KR101729024B1 - 액체로켓 추진제 탱크 - Google Patents

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이한주
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크는 연료가 저장되는 제1 저장부, 상기 제1 저장부의 상부에 배치되고 상기 연료보다 낮은 온도의 산화제가 저장되는 제2 저장부, 상기 제1 저장부의 내부에 설치되어 상기 제2 저장부와 연통되고 상기 제1 저장부를 관통하여 외부로 연장되는 공급배관, 그리고 상기 제1 저장부 및 상기 공급배관을 서로 연결하여 상기 공급배관을 상기 제1 저장부에 고정시키고, 상기 제1 저장부 및 상기 공급배관에 각각 접하는 단부와 복수의 위치에 배치된 상기 단부를 연결하는 연결부가 서로 다른 소재로 형성되어 상기 단부의 열전도를 차단하는 지지부를 포함한다.
본 발명에 의하면, 제1 저장부 및 공급배관의 벨로우즈 구간에 각각 설치되는 러그는 알루미늄 소재로 형성되고, 복수의 위치에 설치된 러그를 서로 연결하는 스트럿은 비금속 재질인 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer:유리섬유강화 폴리머) 소재로 형성됨으로써, 극저온부인 벨로우즈 구간에 설치된 러그와 상온 또는 상대적으로 고온부인 제1 저장부의 격판에 설치된 러그 사이의 열전도를 완벽히 차단하여 극저온인 산화제의 온도상승 또는 상온인 연료의 온도하락을 예방할 수 있고, 금속 소재에 비하여 상대적으로 가벼운 무게로 인하여 전체 중량을 감소시킬 수 있다.

Description

액체로켓 추진제 탱크{Propellant tank of liquid rocket}
본 발명은 액체로켓 추진제 탱크에 관한 것이다.
일반적으로 액체 로켓에는 도 1에 도시된 바와 같이, 로켓의 추진력을 발생시키기 위하여, 상온의 연료(kerosene)가 저장되는 연료탱크(1)와, 연료탱크(1)의 상부에 수직으로 배치되어 극저온의 산화제(LOX)가 저장되는 산화제탱크(2)가 구비된다.
즉, 액체 로켓은 연료탱크(1) 및 산화제탱크(2)로부터 공급되는 연료 및 산화제를 별도의 연소실(미도시)에서 연소한 후, 고압의 가스를 노즐로 보내 추진력을 발생시킨다.
이때, 연료탱크(1)의 상부에 배치된 산화제탱크(2)에는 산화제탱크(2)에 저장된 산화제를 터보펌프(미도시)로 공급하기 위한 배관(3)이 설치된다.
더 자세하게는, 산화제탱크(2)에는 일 측이 산화제탱크(2)의 외면을 관통하여 산화제탱크(2)의 내부로 삽입되어 있고, 상기 일 측으로부터 산화제탱크(2)의 외부로 연장된 타 측이 산화제탱크(2)의 둘레를 우회하여 터보펌프 측으로 연장되는 배관(3)이 설치된다.
그러나 종래에는 산화제탱크(2)의 외부로 노출된 배관(3)이 열공력에 의한 영향을 받게 되어, 내부에 흐르는 산화제의 온도가 증가하는 문제점이 있었다.
또한, 배관(3)은 다수의 절곡구간 및 우회구간을 통하여 불안정한 구조를 유지함으로써, 진동 또는 충격 등에 취약함은 물론, 상기 구조로 인한 산화제탱크(2)와 터보펌프를 연결하는 길이의 증가로 인하여 전체 중량이 증가하는 문제점이 있었다.
한국 공개특허공보 제10-2004-0009407호
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 배관에 열공력에 의한 영향이 작용하지 않고, 상기 배관의 지지 시 열전도에 의한 연료 및 산화제의 온도변화를 예방할 수 있는 액체로켓 추진제 탱크를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크는 연료가 저장되는 제1 저장부, 상기 제1 저장부의 상부에 배치되고 상기 연료보다 낮은 온도의 산화제가 저장되는 제2 저장부, 상기 제1 저장부의 내부에 설치되어 상기 제2 저장부와 연통되고 상기 제1 저장부를 관통하여 외부로 연장되는 공급배관, 그리고 상기 제1 저장부 및 상기 공급배관을 서로 연결하여 상기 공급배관을 상기 제1 저장부에 고정시키고, 상기 제1 저장부 및 상기 공급배관에 각각 접하는 단부와 복수의 위치에 배치된 상기 단부를 연결하는 연결부가 서로 다른 소재로 형성되어 상기 단부의 열전도를 차단하는 지지부를 포함한다.
상기 지지부는 상기 지지부의 단부에 배치되어 상기 제1 저장부 및 상기 공급배관에 각각 설치되고 금속소재로 형성되는 러그(lug), 그리고 복수의 위치에 설치된 상기 러그를 서로 연결하고 섬유복합소재로 형성되어 상기 러그의 열전도를 차단하는 스트럿(strut)을 포함할 수 있다.
상기 제1 저장부는 상기 제1 저장부와 상기 제2 저장부 사이에 배치되어 상기 제1 저장부와 상기 제2 저장부를 구획하는 격판을 더 포함하고, 상기 제1 저장부의 내부에 배치된 상기 공급배관의 일 측에는 벨로우즈(bellows) 구간이 구비되며, 상기 제1 저장부의 내부를 향하는 상기 격판의 일면 및 상기 벨로우즈 구간에는 상기 러그가 결합되는 브라켓이 구비될 수 있다.
상기 러그는 상기 스트럿의 일 측에 배치되어 복수 개의 돌출편이 형성되는 제1 러그, 그리고 상기 스트럿의 타 측에 배치되어 한 개의 돌출편이 형성되는 제2 러그를 포함할 수 있다.
상기 복수 개의 돌출편 및 상기 한 개의 돌출편에는 각각 관통공이 형성되고, 상기 한 개의 돌출편에 형성된 관통공은 장공(slot) 구조로 형성될 수 있다.
상기 지지부는 복수 개로 구비될 경우, 일 측에 배치된 지지부의 제1 러그와 타 측에 배치된 지지부의 제2 러그 간의 결합을 통하여 직선 구조 또는 분기된 구조로 연장될 수 있다.
상기 러그는 알루미늄 소재로 형성되고, 상기 스트럿은 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer:유리섬유강화 폴리머) 소재로 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 제1 저장부 및 공급배관의 벨로우즈 구간에 각각 설치되는 러그는 알루미늄 소재로 형성되고, 복수의 위치에 설치된 러그를 서로 연결하는 스트럿은 비금속 재질인 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer:유리섬유강화 폴리머) 소재로 형성됨으로써, 극저온부인 벨로우즈 구간에 설치된 러그와 상온 또는 상대적으로 고온부인 제1 저장부의 격판에 설치된 러그 사이의 열전도를 완벽히 차단하여 극저온인 산화제의 온도상승 또는 상온인 연료의 온도하락을 예방할 수 있고, 금속 소재에 비하여 상대적으로 가벼운 무게로 인하여 전체 중량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래의 액체로켓 추진제 탱크를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 "A"부분의 단면을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크의 지지부를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크의 지지부의 연장구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 "A"부분의 단면을 확대하여 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크의 지지부를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크의 지지부의 연장구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 액체로켓 추진제 탱크(이하 '액체로켓 추진제 탱크'라 함)는 제1 저장부(10) 및 제2 저장부(20)를 포함한다.
제1 저장부(10)는 후술할 제2 저장부(20)의 하부에 배치되어, 내부에는 케로신(KEROSENE)이라 불리는 상온의 연료가 저장되고, 제2 저장부(20)는 제1 저장부(10)의 상부에 수직으로 배치되어, 내부에는 액체산소(LOX)라 불리는 극저온, 즉 연료보다 낮은 온도의 산화제가 저장된다.
이때, 제1 저장부(10)와 제2 저장부(20) 사이에는 제1 저장부(10)와 제2 저장부(20)를 구획하는 돔(dome) 구조의 격판(30)이 배치될 수 있다. 즉, 본 액체로켓 추진제 탱크의 제1 저장부(10)는 제1 저장부(10)와 제2 저장부(20) 사이에 배치되어 제1 저장부(10)와 제2 저장부(20)를 구획하는 격판(30)을 더 포함할 수 있다.
따라서, 제1 저장부(10) 및 제2 저장부(20)는 상기 격판(30)을 기준으로 상, 하 구조로 배치되어 내부가 밀폐된 캡슐(capsule) 형상으로 형성될 수 있다. 예컨대, 산화제가 저장되는 제2 저장부(20)를 제1 저장부(10)의 상부에 배치시킴으로써, 수두압에 의한 제2 저장부(20)의 가압 압력을 낮출 수 있다.
또한, 본 액체로켓 추진제 탱크는 공급배관(40)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 공급배관(40)은 제1 저장부(10)의 내부에 설치되어 제2 저장부(20)와 연통되고, 제1 저장부(10)를 관통하여 외부로 연장된다.
더 자세하게는, 공급배관(40)은 격판(30)에 설치되어 제2 저장부(20)와 연통되고, 제1 저장부(10)의 하측을 관통해 외부로 연장되어 액체로켓 내부에 배치된 터보펌프(미도시)에 연결될 수 있다.
즉, 본 액체로켓 추진제 탱크의 공급배관(40)은 제2 저장부(20)와 연통되어 내부로 산화제가 흐르고, 제1 저장부(10)를 관통하여 외부로 연장됨으로써, 외부 노출에 따른 열공력에 의한 영향을 제거할 수 있음은 물론, 터포펌프까지의 연장길이를 단축시켜 전체 중량을 감소시키며, 종래의 우회구간을 배제하고 터보펌프의 입구까지 직선구간을 확보하여 산화제가 터보펌프로 공급되는 공급시간을 단축시킬 수 있다.
이때, 공급배관(40)에는 벨로우즈(bellows) 구간(40a)이 구비될 수 있다.
도 3을 참조하면, 제1 저장부(10)의 내부에 배치된 공급배관(40)의 일 측에는 공급배관(40)과 제1 저장부(10)의 열팽창 및 수축의 차이로 인한 공급배관(40)의 길이방향 및 수직방향으로의 변형을 허용하는 벨로우즈 구간(40a)이 구비될 수 있다. 따라서, 공급배관(40)은 공급배관(40)과 제1 저장부(10)의 열팽창 및 수축 시 플렉서블(flexible)한 벨로우즈 구간(40a)의 변형을 통하여 공급배관(40)의 파손을 예방할 수 있다.
또한, 본 액체로켓 추진제 탱크는 공급배관(40)의 벨로우즈 구간(40a)을 지지하는 지지부(50)를 포함한다.
도 3을 참조하면, 지지부(50)는 제1 저장부(10) 및 공급배관(40)의 벨로우즈 구간(40a)을 서로 연결하여 공급배관(40)의 벨로우즈 구간(40a)을 제1 저장부(10)에 고정시키고, 제1 저장부(10) 및 공급배관(40)의 벨로우즈 구간(40a)에 각각 접하는 단부와 복수의 위치에 배치된 상기 단부를 연결하는 연결부가 서로 다른 소재로 형성되어 단부의 열전도를 차단한다.
더 자세하게는, 지지부(50)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 지지부(50)의 단부에 배치되어 제1 저장부(10) 및 공급배관(40)의 벨로우즈 구간(40a)에 각각 설치되고 금속소재로 형성되는 러그(lug, 51), 그리고 복수의 위치에 설치된 러그(51)를 서로 연결하고 섬유복합소재로 형성되어 러그(51)의 열전도를 차단하는 스트럿(strut, 53)을 포함할 수 있다. 예컨대, 러그(51) 및 스트럿(53)은 블라인드 리벳을 통하여 서로 체결될 수 있다.
여기서, 러그(51)는 알루미늄 소재로 형성되고, 스트럿(53)은 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer:유리섬유강화 폴리머) 소재로 형성될 수 있다.
즉, 러그(51)는 금속 소재에 비하여 상대적으로 열전도율이 높고 부피당 무게가 가벼운 알루미늄 소재로 형성되어, 상온 또는 고온의 연료에 노출되거나, 극저온의 산화제에 노출될 경우에도 변형되거나, 파손되지 않음은 물론, 가벼운 무게로 인하여 전체 중량을 감소시킬 수 있다. 아울러, 스트럿(53)은 금속 소재의 0.5% 수준의 열전도도를 가지는 비금속 재질인 GFRP 소재로 형성되어, 극저온부(A2)인 벨로우즈 구간(40a)에 설치된 러그(51)와 상온 또는 상대적으로 고온부(A1)인 격판(30)에 설치된 러그(51) 사이의 열전도를 완벽히 차단하여 극저온인 산화제의 온도상승 또는 상온인 연료의 온도하락을 예방할 수 있고, 금속 소재에 비하여 고온에서 내부식성이 우수함은 물론, 부피당 무게가 가벼워 전체 중량을 감소시킬 수 있다.
한편, 제1 저장부(10)의 내부를 향하는 격판(30)의 일면 및 공급배관(40)의 벨로우즈 구간(40a)에는 러그(51)와 결합되는 브라켓(60)이 구비될 수 있다. 예컨대, 브라켓(60)은 지지부(50)가 소정의 각도로 회전 가능하도록 각 러그(51)와 체결부재(70)를 통해 힌지 결합되고, 러그(51)와 동일한 소재로 제작되거나, 연료 및 산화제의 온도에 의해 변형률이 적은 소재로 제작될 수 있다.
또한, 본 액체로켓 추진제 탱크의 지지부(50)는 결합을 통하여 연장 가능한 구조로 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 스트럿(53)의 양 단부에 구비된 러그(51)는 스트럿(53)의 일 측에 배치되어 복수 개의 돌출편(51a)이 형성되는 제1 러그(511), 그리고 스트럿(53)의 타 측에 배치되어 한 개의 돌출편(51a)이 형성되는 제2 러그(513)를 포함할 수 있다. 예컨대, 복수 개의 돌출편(51a) 및 한 개의 돌출편(51a)에는 각각 체결부재(70)가 삽입되는 관통공(51b)이 형성되되, 한 개의 돌출편(51a)에 형성된 관통공(51b)은 위치 조절을 위하여 장공(slot) 구조로 형성될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 지지부(50)는 복수 개로 구비될 경우, 일 측에 배치된 지지부(50)의 제1 러그(511)와 타 측에 배치된 지지부(50)의 제2 러그(513) 간의 결합을 통하여 직선 구조(도 5의 (a)) 또는 분기된 구조(도 5의 (b))로 연장될 수 있다.
더 자세하게는, 지지부(50)는 복수 개로 구비될 경우, 일 측에 배치된 지지부(50)의 제1 러그(511)에 형성된 복수 개의 돌출편(51a) 사이에, 타 측에 배치된 지지부(50)의 제2 러그(513)에 형성된 한 개의 돌출편(51a)을 배치시킨 후, 체결부재(70)를 통하여 일 측에 배치된 지지부(50)의 제1 러그(511)와 타 측에 배치된 지지부(50)의 제2 러그(513)를 서로 결합시켜, 도 5의 (a)와 같이 미리 설정된 길이를 갖는 직선 구조로 연장되거나, 일 측에 배치된 지지부(50)의 제1 러그(511)에 형성된 복수 개의 돌출편(51a)에 타 측에 배치된 복수 개의 지지부(50)에 각각 구비된 한 개의 돌출편(51a)을 각 관통공(51b)이 중첩되도록 배치시킨 후, 체결부재(70)를 통하여 일 측에 배치된 지지부(50)의 제1 러그(511)와 타 측에 배치된 복수 개의 지지부(50)의 제2 러그(513)를 모두 결합시켜, 도 5의 (b)와 같이 다중 방향을 향하여 분기된 구조로 연장될 수 있다.
이처럼 본 발명에 의하면, 제1 저장부(10) 및 공급배관(40)의 벨로우즈 구간(40a)에 각각 설치되는 러그(51)는 알루미늄 소재로 형성되고, 복수의 위치에 설치된 러그(51)를 서로 연결하는 스트럿(53)은 비금속 재질인 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer:유리섬유강화 폴리머) 소재로 형성됨으로써, 극저온부인 벨로우즈 구간(40a)에 설치된 러그(51)와 상온 또는 상대적으로 고온부인 제1 저장부(10)의 격판(30)에 설치된 러그(51) 사이의 열전도를 완벽히 차단하여 극저온인 산화제의 온도상승 또는 상온인 연료의 온도하락을 예방할 수 있고, 금속 소재에 비하여 상대적으로 가벼운 무게로 인하여 전체 중량을 감소시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
10. 제1 저장부
20. 제2 저장부
30. 격판
40. 공급배관 40a. 벨로우즈 구간
50. 지지부
51. 러그
51a. 돌출편 51b. 관통공
511. 제1 러그 513. 제2 러그
53. 스트럿
60. 브라켓
70. 체결부재
A1. 상온/고온부
A2. 극저온부

Claims (7)

  1. 연료가 저장되는 제1 저장부,
    상기 제1 저장부의 상부에 배치되고 상기 연료보다 낮은 온도의 산화제가 저장되는 제2 저장부,
    상기 제1 저장부의 내부에 설치되어 상기 제2 저장부와 연통되고 상기 제1 저장부를 관통하여 외부로 연장되는 공급배관, 그리고
    상기 제1 저장부 및 상기 공급배관을 서로 연결하여 상기 공급배관을 상기 제1 저장부에 고정시키고, 상기 제1 저장부 및 상기 공급배관에 각각 접하는 단부와 복수의 위치에 배치된 상기 단부를 연결하는 연결부가 서로 다른 소재로 형성되어 상기 단부의 열전도를 차단하는 지지부
    를 포함하며,
    상기 지지부는
    상기 지지부의 단부에 배치되어 상기 제1 저장부 및 상기 공급배관에 각각 설치되고 금속소재로 형성되는 러그(lug), 그리고
    복수의 위치에 설치된 상기 러그를 서로 연결하고 섬유복합소재로 형성되어 상기 러그의 열전도를 차단하는 스트럿(strut)
    을 포함하는 액체로켓 추진제 탱크.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 제1 저장부는 상기 제1 저장부와 상기 제2 저장부 사이에 배치되어 상기 제1 저장부와 상기 제2 저장부를 구획하는 격판을 더 포함하고,
    상기 제1 저장부의 내부에 배치된 상기 공급배관의 일 측에는 벨로우즈(bellows) 구간이 구비되며,
    상기 제1 저장부의 내부를 향하는 상기 격판의 일면 및 상기 벨로우즈 구간에는 상기 러그가 결합되는 브라켓이 구비되는 액체로켓 추진제 탱크.
  4. 제1항에서,
    상기 러그는
    상기 스트럿의 일 측에 배치되어 복수 개의 돌출편이 형성되는 제1 러그, 그리고
    상기 스트럿의 타 측에 배치되어 한 개의 돌출편이 형성되는 제2 러그
    를 포함하는 액체로켓 추진제 탱크.
  5. 제4항에서,
    상기 복수 개의 돌출편 및 상기 한 개의 돌출편에는 각각 관통공이 형성되고,
    상기 한 개의 돌출편에 형성된 관통공은 장공(slot) 구조로 형성되는 액체로켓 추진제 탱크.
  6. 제4항에서,
    상기 지지부는 복수 개로 구비될 경우,
    일 측에 배치된 지지부의 제1 러그와 타 측에 배치된 지지부의 제2 러그 간의 결합을 통하여 직선 구조 또는 분기된 구조로 연장되는 액체로켓 추진제 탱크.
  7. 제1항에서,
    상기 러그는 알루미늄 소재로 형성되고,
    상기 스트럿은 GFRP(Glass Fiber Reinforced Polymer:유리섬유강화 폴리머) 소재로 형성되는 액체로켓 추진제 탱크.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109911247A (zh) * 2019-03-13 2019-06-21 北京星际荣耀空间科技有限公司 火箭及其推进剂贮箱
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