KR101609507B1 - 사거리 연장형 램제트 추진탄 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비추력이 높은 램제트 기관을 탑재하면서 고폭탄 탑재량을 최대화함으로써 화력 지원 효과를 향상시킬 수 있도록 한 사거리 연장형 램제트 추진탄에 관한 것으로서,
공기를 흡입하여 압축한 후 고체연료(22)를 연소시켜 발생한 연소가스를 후미의 노즐(24)을 통해 분사하는 램제트 기관(20)을 구비한 사거리 연장형 램제트 추진탄에 있어서, 상기 고체연료(22)는 원통 형상의 포탄 외피(11)의 내벽에 부착되는 환상의 제1 고체연료(22a)와, 포탄(10)의 중앙 구조물(15)에 부착되고 상기 제1 고체연료(22a)의 내경에 비해 작은 외경을 갖는 환상의 제2 고체연료(22b)로 이루어지고, 상기 제1 고체연료(22a)와 제2 고체연료(22b)가 이중 환상 구조로 배치되는 것을 특징으로 한다..

Description

사거리 연장형 램제트 추진탄{Range Extension Form Ramjet Propelled Shell}

본 발명은 화력 지원을 위하여 발사하는 105㎜, 155㎜, 8인치 곡사포탄이나 3인치, 5인치 함포탄 등의 사거리를 연장하기 위하여, 비추력이 높은 램제트 기관을 탑재하면서 고폭탄 탑재량을 최대화함으로써 화력 지원 효과를 향상시킬 수 있도록 한 사거리 연장형 램제트 추진탄에 관한 것이다.

일반적으로 포탄은 대포나 함포 등에 의해 발사된 후 지면에나 목표물에 충돌하여 폭발함으로써 인명을 살상하거나 시설물을 파괴하는 탄알을 의미하며, 보병이나 기갑 전력이 부딪치는 전장에 대한 화력 지원이나 상륙 작전에서의 엄호를 위하여 사용되고 있다.

이러한 포탄은 대포 등에 의해 발사되어 목표물까지 비행하는 발사체와, 포신 내에서 상기 발사체를 추진시켜 원하는 사거리만큼 상기 발사체를 원거리로 투사하는 장약과, 상기 발사체 내에 구비되어 발사체에 포함된 폭탄을 폭발시키는 뇌관을 포함하고 있다. 그리고, 포탄은 국산화가 상당히 진행되어 고폭탄과 이중목적 고폭탄, 조명탄, 공포탄 등 다양한 탄종이 개발되어 현장에 배치되어 있다.

포탄을 화력 지원용으로 사용할 때 포탄의 사거리가 짧으면 포병이나 함정이 적의 대포병 사격 등에 노출되어 위험을 피할 수 없으므로, 작전 수행 능력의 향상을 위해서는 포탄의 사거리 연장이 필수적이다.

포탄의 사거리를 연장하기 위한 기본적인 방법은 장약의 양을 증가시키거나 장약의 폭발력을 증가시키는 등 장약을 개선하는 방법이 있다. 그러나, 장약의 개선을 통해 포탄의 사거리를 연장하는 것에는 달성할 수 있는 사거리가 매우 제한적인 단점이 있다.

이에 따라 제한적인 포탄의 사거리를 연장하기 위한 여러 시도가 진행되고 있으며, 대표적으로 항력 감소탄과 로켓 보조 추진탄이 있다. 항력 감소탄은 베이스 브리드(BB: Base Bleed) 탄이라 불리며, 포탄의 후미에 연소가스를 내뿜는 베이스 브리드 유닛을 부착함으로써 포탄의 탄저부 항력을 감소시킴으로써 사거리를 연장할 수 있도록 하고 있다. 여기서, 탄저부 항력이란 포탄이 음속이상의 속도로 날아갈 때 포탄의 뒷부분에 진공이 발생해 속도가 감소하는 것을 말한다.

또, 로켓 보조 추진탄은 포탄의 후미에 고체 로켓을 장착하여 추력을 제공하함으로써 탄속을 증가시켜 사거리를 연장할 수 있도록 하고 있다. 이러한 로켓 보조 추진탄은 사정거리 30km에 달성할 수 있도록 하며 일명 '랩(RAP) 탄'이라고 한다. 로켓 보조 추진탄은 사정거리를 연장시킬 수 있는 장점이 있는 반면 로켓추진시스템의 불량할 경우 아군의 머리 위로 탄이 낙하할 위험성이 있고, 고체로켓의 연소시 발생하는 진동과 흔들림으로 탄착 오차가 상당히 커지게 되는 문제점이 있다.

이에 따라 최근에는 포탄의 사거리를 더욱 연장하기 위하여 포탄에 램제트 기관을 추가로 장착하기도 한다. 램제트 기관은 산화제와 연료가 결합되어 있는 고체 로켓과는 달리 대기중의 산소를 이용하여 연료를 연소시키게 되므로, 추진기관의 비추력이 고체 로켓과 비교할 때 월등한 장점이 있다. 이에 따라 같은 양의 연료를 사용하였을 때 월등한 전충격량을 제공할 수 있을 뿐 아니라 포탄의 사거리를 대폭 연장할 수 있게 되는 장점이 있다.

하지만, 램제트 기관은 공기 흡입형 기관으로서 공기 흡입구와 연소실 및 노즐을 포함하고 있어 포탄 내부의 많은 부분을 램제트 기관에 할애할 수밖에 없으며, 이로 인해 고폭탄 탑재량이 감소하여 포탄의 위력이 줄어드는 단점이 있다. 더욱이 기존의 램제트 추진탄은 포탄의 외각부에서 흡입한 공기가 포탄의 중심부에 모인 후 연소실에서 고체연료를 연소하는 형식을 취하고 있어, 고폭탄이 탑재되는 용적이 더욱 제한되고 포탄의 위력이 감소하게 된다.

또한, 포탄은 포신으로부터 발사될 때 높은 발사충격을 받게 되므로, 이 발사충격에 의해 인해 포탄에 탑재된 고폭탄이 흔들리지 않도록 하기 위해서 고폭탄을 견고하게 고정할 필요가 있다. 이는 고폭탄이 흔들리게 되면 포탄이 안정적인 비행을 할 수 없어 목표물을 적중시킬 수 없기 때문이다.

이와 같이 포탄의 사거리를 연장하기 위한 연구는 다양하게 진행되고 있으며, 그 중 일부는 특허로 출원되어 있다.

예들 들면, 특허문헌 1은 고체연료 램제트에서 보다 안정된 연소조건을 이루기 위해, 램제트 연료요소의 내부표면이 직선으로 형성되어 연료요소의 세로축과 평행하게 뻗어가고 연료요소와 같은 길이를 갖는 표면 또는 랜드를 구비하고, 회전에 의해 만들어진 회전하는 기체흐름의 접선성분이 기체흐름의 둘레부분을 높여진 표면 위로 통과케 강제하여 높여진 표면 하류에 서 있는 안정화된 소용돌이를 만들도록 한, 스핀 안정화된 프로젝타일용 고체연료 램제트 기관을 기재하고 있다.

또, 특허문헌 2는 탄이 목표물에 적중한 후 일정시간이 경과하여 탄이 목표물을 관통할 수 있는 시간을 부여한 후 기폭 폭발하여 목표물에 막대한 타격을 가할 수 있도록 고폭제의 폭발시간을 지연시켜줌과 아울러 탄이 목표물에 적중하지 않은 경우 일정시간이 경과화면 비행 중 자폭되도록 하여 탄착점 부근 아군의 피해를 방지시켜주며, 포구로부터 탄두비행 잔류속도 마하1까지의 비행거리 연장을 위해 탄의 외형 형상을 결정하여 유효사거리 및 명중률이 향상되도록 한, 충격소이신관이 결합된 사거리연장 예광자폭판을 기재하고 있다.

또한, 특허문헌 3은 탄두용 이탈피와 분리용 항력감소장치 및 탄저형 이탈피를 구비하여, 탄자의 비행 특성에 영향을 주는 공기 저항을 감소시키고 탄의 경량화 및 소형화가 가능하며, 탄의 궤도 및 사거리를 향상시킬 수 있도록 한, 탄에 있어서 항력저감장치를 기재하고 있다.

KR 10-1994-7001499 A KR 10-2000-0067371 A KR 10-2006-0006983 A

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 비추력이 월등한 램제트 기관이 탑재되어 사거리가 충분히 연장되면서도 고폭탄 탑재량이 최대화되어 램제트 기관으로 인한 포탄의 위력 감소가 최소화되는 사거리 연장형 램제트 추진탄을 제공하는데 그 목적이 있다.

또, 본 발명은 포탄 발사시의 발사충격을 효과적으로 견딜 수 있도록 함으로써 목표물까지의 안정적인 비행을 할 수 있도록 한 사거리 연장형 램제트 추진탄을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 공기와 고체연료 사이의 접촉 면적을 증가시켜 연료유입률이 향상되도록 함으로써 높은 추력을 얻을 수 있도록 한 사거리 연장형 램제트 추진탄을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 공기를 흡입하여 압축한 후 고체연료를 연소시켜 발생한 연소가스를 후미의 노즐을 통해 분사하는 램제트 기관을 구비한 사거리 연장형 램제트 추진탄에 있어서, 상기 고체연료는 원통 형상의 포탄 외피의 내벽에 부착되는 환상의 제1 고체연료와, 고폭탄이 탑재되는 포탄의 중앙 구조물에 부착되고 상기 제1 고체연료의 내경에 비해 작은 외경을 갖는 환상의 제2 고체연료로 이루어지고, 상기 제1 고체연료와 제2 고체연료가 이중 환상 구조로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 상기 고체연료는 폴리에틸렌(Polyethylene;PE), 폴리메틸크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate;PMMA), 탈수산화부타디엔(Hydroxyl-Terminated Polybtadiene;HTPB) 등 고체 탄화수소 계열의 연료인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 상기 램제트 기관은 제1 고체연료와 제2 고체연료 사이에 배치되는 환상형 연소실을 구비한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 상기 중앙 구조물은 고폭탄을 구비함과 아울러 상기 포탄 외피의 중앙에 포탄의 전단부터 후단까지 이어지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 상기 포탄 외피의 선단에 연결되는 테이퍼 형상의 카울과의 사이에 초음속 디퓨저가 형성되고 그 후방에 아음속 디퓨저가 형성되도록, 상기 중앙 구조물의 선단부는 상기 포탄 외피의 선단 안쪽에 위치하며 최대 직경을 갖는 디퓨저 목의 앞쪽이 상기 카울의 경사각보다 더 큰 경사각을 갖는 원추 형상으로 형성되고 디퓨저 목 뒤쪽은 직경이 점점 감소하는 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 상기 중앙 구조물의 후단부가 원추 형상으로 형성되어 상기 포탄 외피의 후단부와의 사이에 환상의 노즐이 형성되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄은 이중 환상 구조로 배치된 고체 연료를 연소시켜 포탄의 사거리를 연장하게 되므로 기존의 램제트 추진탄에 비해 사거리가 더 연장되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 포탄 내측의 외각부에 위치한 이중 환상 구조의 고체연료 사이에 환상의 연소실이 형성되므로, 포탄 안쪽에 충분한 공간을 확보할 수 있어 고폭탄 탑재량이 증대되고 그로 인해 화력지원시 포탄 위력이 향상되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 이중 환상 구조의 고체연료 사이에 환상의 연소실이 형성되어 공기와 고체연료의 접촉면적이 증가하게 되므로 단위 시간당 연료유입률이 증가하여 높은 추력을 얻을 수 있게 되는 효과가 있다.

또, 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 따르면, 구조적으로 가장 무거운 고폭탄 탑재부가 포탄의 중앙 구조물 내에 형성되고 중앙 구조물이 노즐 끝까지 연장됨에 따라 발사충격을 효과적으로 견딜 수 있음은 물론 항상 균형이 유지되어 포탄이 목표물까지 안정적으로 비행하게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 사거리 연장형 램제트 추진탄이 개략적으로 도시된 개념도.
도 2는 도 1의 우측면도.
도 3은 도 1의 "A-A" 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 사거리 연장형 램제트 추진탄은 도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 공기를 흡입하여 압축한 후 고체연료(22)를 연소시켜 발생한 연소가스를 후미의 노즐(24)을 통해 분사하는 램제트 기관(20)을 구비한다.

여기서, 상기 램제트 기관(20)에서 사용되는 고체연료(22)는 원통 형상의 포탄 외피(11)의 내벽에 부착되는 환상의 제1 고체연료(22a)와, 고폭탄이 탑재되는 포탄(10)의 중앙 구조물(15)에 부착되고 상기 제1 고체연료(22a)의 내경에 비해 작은 외경을 갖는 환상의 제2 고체연료(22b)로 이루어지고, 상기 제1 고체연료(22a)와 제2 고체연료(22b)가 이중 환상 구조로 배치된다. 이때, 상기 고체연료(22)로는 추진제로 주로 사용되는 고체 탄화수소 계열의 연료가 사용되는 것이 바람직하며, 대표적인 고체 탄화수소 계열의 연료로는 폴리에틸렌(Polyethylene; PE)과 폴리메틸크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA) 및 탈수산화부타디엔(Hydroxyl-Terminated Polybtadiene; HTPB) 등이 있다.

또, 상기 램제트 기관(20)은 고체연료(22)가 연소하는 공간으로, 상기 제1 고체연료(22a)와 제2 고체연료(22b) 사이에 배치되는 환상형 연소실(23)을 구비하고 있으며, 포탄(10)의 앞쪽에서 외부 공기를 흡입하여 압축하는 공기 압축부(21)와 노즐(24)을 포함하고 있다. 상기 공기 압축부(21)는 상기 포탄 외피(11)의 선단에 연결되는 테이퍼 형상의 카울(12)과의 사이에 형성되는 초음속 디퓨저(21a)와 그 후방의 아음속 디퓨저(21b)로 이루어진다.

구체적으로, 상기 중앙 구조물(15)의 선단부(15a)는 최대 직경을 갖는 디퓨저 목(15b)이 상기 포탄 외피(11)의 선단 안쪽에 위치하도록 함과 아울러, 상기 디퓨저 목(15b)의 앞쪽이 상기 카울(12)의 경사각보다 더 큰 경사각을 갖는 원추 형상으로 형성되고 상기 디퓨저 목(15b)의 뒤쪽은 직경이 점점 감소하는 구조로 형성됨으로써, 포탄(10)의 앞쪽에 상기 초음속 디퓨저(21a)와 아음속 디퓨저(21b)가 형성되도록 하는 것이다. 그리고, 상기 중앙 구조물(15)의 후단부(15c)가 원추 형상으로 형성되어 상기 포탄 외피(11)의 후단부와의 사이에 환상의 노즐(24)이 형성되도록 한다.

이와 같이 상기 고체연료(22)가 이중 환상 구조로 배치되고, 제1 고체연료(22a)와 제2 고체연료(22b) 사이에 환상형 연소실(23)이 배치됨에 따라 제2 고체연료(22b)의 안쪽에 고폭탄을 탑재할 수 있게 되어 고폭탄 탑재 공간이 최대화되고, 더 많은 양의 고폭탄이 탑재됨에 따라 포탄의 위력 감소가 최소화되는 효과가 있다. 또한, 상기 고체연료(22)가 이중 환상 구조로 배치됨에 따라 공기 압축부(21)를 통해 흡입된 공기와 고체연료(22)가 접촉하는 면적이 최대화되어 단일 환상형 고체연료를 사용하는 기존 램제트 기관에 비해 추력이 향상된다. 다시 말해서, 단위 시간당 고체연료의 유입량이 고체연료(22)가 공기에 노출되는 면적에 비례하므로, 이중 환상 구조의 고체연료(22)를 사용함에 따라 높은 추력을 얻을 수 있게 되는 것이다.

한편, 상기 중앙 구조물(15)은 포탄 외피(11)의 중앙에 포탄의 전단부터 후단까지 이어지도록 배치됨과 아울러 폭발력을 발생하기 위한 고폭탄(도시 생략)을 구비한다. 이와 같이 구조적으로 가장 무거운 고폭탄이 상기 중앙 구조물(15)에 탑재됨에 따라 효과적으로 발사 충격을 견딜 수 있게 되고, 포탄이 안정적으로 비행할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 사거리 연장형 램제트 추진탄은 램제트 기관을 이용하여 포탄의 추력을 향상시킴으로써 사정거리가 길어지게 한다.

포탄(10)은 그 후미에 결합된 탄피(도시 생략)에 구비된 장약의 폭발력에 의해 발사되며, 발사 후 상기 포탄(10)에 일체로 형성된 램제트 기관(20)이 작동되어 포탄(10)에 추력을 더해주게 되므로 사정거리가 길어진다. 상기 램제트 기관(20)은 포탄(10)의 앞쪽에 형성되는 초음속 디퓨저(21a)와 아음속 디퓨저(21b)를 통해 공기를 흡입하여 램압축하게 된다. 램압축을 통해 압력과 온도가 상승한 공기가 고체연료(22)와 만나 연소실(23)에서 점화 및 연소되고, 고체연료(22)의 연소에 의해 발생한 고온 고압의 연소가스가 노즐(24)을 통해 빠져나감으로써 포탄(10)에 추력을 더해주게 된다. 이때, 공기가 이중 환상 구조의 고체연료(22)와 만나게 되므로, 공기와 고체연료(22) 사이의 접촉면적이 증가하여 단위시간당 연료공급률이 증가하게 되고 그로 인해 더 큰 추력이 발생하게 된다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10...포탄
11...포탄 외피
15...중앙 구조물
15a...선단부
15b...디퓨저 목
15c...후단부
20...램제트 기관
21...공기 압축부
21a...초음속 디퓨저
21b...아음속 디퓨저
22...고체연료
22a...제1 고체연료
22b...제2 고체연료
23...환상형 연소실
24...노즐

Claims (7)

1. 공기를 흡입하여 압축한 후 고체연료(22)를 연소시켜 발생한 연소가스를 후미의 노즐(24)을 통해 분사하는 램제트 기관(20)을 구비한 사거리 연장형 램제트 추진탄에 있어서,
   상기 고체연료(22)는 원통 형상의 포탄 외피(11)의 내벽에 부착되는 환상의 제1 고체연료(22a)와, 고폭탄이 탑재되는 포탄(10)의 중앙 구조물(15)에 부착되고 상기 제1 고체연료(22a)의 내경에 비해 작은 외경을 갖는 환상의 제2 고체연료(22b)로 이루어져, 상기 제1 고체연료(22a)와 제2 고체연료(22b)가 이중 환상 구조로 배치되며,
   상기 램제트 기관(20)은 상기 포탄 외피(11)의 선단에 연결되는 테이퍼 형상의 카울(12)과의 사이에 형성되는 초음속 디퓨저(21a)와 그 후방의 아음속 디퓨저(21b)로 이루어져 외부 공기를 흡입하여 압축하는 공기 압축부(21)를 구비하고,
   상기 초음속 디퓨저(21a)와 아음속 디퓨저(21b)가 형성되도록, 상기 중앙 구조물(15)의 선단부(15a)는 상기 포탄 외피(11)의 선단 안쪽에 위치하며 최대 직경을 갖는 디퓨저 목(15b)의 앞쪽이 상기 카울(12)의 경사각보다 더 큰 경사각을 갖는 원추 형상으로 형성되고 디퓨저 목(15b)의 뒤쪽은 직경이 점점 감소하는 구조로 형성되며,
   상기 중앙 구조물(15)의 후단부(15c)가 원추 형상으로 형성되어 상기 포탄 외피(11)의 후단부와의 사이에 환상의 노즐(24)이 형성되도록 한 것을 특징으로 하는 사거리 연장형 램제트 추진탄.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고체연료(22)는 고체 탄화수소 계열의 연료인 것을 특징으로 하는 사거리 연장형 램제트 추진탄.
3. 제2항에 있어서,
   상기 고체 탄화수소 계열의 연료는 폴리에틸렌(Polyethylene; PE), 폴리메틸크릴레이트(Poly Methyl Methacrylate; PMMA), 탈수산화부타디엔(Hydroxyl-Terminated Polybtadiene; HTPB) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 사거리 연장형 램제트 추진탄.
4. 제1항에 있어서,
   상기 램제트 기관(20)은 제1 고체연료(22a)와 제2 고체연료(22b) 사이에 배치되는 환상형 연소실(23)을 구비한 것을 특징으로 하는 사거리 연장형 램제트 추진탄.
5. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 구조물(15)은 고폭탄을 구비함과 아울러 상기 포탄 외피(11)의 중앙에 포탄(10)의 전단부터 후단까지 이어지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 사거리 연장형 램제트 추진탄.
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