   촉매가 상기 촉매 반응기(110)의 측면을 따라 축 방향으로 유입되어 내측 중심을 향해 반경 방향으로 흘러가도록 공급되는 것을 특징으로 하는 단일추진제 추력기.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 반응기(110)는
   축 방향에 나란한 방향으로 연장되며 단면이 다각형 또는 폐곡면으로 이루어지는 기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단일추진제 추력기.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 촉매 반응기(110)는
   상기 촉매 반응기(110)의 중심축 위치에서 가스가 생성되어 상기 노즐(120) 측으로 분사되도록, 상기 촉매 반응기(110)의 측면으로 공급된 촉매가 반경 방향을 따라 내측으로 유동되는 것을 특징으로 하는 단일추진제 추력기.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 단일추진제 추력기(100)는
   과산화수소, 하이드라진, HAN(Hydroxyl Ammonium Nitrate)를 포함하는 단일추진제 중 선택되는 어느 한 가지를 사용하는 것을 특징으로 하는 단일추진제 추력기.

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