KR101615291B1 - 액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터 - Google Patents

액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체로켓의 가변추력을 조절하는 핀틀 인젝터에 있어서: 프레임(10); 상기 프레임(10)에 결합되고, 액체챔버(21)와 기체챔버(22)를 형성하는 하우징(20); 상기 액체챔버(21)와 연통된 상태로 기체챔버(22)와 동심으로 설치되는 분류관(30); 및 상기 액체챔버(21)와 분류관(30)에 동심으로 설치되고, 로드(45)의 축방향 운동에 연동하여 헤드(43)로 분사량을 가변하는 핀틀 구동체(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 핀틀 인젝터의 핀틀을 핀틀로드와 핀틀헤드의 두 부분으로 분할되는 구조로 형성하여 가변추력 작동시 강한 충격으로 유발되는 변형을 축소하여 작동신뢰성과 내구성을 향상하는 효과가 있다.

Description

액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터{Pintle Injector for Thrust Control of Liquid Rocket}
본 발명은 액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 추진제의 유량을 조절하여 가변추력을 유발하는 액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터에 관한 것이다.
최근 우주 산업의 추세를 보면 비용이 저렴한 고성능의 엔진에 대한 요구가 증대되고 있다. 액체로켓의 핀틀 인젝터는 추진제의 유량을 조절할 수 있기 때문에 혼합비 조절이 가능하며, 특히 가변추력 조절이 필요한 달탐사선, 행성 탐사선의 궤도 전이, 착륙, 귀환에 사용된다. 이외에도 액체로켓 상단 추력조절 엔진의 단일 인젝터로 이용이 가능하다.
이와 관련되는 선행특허문헌으로서, 일본 공개특허공보 제2002-227723호에 의하면, 로켓 노즐의 축선상에 돌출된 핀틀 고정 상태에 준비하는 동시에 추력실과 로켓 노즐 사이에 로켓 노즐을 기축 방향으로 왕복운동시키는 노즐 구동수단을 구비한다. 이에 따라, 핀틀을 소형이면서 간단하게 구성하여 추진제의 충전율을 향상하고, 구동부에 대한 열대책을 불필요하게 한다.
그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 핀틀의 소형화를 요지로 하므로 항시 강한 충격을 받아 내구성이 약화되는 문제점을 해소하기 미흡하다.
비특허문헌으로 제시된 논문은 핀틀 인젝터의 기본적인 모양과 원리를 나타내는 것으로서, 핀틀의 기본적인 구조에 핀틀을 구동할 수 있는 구조를 도입하여 핀틀의 움직임을 조절하는 방안을 제안하고 있다.
1. 일본 공개특허공보 제2002-227723호 "추력제어형 고체로켓 모터(推力制御型固體ロケットモ-タ)" (공개일자 : 2002. 8. 14.)
1. 미항공우주학회(AIAA) 2000-3871 "TRW Pintle Engine Heritage and Performance Characteristics", Gordon A. Dressler and J. Martin Bauer, Page 1 of 22
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 핀틀 인젝터의 핀틀을 형성함에 핀틀로드와 핀틀헤드의 두 부분으로 분할하여 강한 압력에 의한 충격으로 유발되는 변형을 최소화하는 액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 액체로켓의 가변추력을 조절하는 핀틀 인젝터에 있어서: 프레임; 상기 프레임에 결합되고, 액체챔버와 기체챔버를 형성하는 하우징; 상기 액체챔버와 연통된 상태로 기체챔버와 동심으로 설치되는 분류관; 및 상기 액체챔버와 분류관에 동심으로 설치되고, 로드의 축방향 운동에 연동하여 헤드로 분사량을 가변하는 핀틀 구동체;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 핀틀 구동체는 분류관의 내경과 헤드에 의한 액체유로 및 분류관의 외경과 하우징에 의한 기체유로를 환형의 오리피스 형태로 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 핀틀 구동체는 헤드와 로드를 분할 구조로 형성하여 결합한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 헤드와 로드는 암수형의 나선부를 이용하여 맞물려 결합되는 것을 특징으로 하다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 핀틀 구동체는 로드 상에 축방향으로 다수의 슬랏을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 핀틀 인젝터의 핀틀을 핀틀로드와 핀틀헤드의 두 부분으로 분할되는 구조로 형성하여 가변추력 작동시 강한 충격으로 유발되는 변형을 축소하여 작동신뢰성과 내구성을 향상하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 핀틀 인젝터를 종단하여 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 핀틀 인젝터를 종단하여 나타내는 사시도
도 3은 본 발명에 따른 핀틀 인젝터의 외형을 나타내는 사시도
도 4는 본 발명에 따른 핀틀 구동체를 나타내는 구성도
도 5는 본 발명에 따른 핀틀 구동체의 주요부를 나타내는 사시도
도 6은 본 발명에 따른 핀틀 구동체의 주요부를 나타내는 구성도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 액체로켓의 가변추력을 조절하는 핀틀 인젝터에 관하여 제안한다. 액체연료를 주연료로 하고 보조적으로 기체연료를 사용하는 로켓을 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 액체로켓은 인젝터에 구비된 핀틀의 운동으로 추력을 가변적으로 조절한다. 핀틀 인젝터는 단순한 구조를 기반으로 하여 연소불안정을 낮출 수 있고, 추진제(연료)를 공급하기 위한 단일의 인젝터 방식이므로 가격이 저렴하다.
본 발명의 프레임(10)은 후술하는 하우징(20)을 비롯한 주요 구성품을 로켓의 추진장치에 지지하는 부분이다. 프레임(10)이 위치한 부분을 '후방'이라 칭하고 핀틀이 위치한 부분을 '전방'이라고 칭한다.
또, 본발명에 따르면 액체챔버(21)와 기체챔버(22)를 형성하는 하우징(20)이 상기 프레임(10)에 결합되는 구조이다. 하우징(20)의 후방에는 액체챔버(21)가 전방에는 기체챔버(22)가 형성된다. 액체챔버(21)와 기체챔버(22)는 중심에 관통공을 지닌 격벽으로 분할된다. 물론 액체챔버(21)와 기체챔버(22)는 절대적으로 구분되는 것이 아니고 공히 액체연료 또는 기체연료를 대체하거나 혼용할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 분류관(30)이 상기 액체챔버(21)와 연통된 상태로 기체챔버(22)와 동심으로 설치되는 구조이다. 분류관(30)은 기체챔버(22)의 격벽에 형성된 관통공 상에 긴밀하게 결합되는 관형 부재이다. 분류관(30)은 후방으로 액체챔버(21)와 연통하는 후방개구를 지니고, 전방으로 핀틀을 수용하여 연료를 분사하기 위한 전방개구를 지닌다.
또, 본 발명에 따르면 핀틀 구동체(40)가 상기 액체챔버(21)와 분류관(30)에 동심으로 설치되고, 로드(45)의 축방향 운동에 연동하여 헤드(43)로 분사량을 가변하는 구조를 특징으로 한다. 핀틀 구동체(40)는 하우징(20)의 전방으로 노출되는 헤드(43), 후방으로 노출되는 로드(45)로 구성된다. 로드(45)의 후단에서 스텝모터, 마이크로미터 등을 이용하여 축방향 운동을 유발하면 헤드(43)의 선단에서 연료의 분사량을 가변시킬 수 있다. 핀틀 구동체(40)의 축방향 운동의 행정거리는 최대 1.5mm 범위에서 완료된다.
한편, 협의의 핀틀은 헤드(43)와 그 축을 의미하고, 광의의 핀틀은 핀틀 구동체(40)의 전체를 의미한다
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 핀틀 구동체(40)는 분류관(30)의 내경과 헤드(43)에 의한 액체유로(41) 및 분류관(30)의 외경과 하우징(20)에 의한 기체유로(42)를 환형의 오리피스 형태로 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 5를 참조하면, 액체유로(41)는 분류관(30)의 전방 개구(내경)와 헤드(43)의 축 사이에 환형의 오리피스를 이루고, 기체유로(42)는 분류관(30)의 전방 외주면(외경)와 기체챔버(22)의 전방개구 사이에 환형의 오리피스를 이룬다. 액체유로(41)와 기체유로(42)는 공히 헤드(43)의 축과 동심으로 배치된다.
종래의 충돌형, 스월 인젝터의 유량 조절을 위해서는 오리피스를 삽입하거나 메인 추진제 공급 탱크의 압력변화를 유발해야 한다. 반면 본 발명은 핀틀의 선단부인 헤드(43)의 위치를 변화시키는 간단한 방식으로 추진제의 유량변화를 유도할수 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 핀틀 구동체(40)는 헤드(43)와 로드(45)를 분할 구조로 형성하여 결합한 것을 특징으로 한다. 핀틀 인젝터의 핀틀은 강한 압력에 의한 충격을 받기 때문에 변형이 일어나기 쉽다. 헤드(43)와 로드(45)의 두 부분으로 나누어 구성하는 경우 강성을 고려한 형태적 유연성을 높일 수 있으므로 변형을 최소화하는데 유리하다.
이때, 상기 헤드(43)와 로드(45)는 암수형의 나선부(51)를 이용하여 맞물려 결합되는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 헤드(43)에는 숫형의 나선부(51)를 형성하고, 로드(45)에는 암형의 나선부(51)를 형성한다. 얇은 두께의 헤드(43)는 상대적으로 두꺼운 로드(45)와 결합되어 충격에 대한 변형을 최소화한다.
한편, 헤드(43)와 로드(45)는 나선부(51)과 더불어 단턱부(53)를 통하여 결합하는 것이 좋다. 헤드(43)와 로드(45)가 나선부(51)로 결합되는 과정에서 상호 단턱부(53)에서 접촉하여 탄성력을 작용하므로 열변형을 받더라도 임의로 풀어지지 않도록 긴밀한 구속 상태를 유지한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 핀틀 구동체(40)는 로드(45) 상에 축방향으로 다수의 슬랏(55)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 4 내지 도 6에서, 슬랏(55)은 로드(45)의 전방측에서 후방의 액체챔버(21)에 이르는 길이로 형성되어 액체챔버(21)의 연료를 전방의 헤드(43)로 유도한다. 분류관(30)의 내부에서 로드(45)의 전방으로 2차챔버(35)가 형성된다. 2차챔버(35)는 액체챔버(21)에서 슬랏(55)을 통하여 유입된 연료가 일시적으로 머무는 공간이다.
이때, 슬랏(55)은 2~4개의 범위에서 균일한 단면적과 간격으로 형성하는 것이 좋다. 슬랏(55)이 비균일하게 배치되는 경우 불안정적인 연소로 추력의 감소를 초래할 수도 있다.
작동에 있어서, 액체챔버(21)와 기체챔버(22)에 모인 연료는 각각의 액체유로(41)와 기체유로(42)를 따라 흐른다. 액체유로(41)와 기체유로(42)의 오리피스에서 분사된 연료는 인젝터의 바깥에서 충돌하여 미립화 된다.
이와 같이 본 발명은 인젝터 중심에 위치한 핀틀 구동체(40)의 이동거리를 축방향으로 변화시킴에 따라 추진제의 유량이 변화하고, 분사 압력이 변하여 미립화 특성을 변화시킨다. 이에 따라, 액체유로(41)와 기체유로(42)를 통한 연료의 혼합비 변화를 유도하여 연소시에 추력을 가변적으로 제어할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 프레임 20: 하우징
21: 액체챔버 22: 기체챔버
23: 액체포트 24: 기체포트
30: 분류관 35: 2차챔버
40: 핀틀 구동체 41: 액체유로
42: 기체유로 43: 헤드
45: 로드 51: 나선부
53: 단턱부 55: 슬랏

Claims (5)

  1. 액체로켓의 가변추력을 조절하는 핀틀 인젝터에 있어서:
    프레임(10);
    상기 프레임(10)에 결합되고, 액체챔버(21)와 기체챔버(22)를 형성하는 하우징(20);
    상기 액체챔버(21)와 연통된 상태로 기체챔버(22)와 동심으로 설치되는 분류관(30); 및
    상기 액체챔버(21)와 분류관(30)에 동심으로 설치되고, 로드(45)의 축방향 운동에 연동하여 헤드(43)로 분사량을 가변하는 핀틀 구동체(40);를 포함하여 이루어지되,
    상기 핀틀 구동체(40)는 분류관(30)의 내경과 헤드(43)에 의한 액체유로(41) 및 분류관(30)의 외경과 하우징(20)에 의한 기체유로(42)를 환형의 오리피스 형태로 구비하고,
    상기 핀틀 구동체(40)는 헤드(43)와 로드(45)를 분할 구조로 형성하여 결합하며,
    상기 핀틀 구동체(40)는 로드(45) 상에 축방향으로 다수의 슬랏(55)을 구비하는 것을 특징으로 하는 액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 헤드(43)와 로드(45)는 암수형의 나선부(51)를 이용하여 맞물려 결합되는 것을 특징으로 하는 액체로켓 가변추력 조절용 핀틀 인젝터.
  5. 삭제
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