KR101428575B1 - 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법 - Google Patents

일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법 Download PDF

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KR101428575B1
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황태경
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 연소관에 관한 것으로, 고체로켓 추진기관으로 사용되는 연소관에 있어서, 관형상의 금속보스가 중심축상에 장착된 전방돔부와, 금속보스와 동일 중심축을 이루며 전방돔부로부터 연장되어 형성된 원통부와, 원통부와 일치되도록 전방돔부에 끼워진 관형상의 전방스커트를 포함하며, 전방돔부와 원통부는 고무층 및 탄소섬유층이 적층되어 형성되되, 서로 다른 탄소섬유층이 전방돔부와 원통부에 코팅된 것을 특징으로 하며, 전방돔부를 형성하기 위한 기초층이 원통부에서 제거되어 원통부의 두께가 얇아지므로, 연소관의 내부공간이 증가되 적재되는 추진제의 양이 증가 되는 효과가 있는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법을 제공한다.

Description

일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법{COMPOSITE COMBUSTION-PIPE WITH ENTIRE-COSMETIC, SEPARATED-TYPE-DOME AND MANUFACTURE METHOD THEREOF}
본 발명은 연소관에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연소관의 부위에 따라 플라멘트 와인딩을 통해 탄소섬유층을 각기 개별적으로 형성하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법에 관한 것이다.
탄소섬유를 사용한 기존의 연소관 중 대부분은 돔 부위가 원통부와 일체형으로 구성되어 있다. 이러한 일체형 돔을 가진 연소관은 구조상의 안정성은 높으나, 돔을 형성하기 위하여 내부 공간의 크기가 제약되어 원통부 내부에 적재되는 추진제의 양이 제한적이며, 돔 부위에 감기는 탄소섬유가 원통부 전체에 감기게 되어 원통부의 두께가 필요 이상으로 증가 되는 단점이 있다.
또한, 기존의 연소관 중 일부는 돔 부위가 별도로 제작된 것도 있는데, 돔 부위와 원통부가 별개로 제작되고, 제작된 후 나중에 접착되므로, 돔 부위와 원통부 사이의 접합부 특성에 따라 구조적으로 약한 부위가 생겨서 안정성이 낮아지는 단점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1192203호(2012.10.11.)
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 돔 부위와 원통부를 일체로 제작하되, 탄소섬유층을 부위에 따라 각기 개별적으로 형성하여 구조상으로도 안전하며, 원통부의 두께가 최소화되어 원통부 내부에 적재되는 추진제의 양이 증가 되는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관에 따르면, 고체로켓 추진기관으로 사용되는 연소관에 있어서,관형상의 금속보스가 중심축상에 장착된 전방돔부와, 금속보스와 동일 중심축을 이루며 전방돔부로부터 연장되어 형성된 원통부와, 원통부와 일치되도록 전방돔부에 끼워진 관형상의 전방스커트를 포함하며, 전방돔부와 원통부는 고무층 및 탄소섬유층이 적층되어 형성되되, 서로 다른 탄소섬유층이 상기 전방돔부(100)와 상기 원통부(200)에 코팅된 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관을 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따르면, 부츠고무 및 내열고무가 코팅되며 금속보스가 장착된 연소관 금형을 필라멘트 와인딩기에 장착하는 성형준비단계와, 금형에 합성수지가 코팅된 탄소섬유를 감아 기초층을 형성하는 기초코팅단계와, 금속보스로부터 금형의 길이방향을 따라 전방돔부의 길이만큼 이격한 후, 수직으로 기초층을 절개하여 절단부를 형성하고 절단부를 기준으로 금속보스의 반대편에 코팅된 기초층을 제거하여 전방돔부를 형성하는 전방돔부형성단계와, 전방돔부에 전방스커트를 금형과 수평이 되도록 삽입하는 전방스커트장착단계와, 전방스커트와 금형의 둘레에 탄소섬유를 감아 보강층과 표피층을 원통부에 형성하는 원통부형성단계와, 금형으로부터 전방돔부 및 원통부를 분리하는 탈거단계를 포함하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법을 제공한다.
이러한 본 발명에 따른 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법에 따르면, 전방돔부 형성을 위힌 기초층이 원통부에서 제거되어 원통부의 두께가 얇아지므로, 내부공간이 증가되 연소관에 적재되는 추진제의 양이 증가 되는 효과가 있다.
또한, 전방돔부와 원통부가 일체로 성형되므로 접합부 특성에 따른 내구성 저하가 발생되지 않는다.
또한, 원통부의 기초층이 제거되므로, 연소관의 무게가 감소되 추진기관의 성능이 향상된다.
또한, 전방돔부에는 기초층 만이 복합층으로 코팅되므로, 연소관이 예기치 않은 화염에 노출되었을 때, 열에 의해 수지가 연화됨으로써 체결력이 감소 되어 연소관 전방돔부가 낮은 압력에서 분리될 수 있으며, 그로 인하여 폭발 가능성이 낮아지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 단면도,
도 2는 도 1의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 요부단면도,
도 3은 도 1의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법의 절차도
도 5는 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 기초층이 형성되는 사진,
도 6은 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 절단부가 절개되는 사진,
도 7은 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 절단부에 탄소섬유가 감겨진 사진,
도 8은 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 접선부쐐기가 형성되는 사진이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 단면도이고, 도 2는 도 1의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 요부단면도이고, 도 3은 도 1의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 고체로켓 추진기관으로 사용되는 연소관에 있어서, 관형상의 금속보스(110)가 중심축상에 장착된 전방돔부(100)와, 금속보스(110)와 동일 중심축을 이루며 전방돔부(100)로부터 연장되어 형성된 원통부(200)와, 원통부(200)와 일치되도록 전방돔부(100)에 끼워진 관형상의 전방스커트(300)를 포함하며, 전방돔부(100)와 원통부(200)는 고무층 및 탄소섬유층이 적층되어 형성되되, 서로 다른 탄소섬유층이 전방돔부(100)와 원통부(200)에 코팅된 것을 특징으로 한다.
전방돔부(100)에는 탄소섬유가 나사선 형태로 감겨 기초층(C1)이 탄소섬유층으로 코팅되며, 원통부(200)와 전방스커트(300)에는 탄소섬유가 나사선 형태로 감겨 보강층(C2)이 제1탄소섬유층으로 코팅되고 그 위에 탄소섬유가 연소관의 원주방향으로 감겨 표피층(C3)이 제2탄소섬유층으로 코팅된다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 전방스커트(300)와 대칭이 되도록 원통부(200)의 일측에 후방스커트(400)가 형성된다.
원통부(200)에 형성된 후방스커트(400) 내측에 전방돔부(100)와 대칭을 이루는 후방돔부가 형성될 수도 있으나, 본 발명의 일실시예에서는 후방스커트(400) 내측에 볼트를 이용하여 노즐이 장착된다.
금속보스(110)는 관형상의 체결부(111)와 체결부(111)의 일측에 형성된 플랜지(112)로 이뤄지며, 체결부(111)가 원통부(200)와 동심축을 이루며 전방돔부(100)에 형성된 중공과 일치되도록 플랜지(112)가 전방돔부(100)를 이루는 부츠고무(R1)에 부착된다.
체결부(111)에는 점화장치가 삽입되어 원통부(200) 내측에 저장된 추진제를 점화하여 연소관이 앞으로 이동되도록 하는 추력을 발생하게 된다.
부츠고무(R1)와 플랜지(112) 사이에 보스부고무(R4)가 개재되는데, 보스부고무(R4)는 금속보스(110)가 부츠고무(R1)에 부착되게 한다. 또한, 금속보스(110) 위로 적층되는 기초층(C1)이 금속보스(110)에 가해지는 외력에 의해 파손되는 것을 방지하기 위해 금속보스(110) 위에 전단고무층을 코팅하는 것이 바람직하다.
전방돔부(100)와 전방스커트(300) 사이의 간극에 접선부쐐기(310)가 형성되는데, 접선부쐐기(310)는 전방돔부(100)와 전방스커트(300) 사이에 존재하는 틈을 매꿔 진동 소음을 저감함과 동시에 진동에 의한 전방스커트(300)의 파손을 막기 위함이다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 일실시예는 도 4에 도시된 절차도에 의해 제작된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법의 절차도이고, 도 5는 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 기초층이 형성되는 사진이고, 도 6은 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 절단부가 절개되는 사진이고, 도 7은 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 절단부에 탄소섬유가 감겨진 사진이고, 도 8은 도 4의 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법에 따라 접선부쐐기가 형성되는 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제작방법은, 부츠고무(R1) 및 내열고무(R2)가 코팅되며 금속보스(110)가 장착된 연소관 금형(MP)을 필라멘트 와인딩기에 장착하는 성형준비단계(S1)와, 금형(MP)에 합성수지가 코팅된 탄소섬유를 감아 기초층(C1)을 형성하는 기초코팅단계(S2)와, 금속보스로(110)부터 금형(MP)의 길이방향을 따라 전방돔부의 길이만큼 이격한 후, 수직으로 기초층(C1)을 절개하여 절단부(210)를 형성하고 절단부(210)를 기준으로 금속보스(110)의 반대편에 코팅된 기초층(C1)을 제거하여 전방돔부(100)를 형성하는 전방돔부형성단계(S3)와, 전방돔부(S3)에 전방스커트(300)를 금형(MP)과 수평이 되도록 삽입하는 전방스커트장착단계(S4)와, 전방스커트(300)와 금형(MP)의 둘레에 탄소섬유를 감아 보강층(C2)과 표피층(C3)을 원통부(200)에 형성하는 원통부형성단계(S5)와, 금형(MP)으로부터 전방돔부(100) 및 원통부(200)를 분리하는 탈거단계(S6)를 포함한다.
성형준비단계(S1)에서는 일측이 돔형상을 하며 그 지름이 하는 추진관의 지름과 동일한 금형(MP)에 부츠고무(R1)를 코팅한 다음, 금속보스(110)가 부착된 보스부고무(R4)를 부츠고무(R1)에 부착하여 금속보스(110)를 금형(MP)에 코팅된 부츠고무(R1)에 고정하고 내열고무(R2)를 코팅하게 된다. 위와 같이 준비된 금형(MP)이 필라멘트 와인딩기에 고정된다.
이때, 금속보스(110)가 와인딩기에 구비된 고정체 내부에 삽입되도록 하는 것이 바람직하다.
내열고무(R2)는 원통부(200) 내부에 코팅됨으로써 추진제 연소시 발생되는 열에 의해 연소관이 변형되는 것을 막게 된다.
기초코팅단계(S2)에서는 필라멘트 와인딩기를 작동시켜 고정된 금형(MP)의 외측에 탄소섬유를 나사선모양으로 감게 된다. 이때, 전방돔부(100)는 폴라감기를 응용하여 반구형상의 전방돔부(100)에 탄소섬유를 코팅시키는 것이 바람직하다(도 5 참조).
전방돔부형성단계(S3)에서, 기초층(C1)이 유동되는 것을 방지하기 위해, 금속보스(110)로부터 절단부(210)까지 가열하여 합성수지를 겔화시킨 다음, 절단부(210)위에 테이프 등을 감아 기초층(C1)이 금형(MP)으로부터 이탈되는 것을 방지한 뒤 절단부(210)를 절개하는 것이 바람직하다(도 6 참조).
또한, 절단부(210)를 절개한 후에는 원통부(200)를 덮고 있는 기초층(C1)을 빠르게 제거한 뒤, 남은 기초층(C1)이 와해 되는 것이 방지되도록, 절단부(210)를 따라 탄소섬유를 금형(MP)의 원주 방향으로 와인딩하게 된다.
본 발명의 일실시예에서는 기초층(C1)이 코팅된 전방돔부(100)와 기초층(C1)이 제거된 원통부(200)의 접점에 전단고무층(R3)을 형성하여 조직이 불균일하여 발생되는 응력을 최소화하게 된다(도 7 참조).
전방스커트장착단계(S4)는 연소관에서 발생되는 추력에 의해 이동시키고자 하는 탄두 또는 폭발물을 전방돔부(100) 외측에 부착하기 위한 전방스커트(300)를 전방돔부(100)의 둘레에 삽입하는 단계이다. 이때, 전방스커트(300)는 볼트를 사용하여 원통부(200)에 고정하는 것이 바람직하다.
탈거단계(S6)는 금형(MP)으로부터 전방돔부(100) 및 원통부(200)를 뽑아내는 단계이다. 이때, 전방돔부(100)와 원통부(200)의 파손을 최소화하기 위해서는 성형준비단계(S1)에서 금형(MP)에 이형지를 구비시키는 것이 바람직하다.
탈거단계(S6) 이후, 금형(MP)으로부터 분리된 전방돔부(100) 및 원통부(200)를 수직으로 세운 뒤, 전방돔부(100) 및 전방스커트(300)의 접점에 존재하는 간극을 막기 위해 합성수지를 투여하여 접선부쐐기(310)를 형성한다(도 8 참조).
위와 같이 구성되고 제작되는 본 발명의 연소관은 전방돔부(100)와 원통부(200)가 일체로 성형되 높은 안정성을 갖게 되며, 전방돔부(100)를 형성하는 탄소섬유층이 원통부(200)에서 제거됨으로 원통부(200)의 두께가 얇아지며, 그로 인하여 연소관 내부에 적재되는 추진제의 양이 증가 된다.
100: 전방돔부 110: 금속보스
111: 체결부 112: 플랜지
200: 원통부 210: 절단부
300: 전방스커트 310: 접선부쐐기
400: 후방스커트
C1: 기초층 C2: 보강층
C3: 표피층 R1: 부츠고무
R2: 내열고무 R3: 전단고무층
R4: 보스부고무
MP: 금형
S1: 성형준비단계 S2: 기초코팅단계
S3: 전방돔부형성단계 S4: 전방스커트장착단계
S5: 원통부형성단계 S6: 탈거단계

Claims (12)

  1. 고체로켓 추진기관으로 사용되는 연소관에 있어서,
    관형상의 금속보스가 중심축상에 장착된 전방돔부;
    상기 금속보스와 동일 중심축을 이루며 상기 전방돔부로부터 연장되어 형성된 원통부;
    상기 원통부와 일치되도록 상기 전방돔부에 끼워진 관형상의 전방스커트;를 포함하며,
    상기 전방돔부와 상기 원통부는 고무층 및 탄소섬유층이 적층되어 형성되되, 서로 다른 탄소섬유층이 상기 전방돔부와 상기 원통부에 코팅된 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전방돔부에는 기초층이 탄소섬유층으로 코팅되며,
    상기 원통부와 상기 전방스커트에는 보강층과 표피층이 탄소섬유층으로 적층된 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전방돔부와 대칭을 이루도록 상기 원통부의 일측에 후방돔부가 형성된 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전방스커트와 대칭이 되도록 상기 원통부의 일측에 후방스커트가 형성되는 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속보스는 관형상의 체결부와 상기 체결부의 일측에 형성된 플랜지로 이뤄진 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전방돔부와 상기 전방스커트 사이의 간극에 접선부쐐기가 형성된 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관.
  7. 부츠고무 및 내열고무가 코팅되며 금속보스가 장착된 연소관 금형을 필라멘트 와인딩기에 장착하는 성형준비단계;
    상기 금형에 합성수지가 코팅된 탄소섬유를 감아 기초층을 형성하는 기초코팅단계;
    상기 금속보스로부터 상기 금형의 길이방향을 따라 전방돔부의 길이만큼 이격한 후, 수직으로 상기 기초층을 절개하여 절단부를 형성하고 상기 절단부를 기준으로 상기 금속보스의 반대편에 코팅된 상기 기초층을 제거하여 전방돔부를 형성하는 전방돔부형성단계;
    상기 전방돔부에 전방스커트를 상기 금형과 수평이 되도록 삽입하는 전방스커트장착단계;
    상기 전방스커트와 상기 금형의 둘레에 탄소섬유를 감아 보강층과 표피층을 원통부에 형성하는 원통부형성단계;
    상기 금형으로부터 상기 전방돔부 및 상기 원통부를 분리하는 탈거단계;를 포함하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전방돔부형성단계에서, 상기 절단부가 형성됨에 따라 상기 기초층이 상기 금형으로부터 이탈되는 것을 방지하기 위해, 상기 금속보스로부터 상기 절단부까지 가열하여 탄소섬유에 코팅된 합성수지를 겔화시키는 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 전방돔부형성단계에서, 상기 절단부 형성 후, 상기 기초층이 와해 되는 것이 방지되도록, 상기 절단부를 따라 탄소섬유를 와인딩하는 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 원통부형성단계에서 상기 보강층과 상기 표피층 코팅 전에, 전단고무층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 탈거단계 이후, 상기 금형으로부터 분리된 상기 전방돔부 및 상기 원통부를 수직으로 세운 뒤, 상기 전방돔부 및 상기 전방스커트의 접점에 존재하는 간극을 막기 위해 합성수지를 투여하여 접선부쐐기를 형성하는 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 탈거단계 이후, 상기 원통부의 개구된 일측에 상기 전방스커트와 대칭되는 후방스커트를 형성하는 것을 특징으로 하는 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관의 제조방법.
KR1020130100098A 2013-08-23 2013-08-23 일체 성형식 분리형 돔을 가진 복합재 연소관 및 그 제조방법 KR101428575B1 (ko)

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