KR101731834B1 - 액체 로켓의 슬로싱 억제 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 추진제를 저장하는 저장탱크에서 발생하는 슬로싱 현상을 효율적으로 억제시킬 수 있는 슬로싱 억제 장치에 관한 것으로, 추진제탱크 내에 부유하는 플레이트와 상기 플레이트와 밀착되어 상기 플레이트의 상승 또는 하강을 가이드하는 가이드부를 구비하고, 상기 플레이트에 형성된 플레이트홀을 통해 기화된 액체추진제를 안전하게 배출하는 장치에 관한 것이다.

Description

액체 로켓의 슬로싱 억제 장치{Sloshing Suppression Device In Liquid-propellant Rocket}

본 발명은 항공기의 추진제탱크 내부의 액체추진제의 슬로싱을 억제하기 위한 장치에 관한 것으로, 탱크 내부에 슬로싱을 억제하기 위한 슬로싱 억제판을 구비하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액체 로켓의 추진제 탱크는 액체 산소(liquid oxygen), 케로신(Kerosene), 액체수소(liquid hydrogen) 등의 액체 추진제를 저장하기 위해 각각의 추진제의 특징에 따라 저온 또는 고압 등으로 밀폐, 보온되도록 하기 위하여 특수한 형태로 제작되고 있다.

액체 저장 탱크를 제작함에 있어서 중요한 하중 조건 중의 하나가 슬로싱(sloshing) 문제인데, 슬로싱이란, 외부적 요인에 의한 탱크의 흔들림 등으로 인해 자유 표면을 가지는 액체 추진제가 흔들리면서, 탱크 내부의 내측벽에 강한 충격을 유발하는 유체의 거동을 지칭하는 것으로, 이러한 슬로싱은 액체 저장 탱크의 제작 초기부터 고려된다.

액체 저장 탱크의 형태는 액체 추진제에 의한 슬로싱을 최소화함과 동시에 예상되는 슬로싱 하중을 충분히 견딜 수 있도록 설계되어 왔다. 그럼에도 불구하고, 슬로싱 하중의 불확실성으로 인하여 예상치 못한 액체 저장 탱크의 손상이 발생되고 있다.

이와 같은 슬로싱 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 출원인은 한국 등록 특허 제 1043622호(선행문헌)에서, 액체의 표면에 부유되도록 부력을 가지는 복수의 부력체, 액체를 흡수하도록 오픈 셀(open cell) 구조를 가지며, 부력체를 둘러싸는 폼부재 및 인접한 부력체들을 서로 연결시키는 연결수단을 포함하는 슬로싱 억제 장치를 제시한 바 있다. 상기 선행문헌에 개시된 슬로싱 억제 장치에서는 부력체를 둘러싸는 폼부재를 포함하는 부력 블록이 정육면체 형상으로 이루어져 있는 예가 제시되어 있다. 그런데, 선행 문헌에 개시된 슬로싱 억제 장치는 액체 화물 상에서 넓은 면적을 갖도록 형성되기 때문에 액체화물 상에서 부유하는 동안 액체 화물의 출렁임에 의하여 슬로싱 억제 장치의 둘레부에 위치되는 부력 블록들이 슬로싱 억제 장치의 중앙부에 위치되는 부력 블록들 상측으로 접히는 문제가 발생할 수 있다.

한국 등록 특허 10-1043622 (슬로싱 억제 장치)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 액체 추진제를 저장하는 저장탱크에서 발생하는 슬로싱 현상을 효율적으로 억제시킬 수 있는 슬로싱 억제 장치를 제공하는 것이다.

액체추진제(A)를 저장하는 추진제탱크(200)에서 발생하는 슬로싱 현상을 억제하기 위한 장치로서, 상부가 돔 형상의 추진제탱크(200), 상기 추진제탱크(200) 내부의 액체추진제(A) 표면에 부유되도록, 상기 액체추진제(A)보다 낮은 밀도를 가지는 플레이트(300) 및 상기 추진제탱크(A) 벽면을 따라 수직하게 다수개 형성된 가이드부(400)를 포함하며, 상기 플레이트(300)에 형성되는, 적어도 하나이상의 플레이트홀(350), 상기 추진제탱크(200)의 상부에 결합되어, 상기 추진제탱크(200) 내에 가압가스 분사를 위한 가압가스분사장치(750) 및 상기 추진제탱크(200)의 상부에 결합되어, 상기 가압가스 또는 상기 추진제탱크(200)의 내부에서 발생한 기화가스를 배출하기 위한 밸브(700)를 포함하고, 상기 가압가스분사장치(750) 및 밸브(700)는, 엔진으로 유입되는 액체추진제(A)의 압력을 소정의 범위 내에 있도록 제어 가능하는 것을 특징으로 한다.
상기 가이드부(400)는 하단에 걸림부(450)가 형성되어 있으며, 상기 플레이트(300)는 몸체에 적어도 하나이상의 플레이트홀(350)이 형성되어 있다. 또한, 상기 플레이트(300)는 상기 추진제탱크(200) 내의 액체추진제(A)의 양에 따라, 상기 가이드부(400)를 따라 상승 또는 하강하며, 상기 추진제탱크(200)는 하부에 부가적인 추가 장치를 구비하기 위한 공간을 가지는 것을 특징으로 한다.

삭제

본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치는 간단하면서도 효율적으로 슬로싱 현상을 억제할 수 있다. 또한, 슬로싱 현상을 억제함과 동시에, 액체추진제 표면에서 나타나는 기화현상에 의해 기화된 액체 추진제가 플레이트의 이동을 방해하지 않고 비행 중 추진제 가압 가스가 추진제 표면을 가압할 수 있도록 상기 플레이트의 표면에 다수개의 플레이트홀을 구비하였다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진제탱크의 일부분을 나타낸 사시도.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추진제탱크의 일부분을 나타낸 단면도.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동하는 모습을 나타낸 단면도.
도4(a), 도4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 일부분을 위에서 본 단면도.
도5(a), 도5(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트의 단면도.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 단면도.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 추진제탱크의 일부분을 나타낸 사시도이고, 도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 추진제탱크의 일부분을 나타낸 단면도이며, 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 작동하는 모습을 나타낸 단면도이며, 도4(a), 도4(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 일부분을 위에서 본 단면도이며, 도5(a), 도5(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 플레이트의 단면도이며, 도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 단면도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 슬로싱 억제 장치는 도1에 도시된 바와 같이 형성되며, 액체 로켓의 추진제탱크(200) 내에 설치된다. 액체 로켓의 추진제탱크(200)내에서는 비행 중, 슬로싱 현상이 발생한다. 슬로싱(Sloshing)이란, 구조물의 동요에 의해 기름이나 밸러스트수 등의 유체 액면이 액체탱크 내에서 동요하는 현상을 말한다. 액체로켓의 경우 슬로싱 현상에 의해 구조적 손상을 입게 된다.

본 발명은 슬로싱 현상에 의한 손상을 최소화 하기 위한 것으로, 크게 추진제탱크(200), 플레이트(300) 및 가이드부(400)로 형성되어 있다.

도1을 참조하면, 상기 추진제탱크(200)는 하부가 돔 형태로 형성된 탱크로서, 액체 로켓에 이용된다. 액체 로켓에 이용되는 추진제탱크(200)는 그 특성상, 상기 추진제탱크(200) 하부에 와류 생성 방지장치(미도시), 각종 센서류(미도시) 등 액체 로켓에 필요한 장치들이 설치되며 비행 종료시 추진제를 최대한 사용하여 무게를 가볍게 해야하므로 돔 형태가 적절하다. 하지만, 추진제탱크(200)의 내부 구조 및 그 내부에 저장되는 액체추진제(A)는 이에 제한되지 않고, 다양한 구조의 추진제탱크(200) 및 그 내부에 저장되는 액체추진제(A)의 슬로싱을 억제하는 데 사용될 수 있다.

상기 추진제탱크(200)의 내부에는 액체추진제(A)가 담겨, 하부의 추진제배출구(600)를 통해 배출된다. 상기 액체추진제(A)는 발사체에 적합한 추진제로서, 액체 산소와 액체 연료를 통칭한다. 액체추진제(A) 추진제 표면에서 기화가 매우 강하게 발생하여, 비행 중 탱크 내에서 일정 압력 이상이 되면 기화가스를 배출하게 된다. 발사체의 경우, 엔진으로 유입되는 추진제의 압력을 일정한 범위 내에 있도록 하기위해 추진제 기화가스를 배출하며 추진제 탱크 내에 가압가스 분사를 이용한 가압제어가 필수적이다. 상기 추진체탱크(200)는 내부에서 발생한 가스를 배출하고 가압제어가 이루어지기 때문에, 도6에 도시된 바와 같이, 상기 추진제탱크(200)의 상부에 밸브(700) 및 가압가스분사장치(750)와 같이 가압제어를 위한 부재를 더 구비할 수 있다.

상기 추진제탱크(200)의 내부의 액체추진제(A) 표면에는 플레이트(300)를 설치하고, 상기 추진제탱크(200) 내부 벽면에는 가이드부(400)를 설치한다.

상기 플레이트(300)는 추진제, 즉 액체추진제(A)보다 밀도가 낮아 부력이 발생하고, 액체추진제(A)의 표면에 뜰 수 있는 재질로 형성되어 있다. 상기 플레이트(300)는 상기 추진제탱크(200)의 내부의 액체추진제(A) 표면에 떠 있으며, 원판의 형태로 형성되어 있다. 상기 플레이트(300)는 제작단계에서 구조적인 특성에 의해 부력을 가질 수 있으나, 그 밖에도 재질의 특성에 의해 부력을 가질 수도 있다.

상기 플레이트(300)는 상기 액체추진제(A)의 표면에 떠 있게 되며, 표면에 적어도 하나이상의 플레이트홀(350)이 형성되어 있다. 도5를 참조하면, 상기 플레이트홀(350)은 도5(a)와 같이 상기 플레이트(300)의 중심부에 뚫려 형성되는 것이 한 예이며, 상기 플레이트홀(350)은 도5(a) 또는 도5(b) 뿐만 아니라, 다른 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 복수개의 플레이트홀(350)이 서로 나란하지 않고 엇갈리게 배열될 수 있으며, 폭 및 수는 플레이트(300)의 크기 및 형태에 따라 다양하게 선택될 수 있다.

상기 플레이트(300)에 형성된 플레이트홀(350)은, 상기 추진제에서 증발된 기화가스를 용이하게 배출하기 위해 형성되어 있다. 즉, 상기 추진제에서 기화된 가스는 상기 플레이트(300)에 형성된 플레이트홀(350)을 통해 이동한다. 저온의 액체추진제(A)는 기화가 매우 강하게 발생하여, 비행 중 추진제탱크(200) 내에서 일정 압력 이상이 되면, 액체추진제(A)로부터 기화가스를 배출한다. 따라서, 플레이트(300)에 형성된 플레이트홀(350)은, 액체추진제(A)로부터 발생한 기화가스가 플레이트(300)에 막혀 플레이트(300)의 상승 또는 하강을 방해하며 플레이트(300)와 액체추진제(A) 사이에 머무르지 않고, 플레이트(300)와 액체추진제(A) 사이 공간이 아닌 상기 추진제탱크(200) 내의 빈 공간으로 배출된 후, 추진제탱크(200)의 외부로 배출될 수 있도록 하기 위해 형성되어 있다.

상기 추진제탱크(200)의 내부 벽면에는, 상기 추진제탱크(200)의 벽면을 따라 수직하게 다수개의 가이드부(400)가 형성되어 있다. 상기 플레이트(300)는 상기 가이드부(400)를 따라 상기 추진제탱크(200) 내부에서 상승 또는 하강을 한다. 상기 가이드부(400)는 상기 추진제탱크(200)의 내벽면에 돌출되어 형성되어 있기 때문에, 원판 형상의 플레이트(300)가 상기 추진제탱크(200)의 내벽면과 떨어진 공간을 가진다.

상기 가이드부(400)는 상기 플레이트(300)의 측방향 이동 및 기울어짐을 방지하고, 안전한 상승 및 하강을 위해 구비되어 있다. 상기 추진제탱크(200) 내부의 액체추진제(A)의 양이 줄어들면, 액체추진제(A)의 줄어든 양만큼 상기 플레이트(300)가 상기 가이드부(400)를 따라 하강하게 되고, 상기 추진제탱크(200) 내부의 액체추진제(A)의 양이 늘어나면 상기 플레이트(300)는 상기 가이드부(400)의 상부까지 다시 상승하게 된다.

상기 가이드부(400)는 상기 추진제탱크(200)의 바닥면까지 형성되어 있지 않고, 상기 추진제탱크(200)의 벽면에 일정 부분까지 형성되어 있다. 상기 가이드부(400)의 하단에는 걸림부(450)가 구비되어 있다. 상기 추진제탱크(200)의 바닥면 또는 하부에는 전술한바와 같이 액체 로켓에 필요한 장치들이 더 구비되기 때문에 플레이트(300)를 더 이상 하강하지 않고 멈추도록 해준다. 액체 로켓에 필요한 장치들이 더 구비되는 공간을 가져야 하기 때문에, 상기 가이드부(400)는 추진제탱크(200) 벽면에 구비된다. 추진제탱크(200)의 바닥 중앙 또는 벽면이 아닌 다른 공간에 가이드부(400)와 같은 기둥이 구비되어 있을 경우, 유체의 흐름을 방해할 뿐만 아니라, 불필요한 무게가 증가하게 되기 때문에, 벽면에 설치한다.

도4에 도시된 바와 같이, 상기 가이드부(400)는 상기 플레이트(300)의 원활한 작동을 위한 적절한 개수로 구비되어 있다. 즉, 도4(a)에 도시된 바와 같이, 무게 절감을 위하여 최소한으로 구비할 수도 있고, 도4(b)에 도시된 바와 같이, 안전한 하강 및 상승으로 위하여 다수개 구비할 수도 있다. 만약, 상기 가이드부(400)가 도4(b)와 같이 다수개 구비될 경우, 마찰이 커져 액체추진제(A)에 영향을 줄 수 있으므로, 롤러(미도시) 또는 마찰을 줄여줄 수 있는 다른 부가적인 부재(미도시)를 더 구비할 수도 있다.

도2에 도시된 바와 같이, 추진제탱크(200) 내부에 액체추진제(A)가 가득차있을 경우, 상기 액체추진제(A) 표면에 플레이트(300)가 부유한 채로 상기 벽면의 가이드부(400)와 밀착되어 있다. 이때, 도3에 도시된 바와 같이, 액체추진제(A)의 양이 줄어들 경우, 상기 플레이트(300)는 도3에 도시된 화살표 방향으로 하강하게 되고, 이때, 기화된 액체는 상기 플레이트(300)에 형성된 플레이트홀(350)을 통하여 배출되게 된다.

상기 가이드부(400)를 따라 하강하는 플레이트(300)는 비행 종료 단계에서 상기 액체추진제(A)의 수위가 추진제탱크(200) 하부까지 내려가면, 상기 가이드부(400)의 걸림부(450)에 의해 하강이 멈추게 된다.

위와 같은 구조를 바탕으로, 추진제탱크(200) 내에 액체추진제(A)가 저장되면, 상기 플레이트(300)는 상기 가이드부(400)에 의해 가이드되어, 저장되는 액체추진제(A)의 양에 따라 상승 또는 하강하게 된다. 즉, 항상 액체추진제(A)의 표면에 부유하는 상태를 유지하면서 저장된 액체추진제(A)를 눌러주는 역할을 할 수 있게 된다. 그와 동시에, 상기 가이드부(400)에 의해 측방향 운동이 제한되므로, 추진제탱크(200) 내부의 내벽과 충돌한다거나 액체추진제(A)의 움직임에 따라 기울어지는 염려도 없을뿐만 아니라, 상기 가이드부(400)에 형성된 돌출부에 의해 상기 액체추진제(A)가 하부의 추가적인 장치에 영향을 주지 않게 하강이 가능하다.

본 실시예와 같이 슬로싱 저감을 위해 액체추진제(A)의 표면에 부유하는 플레이트(300)를 적용하게 되면, 상기 액체추진제(A)의 무게중심 이동량을 줄임으로써, 비행 성능을 개선시킬 수 뿐만 아니라, 액체추진제(A)의 슬로싱 현상을 방지하여 추진제탱크(200) 내부를 강타하는 압력 및 마찰을 줄여 구조적인 안정성도 향상시킬 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 슬로싱 억제 장치
200 : 추진제탱크
300 : 플레이트
350 : 플레이트홀
400 : 가이드부
450 : 걸림부
600 : 추진제배출구
700 : 밸브
750 : 가압가스분사장치
A : 액체추진제

Claims (5)

1. 액체추진제(A)를 저장하는 추진제탱크(200)에서 발생하는 슬로싱 현상을 억제하기 위한 장치로서,
   상부가 돔 형상의 추진제탱크(200);
   상기 추진제탱크(200) 내부의 액체추진제(A) 표면에 부유되도록, 상기 액체추진제(A)보다 낮은 밀도를 가지는 플레이트(300); 및
   상기 추진제탱크(200) 벽면을 따라 수직하게 다수개 형성된 가이드부(400);
   상기 플레이트(300)에 형성되는, 적어도 하나이상의 플레이트홀(350);
   상기 추진제탱크(200)의 상부에 결합되어, 상기 추진제탱크(200) 내에 가압가스 분사를 위한 가압가스분사장치(750) 및;
   상기 추진제탱크(200)의 상부에 결합되어, 상기 가압가스 또는 상기 추진제탱크(200)의 내부에서 발생한 기화가스를 배출하기 위한 밸브(700)를 포함하고,
   상기 가압가스분사장치(750) 및 밸브(700)는, 엔진으로 유입되는 액체추진제(A)의 압력을 소정의 범위 내에 있도록 제어 가능하는 것을 특징으로 하는 슬로싱 억제 장치.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 가이드부(400)는
   하단에 걸림부(450)가 형성된 것을 특징으로 하는 슬로싱 억제 장치.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서, 상기 플레이트(300)는
   상기 추진제탱크(200) 내의 액체추진제(A)의 양에 따라, 상기 가이드부(400)를 따라 상승 또는 하강하는 것을 특징으로 하는 슬로싱 억제 장치.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 추진제탱크(200)는
   하부에 부가적인 추가 장치를 구비하기 위한 공간을 가지는 것을 특징으로 하는 슬로싱 억제 장치.

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