KR101192200B1

KR101192200B1 - 고온 및 고속의 가스 분위기에서 사용가능한 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓

Info

Publication number: KR101192200B1
Application number: KR1020100089673A
Authority: KR
Inventors: 김홍규; 송영범; 홍성석; 심인옥
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2012-10-17
Also published as: KR20120027864A

Abstract

본 발명은 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓에 관한 것으로, 상기 노즐장치는, 일단이 상기 추진제의 연소실과 연통되고 타단이 비행체의 외부를 향하도록 형성되며 티타늄 합금으로 이루어지는 노즐부와, 세라믹 재질로 이루어지며 상기 노즐부의 내면상에 코팅되며 상기 노즐부의 일단에서 타단까지 형성되는 코팅부, 및 상기 코팅부의 박리를 방지하도록 상기 노즐부의 일단에서 상기 노즐부 내면과 상기 코팅부의 사이를 덮도록 이루어지는 커버부를 포함한다. 이를 통하여, 보다 경량으로 이루어지는 노즐장치가 구현된다.

Description

고온 및 고속의 가스 분위기에서 사용가능한 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓{NOZZLE DEVICE EXPOSED IN HIGH TEMPERATURE AND HIGH VELOCITY GAS AND ROCKET HAVING THE SAME}

본 발명은 고온 및 고속의 연소가스를 배출하는 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓에 관한 것이다.

티타늄 합금은 저밀도를 나타내어 경량화를 위하여 철강재료를 대체하는 부품이며, 최근에는 군수분야 또는 산업분야 전반에 걸쳐 티타늄 합금의 사용이 확대되고 있다.

그러나 티타늄 합금은 반응성이 높은 재료로서, 높은 연소열 및 낮은 열전도도를 구비하고, 용융온도 이하에서도 자발적으로 점화 및 연소하는 성질이 있다. 나아가 티타늄 합금은 고온 가스에 노출시 열이 내부로 전도되는 양이 다른 금속에 비하여 적어 표면만 급격하게 가열되어 국부적으로 용융될 수 있으므로 비행체의 노즐과 같이 고온 및 고속의 연소가스 분위기에 노출되는 경량화 노즐 장치로 적용하기 어려운 문제점이 있다.

따라서 상기 문제점을 해결하기 위하여 내열 코팅이 적용되는 새로운 노즐장치가 고려된다.

본 발명은 내구성을 유지하면서 보다 경량으로 형성될 수 있는 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 노즐장치는, 일단이 상기 추진제의 연소실과 연통되고 타단이 비행체의 외부를 향하도록 형성되며 티타늄 합금으로 이루어지는 노즐부와, 세라믹 재질로 이루어지며 상기 노즐부의 내면상에 코팅되며 상기 노즐부의 일단에서 타단까지 형성되는 코팅부, 및 상기 코팅부의 박리를 방지하도록 상기 노즐부의 일단에서 상기 노즐부 내면과 상기 코팅부의 사이를 덮도록 이루어지는 커버부를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 커버부는 금속재질의 링 부재를 포함한다. 링 부재는 중공부분이 상기 노즐부의 개구에 대응하도록 배치되며, 몸체가 상기 노즐부 내면과 상기 코팅부의 사이를 덮도록 이루어진다. 상기 중공부분은 상기 노즐부의 단면변화와 연속되도록 상기 연소가스를 배출하는 방향으로 단면이 점차적으로 증가할 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 링 부재는 상기 개구가 형성되는 상기 연소실의 일면상에 배치되고, 내열부재에 의하여 덮인다. 상기 코팅부는 세라믹 분말이 상기 노즐부의 내면상에 용사코팅됨에 의하여 형성될 수 있다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 상기 노즐장치를 구비하는 로켓을 제공한다. 상기 로켓은 로켓본체와, 상기 로켓본체에 내장되며 추진제의 연소를 통하여 상기 본체를 추진시키는 연소가스를 발생시키는 연소실, 및 상기 노즐장치를 포함한다.

본 발명의 로켓과 관련한 일 예에 따르면, 상기 연소실의 일면에는 상기 노즐부의 개구가 형성되며, 상기 커버부는 상기 연소실의 일면에 장착되며, 내열부재에 의하여 덮이도록 이루어지며, 상기 개구를 덮어 상기 연소실을 밀봉시키도록 상기 내열부재와 커버부의 사이에는 판부재가 장착된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓은, 티타늄 합금의 노즐부에 세라믹 재질의 코팅부가 형성됨에 따라 장치의 경량을 구현하고, 고온 및 고속의 가스를 배출할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 노즐부 및 코팅부의 사이를 덮는 커버부를 통하여, 코팅부의 박리가 없어 내구성이 우수한 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓을 구현한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 로켓을 나타내는 개념도.
도 2는 도 1의 노즐장치를 나타내는 확대도.
도 3은 도 2의 노즐장치의 동작도.
도 4는 본 발명과 관련한 노즐장치에서 코팅부가 없는 경우에 대한 실험 사진.
도 5a 및 도 5b는 코팅부는 있으나 커버부가 없는 경우에 대한 실험 사진들.
도 6은 코팅부 및 커버부가 모두 있는 경우에 대한 실험 사진.

이하, 본 발명에 관련된 고온 및 고속의 가스 분위기에서 사용가능한 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일?유사한 구성에 대해서는 동일?유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 로켓을 나타내는 개념도이다.

본 도면을 참조하면, 로켓본체(110)는 비행이 가능한 비행체이며, 예를 들어 유도무기 등이 될 수 있다. 로켓(100)은 페이드로부(120), 연소실(130) 및 노즐장치(140)를 포함한다.

페이드로부(120)는 로켓본체(110)의 추진 또는 발사 방향에 대하여 선단에 형성되며, 도시한 바와 같이 원추형으로 이루어진다. 연소실(130)은 로켓본체(110)에 내장되며, 상기 연소실(130)에서 추진제가 연소하며, 이를 통하여 로켓본체(110)를 추진시키는 연소가스가 생성된다.

노즐장치(140)는 로켓본체(110)의 후단에 장착되어 연소가스의 유동을 안내하며, 본체(110)의 추진 또는 발사시에 연소가스를 본체(110)의 외부로 분출시키도록 형성된다. 보다 구체적으로, 노즐장치(140)는 연소가스를 배출시키도록 연소실(130)과 연결되는 노즐부(141)와, 상기 노즐부(141)에 내열특성을 부여하는 코팅부(142)와, 상기 코팅부(142)의 박리를 방지하는 커버부(143, 이상 도 2 참조)로 이루어진다.

이하, 상기 노즐장치(140)에 대하여 보다 상세히 설명한다. 도 2는 도 1의 노즐장치를 나타내는 확대도이고, 도 3은 도 2의 노즐장치의 동작도이다.

노즐부(141)는 티타늄 합금으로 이루어지며, 배출되는 연소가스를 가속시키도록 형성된다. 노즐부(141)는, 예를 들어 확대노즐이 될 수 있다. 다만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 수축노즐 등도 본 발명의 노즐부(141)에 적용가능하다.

도시에 의하면, 노즐부(141)는 일단이 추진제의 연소실(130)와 연통되고 타단이 로켓(100, 도 1 참조)의 외부를 향하도록 형성된다. 예를 들어, 연소실(130)의 일면에는 노즐부(141)의 개구(141a)가 형성되며, 노즐부(141)의 개구(141a)는 연소실(130)의 일면에 대하여 급축소단면을 형성한다.

코팅부(142)는 세라믹 재질로 이루어지며, 노즐부(141)의 내면상에 코팅된다. 코팅부(142)는, 예를 들어 세라믹 분말이 상기 노즐부의 내면상에 용사코팅됨에 의하여 형성될 수 있다.

코팅부(142)는 노즐부(141)의 일단에서 타단까지 형성된다. 즉, 코팅부(142)는 노즐부(141)의 개구(141a)로부터 형성되기 시작하며, 이에 따라, 코팅부(142)의 단부는 연소실(130)을 바라보게 되며, 코팅부(142)의 단부에서 노즐부(141) 내면과 코팅부(142)의 사이가 연소실(130)을 향하여 노출된다.

커버부(143)는 코팅부(142)의 박리를 방지하도록, 노즐부(141)의 일단에서 상기 노즐부(141) 내면과 코팅부(142)의 사이를 덮도록 이루어진다.

예를 들어, 커버부(143)는 금속재질의 링 부재(143a)를 포함한다. 링 부재(143a)는 고융점의 재질로 형성된다. 링 부재(143a)는 중공부분이 노즐부(141)의 개구(141a)에 대응하도록 배치되며, 몸체가 노즐부(141) 내면과 코팅부(142)의 사이를 덮도록 이루어진다.

링 부재(143a)의 중공부분은 노즐부(141)의 단면변화와 연속되게 연소가스를 배출하는 방향으로 단면이 점차적으로 증가하도록 형성된다. 이를 통하여, 링 부재(143a)는 노즐부(141)의 영역을 확장하게 된다.

도시에 의하면, 링 부재(143a)는 개구(141a)가 형성되는 연소실(130)의 일면상에 배치되고, 내열부재(144)에 의하여 덮이도록 이루어진다. 내열부재(144)는 연소실(130)에 장착되어 링 부재(143a)를 고정시키며, 내열부재(144)에는 노즐부(141)와 연통되는 관통홀(144a)이 형성된다. 관통홀(144a)은 노즐부(141)의 단면변화와 연속되도록 형성될 수 있다.

내열부재(144)와 커버부(143)의 사이에는 판부재(145)가 장착된다. 판부재(145)는 개구(141a)를 덮어 연소실(130)을 밀봉시키며, 예를 들어 알루미늄의 얇은 판재가 될 수 있다.

도 3을 참조하면, 추진제가 연소되면, 연소실(130)이 고압, 고온의 상태로 변하게 되며, 이를 통하여 판부재(145)가 관통되면서 고온, 고속의 연소가스가 노즐부(141)로 진입하게 된다.

고온, 고속의 연소가스는 내열부재(144)를 거쳐서 코팅부(142)쪽으로 배출되므로, 고온의 가스는 티타늄 합금의 노즐부(141)에 직접 닿지 않게 된다. 또한, 커버부(143)가 노즐부(141)의 일단에서 노즐부(141) 및 코팅부(142)의 사이로 연소가스가 유입되는 것을 제한하고, 코팅부(142)가 노즐부(141) 내면을 보호함에 따라 티타늄 합금 표면의 급격한 가열이 억제된다.

도 4는 본 발명과 관련한 노즐장치에서 코팅부가 없는 경우에 대한 실험 사진이고, 도 5a 및 도 5b는 코팅부는 있으나 커버부가 없는 경우에 대한 실험 사진들이며, 도 6은 코팅부 및 커버부가 모두 있는 경우에 대한 실험 사진이다.

도 4는 티타늄 합금의 노즐부에 내열코팅이 없이, 고온 고속 가스 분위기하에서 유지되었을 때 노즐부의 손상 정도를 나타낸다. 도 5a 및 도 5b는 티타늄 합금의 노즐부에 내열코팅이 되고, 고온 고속 가스 분위기하에서 유지된 경우에 노즐부의 손상 정도를 나타낸다.

도 6은 내열코팅과 함께 내열부재와 노즐부 사이에 링 부재가 삽입되고, 노즐부가 고온 고속 가스 분위기에 노출되었을 때의 외관 사진이다.

본 도면들을 참조하면, 내열코팅이 없는 경우에는 고온 고속 가스에 의해 티타늄 합금에 용융 손상이 발생하였고, 티타늄 합금에 내열코팅만이 된 경우에는 코팅부과 노즐부의 틈사이에 연소가스가 통과하면서 코팅부의 박리가 일어난다. 나아가 코팅층의 박리에 의하여 노즐부의 내면이 고온 가스에 노출되고, 상기 내면에는 부분 용융이 발생한다. 이에 반해, 도 6과 같이 코팅부 및 커버부가 함께 구비된 노즐장치에서는 노즐부의 손상이 나타나지 않는다.

이와 같은 코팅 및 링부재의 삽입에 의한 내열코팅 방법은 고온에서의 단열 부품에 적용될 수 있으며, 나아가 고온 고속 가스에 의한 삭마가 일어나는 부품에 적용될 수 있다.

상기와 같은 고온 및 고속의 가스 분위기에서 사용가능한 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims

비행체를 추진하도록 추진제의 연소가스를 배출하는 노즐장치에 있어서,
일단이 상기 추진제의 연소실과 연통되고 타단이 상기 비행체의 외부를 향하도록 형성되며, 티타늄 합금으로 이루어지는 노즐부;
세라믹 재질로 이루어지며, 상기 노즐부의 내면상에 코팅되며, 상기 노즐부의 일단에서 타단까지 형성되는 코팅부; 및
상기 코팅부의 박리를 방지하도록, 상기 노즐부의 일단에서 상기 노즐부 내면과 상기 코팅부의 사이를 덮도록 이루어지는 커버부를 포함하며,
상기 커버부는 금속재질의 링 부재를 구비하며,
상기 링 부재는, 상기 노즐부의 개구에 대응하도록 배치되는 중공부분과, 상기 노즐부의 일단에서 상기 노즐부 내면과 상기 코팅부의 사이를 덮도록 이루어지는 몸체를 포함하는 노즐장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 중공부분은 상기 노즐부의 단면변화와 연속되도록 상기 연소가스를 배출하는 방향으로 단면이 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 노즐장치.
제1항에 있어서,
상기 링 부재는 상기 개구가 형성되는 상기 연소실의 일면상에 배치되고, 내열부재에 의하여 덮이는 것을 특징으로 하는 노즐장치.
제1항에 있어서,
상기 코팅부는 세라믹 분말이 상기 노즐부의 내면상에 용사코팅됨에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 노즐장치.
로켓본체;
상기 로켓본체에 내장되며, 추진제의 연소를 통하여 상기 본체를 추진시키는 연소가스를 발생시키는 연소실: 및
상기 연소가스를 배출시키도록 상기 연소실과 연결되며 티타늄 합금으로 이루어지는 상기 노즐부와, 상기 노즐부의 내면상에 코팅되는 상기 코팅부와, 상기 코팅부의 박리를 방지하도록 상기 노즐부 내면과 상기 코팅부의 사이를 덮도록 이루어지는 상기 커버부를 구비하고, 제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따르는 노즐장치를 포함하는 로켓.
제6항에 있어서,
상기 연소실의 일면에는 상기 노즐부의 개구가 형성되며,
상기 커버부는 상기 연소실의 일면에 장착되며, 내열부재에 의하여 덮이도록 이루어지며,
상기 개구를 덮어 상기 연소실을 밀봉시키도록 상기 내열부재와 커버부의 사이에는 판부재가 장착되는 것을 특징으로 하는 로켓.