KR101766342B1

KR101766342B1 - 슬리브 핀틀을 사용하는 자발가압식 가변추력 로켓엔진

Info

Publication number: KR101766342B1
Application number: KR1020150190013A
Authority: KR
Inventors: 손민; 김도헌; 구자예
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2015-12-30
Filing date: 2015-12-30
Publication date: 2017-08-08
Also published as: KR20170079440A

Abstract

자발가압식 가변추력 로켓엔진이 개시되며, 본원의 로켓엔진은 구동 신호에 따라 전후 방향으로 이동되는 슬리브 핀틀에 의해 추진제 유량을 조절하는 환형의 분사출구를 갖는 인젝터부, 상기 분사출구의 후방 내측에 적어도 일부가 위치하는 제1 추진제탱크를 포함하고, 상기 인젝터부로 제1 추진제를 공급하는 제1 채널을 갖는 내부 케이싱, 상기 분사출구의 후방 외측에 적어도 일부가 위치하는 제2 추진제탱크를 포함하고, 상기 인젝터부로 제2 추진제를 공급하는 제2 채널을 갖는 외부 케이싱, 및 상기 분사출구와 후방으로 연통하도록 상기 내부 케이싱과 상기 외부 케이싱 사이에 환형으로 형성되는 노즐부를 포함할 수 있다.

Description

슬리브 핀틀을 사용하는 자발가압식 가변추력 로켓엔진 {SELF-PRESSURIZING VARIABLE THRUST ROCKET ENGINE USING SLEEVE PINTLE}

본원은 슬리브 핀틀을 사용하여 가변추력이 가능하고, 자발가압이 가능한 로켓엔진에 관한 것이다.

항공우주 및 국방분야에 사용되는 기존의 액체로켓엔진은 일반적으로 비활성 기체를 이용하거나 터빈 또는 펌프를 이용하여 추진제를 가압하는 방식을 사용하고 있다. 그런데, 이처럼 별도의 가압장치를 통해 추진제를 가압하는 기존 방식의 경우, 엔진 구성을 간소화하고 엔진의 무게와 부피를 줄이는 데에 한계가 있었다.

이에 따라, 엔진무게당 추력비를 높이고 엔진 구성을 간소화하여 엔진 성능을 향상시키는 방향으로 액체로켓엔진에 대한 연구개발이 이루어질 필요가 있다.

본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제1409938호 (2014.06.13등록)에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 가압장치 없이 자발적인 가압 방식을 이용하여 엔진무게당 추력비를 높이고 엔진 구성을 간소화하여 엔진의 성능을 향상시킬 수 있는 자발가압식 가변추력 로켓엔진을 제공하고자 한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 자발가압식 가변추력 로켓엔진은, 구동 신호에 따라 전후 방향으로 이동되는 슬리브 핀틀에 의해 추진제 유량을 조절하는 환형의 분사출구를 갖는 인젝터부; 상기 분사출구의 후방 내측에 적어도 일부가 위치하는 제1 추진제탱크를 포함하고, 상기 인젝터부로 제1 추진제를 공급하는 제1 채널을 갖는 내부 케이싱; 상기 분사출구의 후방 외측에 적어도 일부가 위치하는 제2 추진제탱크를 포함하고, 상기 인젝터부로 제2 추진제를 공급하는 제2 채널을 갖는 외부 케이싱; 및 상기 분사출구와 후방으로 연통하도록 상기 내부 케이싱과 상기 외부 케이싱 사이에 환형으로 형성되는 노즐부를 포함할 수 있다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 추진제 탱크(제1 추진제 탱크 및 제2 추진제 탱크)를 연소기 중앙(환형의 분사출구의 후방 내측) 및 양 벽(환형의 분사출구의 후방 외측)에 배치함으로써, 환형 연소기(노즐부)에서 발생한 열을 이용하여 각 추진제 탱크의 내부를 자발적으로 가압할 수 있는 자발가압식 가변추력 로켓엔진이 구현될 수 있다.

또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 추진제 탱크가 분사출구의 전방에 직렬로 배치되었던 종래와 달리, 각 추진제 탱크가 분사출구의 후방에 배치되므로, 로켓엔진의 크기를 간소화 할 수 있고, 이러한 추진제 탱크 배치에 의해 전술한 바와 같이 자발가압이 가능해져 별도의 가압장치가 필요없어 로켓엔진의 무게 및 부피를 줄일 수 있다.

또한, 전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 추진제 탱크의 구조를 개선시키면서 추진제의 분사를 제어하는 슬리브 핀틀을 통해 가변추력이 가능하고 고속 응답 성능을 가진 가변추력 로켓엔진을 구현할 수 있다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 자발가압식 가변추력 로켓엔진의 단면도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 자발가압식 가변추력 로켓엔진의 동작 메커니즘을 도시한 단면도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 로켓엔진의 온도분포를 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본원의 일 실시예에 따른 자발가압식 가변추력 로켓엔진의 단면도이고, 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 자발가압식 가변추력 로켓엔진의 동작 메커니즘을 도시한 단면도이다.

본원의 일 실시예에 따른 자발가압식 가변추력 로켓엔진(이하 '본 가변추력 로켓엔진'이라 함)은 인젝터부(1), 내부 케이싱(30), 외부 케이싱(40), 및 노즐부(2)를 포함할 수 있다.

인젝터부(1)는 구동 신호에 따라 전후 방향으로 이동되는 슬리브 핀틀에 의해 추진제 유량을 조절하는 환형의 분사출구를 갖는다.

여기서, 추진제 유량은 후술할 제1 추진제의 유량과 제2 추진제의 유량을 조절하는 것을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다.

도 2를 참조하면, 분사출구는 제1 추진제가 분사되는 제1 분사간극(35)과 제2 추진제가 분사되는 제2 분사간극(44)에 의해 형성될 수 있다. 즉, 분사출구는 제1 분사간극(35)과 제2 분사간극(44)을 포함하여 지칭하는 것을 의미할 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 보다 상세히 살펴보기로 한다.

또한 전후 방향이란, 도 2를 기준으로 보았을 때 상하 방향을 의미한다. 구체적으로, 도 2를 기준으로 6시 방향(하방)이 후방이고, 12시 방향(상방)이 전방을 의미하며, 본 명세서 전반에서 동일 내지 유사한 개념으로 사용된다. 또한, 본 가변추력 로켓엔진의 분사작용이 일어나는 방향을 후방(도 2 기준 6시 방향)으로 이해할 수 있다.

도 1을 참조하면, 인젝터부(1)는, 구동 신호에 따라 볼스크류(21)를 회전시키는 구동유닛(20)을 포함할 수 있다. 인젝터부(1)는 볼스크류(21)에 의해 슬리브 핀틀(10)이 전후 방향으로 이동되어 분사출구의 간극(크기)을 조절할 수 있다. 예를 들어, 구동유닛(20)은 구동유닛 지지부(22)의 전방에 구비되고 구동유닛 지지부(22)에 고정되어, 동력을 안정적으로 슬리브 핀틀(10)에 전달할 수 있다. 이러한 슬리브 핀틀(10)의 구동과 관련한 구성은 당 분야의 통상의 기술자에게 자명한 구성이라 할 것이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

또한 도 2를 참조하면, 슬리브 핀틀(10)의 단부에는 제1 분사간극(35)의 크기를 조절하는 부분과 제2 분사간극(44)의 크기를 조절하는 부분이 각각 마련될 수 있다. 구체적으로 슬리브 핀틀(10)의 끝단은 슬리브 핀틀(10)이 후진(도 2 기준 상향 이동)될수록 제1 분사간극(35) 및 제2 분사간극(44) 각각의 크기를 감소시키다가 결국에는 제1 분사간극(35) 및 제2 분사간극(44) 각각을 폐쇄하도록 각기 다른 방향을 향하게 형성되는 2개의 단부면(경사면)을 가질 수 있다. 예시적으로 도 1을 참조하면, 슬리브 핀틀(10)이 후방으로 소정 거리만큼 이동되면 슬리브 핀틀(10)의 단부(11)의 2개의 단부면 각각이 외부 케이싱(40) 및 내부 케이싱(30) 각각의 대응하는 경사면에 접하게 되어 간극이 사라지게 되고, 이에 따라 분사출구가 닫혀 추진제가 분사되지 않는 상태가 될 수 있다. 다만, 슬리브 핀틀(10)의 단부는, 제1 분사간극(35)과 제2 분사간극(44)이 분사시 필요로 하는 제1 추진제 및 제2 추진제의 양에 따라, 동일한 슬리브 핀틀(10)의 위치에서 서로 다른 간극을 형성하도록 구비될 수 있다.

한편, 내부 케이싱(30)은 분사출구(35, 44)의 후방 내측에 적어도 일부가 위치하는 제1 추진제탱크(31)를 포함한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 분사출구의 후방 내측은 후술할 환형의 노즐부(2)의 중앙 부분을 의미할 수 있다. 또한, 제1 추진제탱크(31)에는 제1 추진제가 저장될 수 있다.

또한, 외부 케이싱(40)은 분사출구(35, 44)의 후방 외측에 적어도 일부가 위치하는 제2 추진제탱크(41)를 포함한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 분사출구의 후방 외측은 후술할 환형의 노즐부(2)의 둘레 외측 부분을 의미할 수 있다. 또한, 제2 추진제탱크(41)에는 제2 추진제가 저장될 수 있다.

예시적으로 도 1을 참조하면, 내부 케이싱(30)은 적어도 일부(제1 추진제탱크를 포함하는 부분)가 환형의 노즐부(2)의 중앙에 위치하는 원통형으로 형성될 수 있다. 또한, 외부 케이싱(40)은 적어도 일부(제2 추진제탱크를 포함하는 부분)가 노즐부(2)를 감싸는 환형으로 형성될 수 있다.

노즐부(2)는 분사출구(35, 44)와 후방으로 연통하도록 내부 케이싱(30)과 외부 케이싱(40) 사이에 환형으로 형성되는 형태이다.

이러한 노즐부(2), 제1 추진제탱크(31) 및 제2 추진제탱크(41)의 배치 관계에 의하면, 제1 추진제탱크(31)와 제2 추진제탱크(41)가 노즐부(2)의 연소가스에 의해 가열될 수 있다, 다시 말해, 두 추진제탱크는, 노즐부(2)의 연소가스에 의해 내부의 추진제가 가열되어 자발적으로 압력을 유지할 수 있다. 참고로, 연소가스는 추진제가 연소할 때 발생하는 고온의 가스이다.

즉 본원에 의하면, 분사출구 후방의 노즐부(2)를 감싸도록 제1 추진제탱크(31)와 제2 추진제탱크(41)를 배치함으로써, 노즐부(2)의 연소가스의 연소열을 그대로 활용한 자발적인 가압이 이루어질 수 있어, 별도의 가압장치가 필요 없으며, 이에 따라 로켓엔진의 구성을 크게 간소화하면서도 엔진무게당 추력비를 높일 수 있다. 또한, 본원에 의하면, 기존의 로켓엔진과 같이 추진제 탱크를 분사출구의 전방에 직렬로 배치하는 것이 아니라 분사출구의 후방에 배치하면 되므로, 이러한 배치 측면에서도 로켓엔진의 크기를 훨씬 간소화할 수 있다.

또한, 내부 케이싱(30)은 인젝터부(1)로 제1 추진제를 공급하는 제1 채널(32)을 갖는다. 또한, 외부 케이싱(40)은 인젝터부(1)로 제2 추진제를 공급하는 제2 채널(42)을 갖는다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 채널(32)은, 노즐부(2)의 연소가스에 의해 제1 추진제탱크(31)가 과열되는 것을 방지하도록, 제1 추진제탱크(31)보다 외측에 형성될 수 있다. 또한, 제2 채널(42)은, 노즐부(2)의 연소가스에 의해 제2 추진제탱크(41)가 과열되는 것을 방지하도록, 제2 추진제탱크(41)보다 내측에 형성될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 가변추력 로켓엔진은 연소가스의 열기를 이용하여 각 추진제탱크(31, 41)를 가열하여 별도의 가압장치 없이도 자발 가압을 유지하는 것이다. 다만, 이렇게 추력을 위한 연소가 이루어지는 노즐부(2)의 내외측에 인접하게 추진제탱크(31, 41)가 배치된 경우, 연소가스의 열기가 각 추진제탱크에 보다 직접적인 영향을 미침으로 인해, 추진제탱크가 필요이상으로 과열될 수도 있다. 이에 따라, 제1 추진제탱크(31)보다 외측에 형성된 제1 채널(32)을 통해 제1 추진제탱크(31)의 과열을 소정 이하로 방지하고, 제2 추진제탱크(41)보다 내측에 형성된 제2 채널(42)을 통해 제2 추진제탱크(41)의 과열을 소정 이하로 방지하도록 할 수 있다.

한편, 제1 추진제탱크 및 제2 추진제탱크 중 하나 이상의 내부에는, 추진제의 역류, 슬러싱(Sloshing) 또는 공급중단이 방지되도록 격막판(60)이 형성될 수 있다.

도 1을 참조하면, 격막판(60)은 추진제의 공급 경로의 단면적이 제1 추진제탱크(31) 또는 제2 추진제탱크(41)의 전체 단면적보다 작아지도록 형성될 수 있다. 일 예로 격막판(60)은 도 1에 도시된 바와 같이, 각 추진제 탱크 내부에 소정의 간격을 두고 지그재그로 배치될 수 있다. 격막판(60)이 지그재그로 배치된다는 것은, 도 1을 기준으로 설명하면, 제1 추진제탱크 및 제2 추진제탱크 각각의 내부에 격막판(60)이 상하 방향으로 간격을 두고 좌 우 번갈아가면서 배치되는 형태를 의미할 수 있다. 이처럼 격막판(60)이 지그재그로 배치됨으로써, 추진제의 흐름 경로의 단면적이 추진제탱크의 전체 단면적보다 작아질 수 있어, 격막판(60)이 없을 때에 비해 동일한 압력으로도 추진제의 유속을 더 빠르게 유지할 수 있고, 역류, 슬러싱(출렁거림), 공급중단 등의 현상을 방지할 수 있다.

또한, 내부 케이싱(30)은, 공급관(33) 및 제1 매니폴드(34)를 포함할 수 있다.

공급관(33)은 제1 채널(32)에 연결되어, 제1 추진제를 제1매니폴드(34)로 공급할 수 있다. 예시적으로 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공급관(33)은 제1 추진제탱크(31)의 전면 중앙으로 연장된 제1 채널(32)과 연결되어 상향 연장된 다음, 외측 반경 방향으로 연장되어 제1 매니폴드(34)와 연결되는 형태의 유로로 형성될 수 있다.

공급관(33)을 통해 이동되는 제1 추진제는 제1매니폴드(34)로 이동된다. 이때 제1매니폴드(34)는 공급관(33)에 연결되어 슬리브 핀틀(10)의 전후 이동에 따라 제1 추진제를 분사출구로 공급할 수 있다. 도 2를 참조하면, 제2 분사간극가 제1 채널(32)과 공급관(33)을 통해 제1 매니폴드(34)로 이동되고 제1 매니폴드(34)에서 제1 분사간극(35)을 통해 제1 추진제가 분사될 수 있다.

외부 케이싱(40)은, 제2 채널(42)에 연결되어 슬리브 핀틀(10)의 전후 이동에 따라 제2 추진제탱크를 분사출구로 공급하는 제2 매니폴드(43)를 포함할 수 있다.

제2 채널(42)은, 제2 추진제탱크탱크(41)와 제2 매니폴드(43)를 연결하는 유로로, 제2 추진제탱크가 제2 매니폴드(43)로 이동할 수 있도록 연결된다. 이때 도 1을 참조하면, 제2 매니폴드(43)는 외부 케이싱(40)의 내주면에 의해 둘러싸인 형태로 형성될 수 있다. 제2 추진제탱크가 제2 채널(42)을 통해 제2 매니폴드(43)로 이동되고 제2 매니폴드(43)에서 제2 분사간극(44)을 통해 제2 추진제탱크가 분사될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 분사간극(35) 및 제2 분사간극(44)은 슬리브 핀틀(10)의 단부(11)와 상술한 각 케이싱 경사면 사이의 간극으로서, 이를 통해 분사출구가 형성될 수 있다. 예시적으로 도 2를 참고하여 자세히 설명하면, 제1 분사간극(35)은 단부(11)와 내부 케이싱(30) 경사면 사이의 간극으로, 슬리브 핀틀(10)의 전후 방향 이동 정도에 따라 간극의 크기가 변하여, 제1 추진제의 분사 속도 및 유량이 제어될 수 있다. 예시적으로, 제2 분사간극(44)은 단부(11)와 외부 케이싱(40) 경사면 사이의 간극인 것으로, 슬리브 핀틀(10)의 전후 방향 이동 정도에 따라 간극의 크기가 변하여, 제2 추진제탱크의 분사 속도 및 유량이 제어될 수 있다.

슬리브 핀틀(10)이 전후로 이동 가능함에 따라 추진제의 분사 속도 및 유량이 제어될 수 있다. 구체적으로 도 2를 참고하여 설명하면, 슬리브 핀틀(10)을 전방으로 소량만 이동시켜, 단부(11)와 각 케이싱 경사면 사이의 간극을 좁게 함으로써 추진제의 유량을 낮추면서 분사속도를 높일 수 있고, 슬리브 핀틀(10)을 전방으로 최대로 이동시켜 간극을 넓게 함으로써 추진제의 유량을 높이면서 분사속도를 낮출 수 있다. 슬리브 핀틀(10)의 이동 정도를 통해 유량과 분사속도를 제어하여 가변추력이 가능하다.

이처럼 슬리브 핀틀(10)의 이동 정도에 따라 추진제의 분사 속도와 유량을 제어 할 수 있어, 고속 응답 성능을 가진 가변추력 로켓엔진을 구현할 수 있다. 또한 분사 특성을 설정하는 내부 케이싱(30) 경사면 및 외부 케이싱(40) 경사면과 단부(11)의 경사면이 일정한 각도를 가지게 되므로 일정한 분사 특성을 가질 수 있다.

즉, 본원에 의하면 구동유닛(20) 및 볼스크류(21)를 통해 제어되는 슬리브 핀틀(10)로 동시에 두 가지 추진제가 제어되며, 슬리브 핀틀(10) 단부(11)의 경사면의 각도설계 및 각 케이싱 경사면의 각도설계를 통해 유량의 제어를 변경할 수 있다.

슬리브 핀틀(10)이 전방으로 이동하면, 제1 분사간극(35) 및 제2 분사간극(44)을 통해 제1 추진제 및 제2 추진제탱크가 분사된다. 분사된 두 추진제는 노즐부(2)에서 만나 연소될 수 있다.

노즐부(2)는 환형 연소기(50), 환형 노즐목(51) 및 노즐 팽창부(52)를 포함할 수 있다.

환형 연소기(50)에서는 분사출구로부터 분사된 추진제가 연소될 수 있다.

또한, 환형 노즐목(51)은 환형 연소기(50)에서 생성된 연소가스를 가속할 수 있다. 예를 들어, 환형 노즐목(51)은 환형 연소기(50)보다 폭이 좁은 환형으로 형성될 수 있다. 또한, 노즐 팽창부(52)는 환형 노즐목(51)의 후방에 연결되고 환형 노즐목(51)보다 폭이 넓은 환형으로 형성될 수 있다. 이러한 노즐부(2)에 의하면, 연소가스는 환형노즐목(51)에서 가속되어 노즐팽창부(52)에서 초음속으로 가속되어 추력을 발생할 수 있다.

또한, 노즐부(2)는 환형 노즐목(51)의 후방에 노즐 팽창부(52)가 형성되도록 내부 케이싱(30)의 후방에 구비되는 노즐콘(53)을 포함할 수 있다. 예시적으로 도 1 및 도 2를 참조하면, 노즐콘(53)은 후방으로 갈수록 노즐 팽창부(52)의 폭을 확폭하여 주는 콘(cone) 형상으로 구비될 수 있다. 또한, 노즐콘(53)은 연소가스의 고온을 견디기 위해 크로뮴코퍼, 그라파이트 등의 내열성 재료를 사용하여 제작될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 기존의 로켓엔진은 연료탱크가 연소기와 먼 곳에 위치하고, 연료의 압력을 유지시키기 위해 터빈이나 펌프와 같은 별도의 가압장치가 필수적으로 구비되어야 했다. 그에 반해 본원의 추진제 탱크는 연소가스가 생성되는 노즐부(2)와 이웃하게 형성될 수 있어, 엔진의 크기를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 노즐부(2)에서 발생한 열을 재사용하여 연료탱크 내의 압력을 유지할 수 있다. 즉, 노즐부(2)의 연소작용에 의해 발생한 고온이 내부 케이싱(30) 및 외부 케이싱(40)으로 회수되어 제1 추진제탱크(31) 및 제2 추진제탱크탱크(41)로 전달된다. 다시 말하면, 연소작용에 의해 발생한 고온이 제1 추진제 및 제2 추진제탱크를 가열함으로써 두 추진제가 팽창하여 추진제탱크 내부의 압력을 높일 수 있어 자발적으로 가압을 유지할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본원에서 제1 채널(32) 및 제2 채널(42)이 형성된 것은, 연소가스의 열기가 제1 추진제탱크(31) 및 제1 추진제가 과열되는 것을 방지하기 위함이다. 본원은 연소가스의 열기로 각 추진제탱크를 가열하여 자발 가압을 유지하는 것이나, 연소가스의 열기가 매우 높아 각 추진제탱크가 필요이상으로 과열될 수도 있다. 따라서, 제1 채널 및 제2 채널의 경로를 각 추진제탱크에 대한 커버 형태로 형성하여 각 추진제탱크의 과열을 방지할 수 있다.

제1 채널(32) 및 제2 채널(42)이 형성되어 발생하는 효과는 도3을 통해 설명한다.

도3은 본원의 일 실시예에 따른 로켓엔진의 온도분포를 도시한 것으로, 도 2의 A부분의 온도분포를 나타낸다.

종래에는, 초기에 추진제를 공급할 때에는 비활성기체로 낮게 가압된 상태로 공급되지만 종래의 가압식 로켓엔진은 추진제가 소모됨에 따라 가압압력이 감소하는 단점이 있었다.

반면에, 본원에서는 연소작용에서 발생한 열기(예를 들면, 복사열 및 대류열)가 내부 케이싱(30) 및 외부 케이싱(40)으로 전달되어, 제1 추진제탱크(31) 및 제2 추진제탱크(41)를 가열하고 탱크내 압력을 높여 자발적으로 가압을 유지하는 메커니즘을 구현한 것이다. 도3의 Propellant 1 Tank(제1 추진제탱크)를 기준으로 설명하면, Combuster(연소기)에서 발생한 고온이 과열을 방지하기 위한 Cooling channel(제1 채널)과 제1 채널(32)을 둘러싼 내부 케이싱(30)을 지나면서 온도가 낮아진다. 이와 같이 연소작용에서 발생한 열기는 제1 채널(32)을 통해 소정 이하의 온도로 냉각되어 제1 추진제탱크(31)에 전달됨으로써, 제1 추진제탱크(31) 내부를 과열시키지는 않으면서 내부의 가압을 유지할 수 있을 정도로 제1 추진제를 가열할 수 있다. 또한 내부 케이싱(30)과 제1 채널(32)의 두께와 같은 제원 설계 변경을 통해 감소되는 온도를 필요에 따라 다르게 제어할 수 있을 것이다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 인젝터부
2: 노즐부
10: 슬리브 핀틀
11: 단부
20: 구동유닛
21: 볼스크류
22: 구동유닛 지지부
30: 내부 케이싱
31: 제1 추진제탱크
32: 제1 채널
33: 공급관
34: 제1 매니폴드
35: 제1 분사간극
40: 외부 케이싱
41: 제2 추진제탱크탱크
42: 제2 채널
43: 제2 매니폴드
44: 제2 분사간극
50: 환형 연소기
51: 환형 노즐목
52: 노즐 팽창부
53: 노즐콘
60: 격막판

Claims

가변추력 로켓엔진에 있어서,
구동 신호에 따라 전후 방향으로 이동되는 슬리브 핀틀에 의해 추진제 유량을 조절하는 환형의 분사출구를 갖는 인젝터부;
상기 분사출구의 후방 내측에 적어도 일부가 위치하는 제1 추진제탱크를 포함하고, 상기 인젝터부로 제1 추진제를 공급하는 제1 채널을 갖는 내부 케이싱;
상기 분사출구의 후방 외측에 적어도 일부가 위치하는 제2 추진제탱크를 포함하고, 상기 인젝터부로 제2 추진제를 공급하는 제2 채널을 갖는 외부 케이싱; 및
상기 분사출구와 후방으로 연통하도록 상기 내부 케이싱과 상기 외부 케이싱 사이에 환형으로 형성되는 노즐부를 포함하되,
상기 제1 채널은, 상기 노즐부의 연소가스에 의해 상기 제1 추진제탱크가 과열되는 것을 방지하도록, 상기 제1 추진제탱크보다 외측에 상기 제1 추진제탱크에 대한 커버 형태의 경로로 형성되고,
상기 제2 채널은, 상기 노즐부의 연소가스에 의해 상기 제2 추진제탱크가 과열되는 것을 방지하도록, 상기 제2 추진제탱크보다 내측에 상기 제2 추진제탱크에 대한 커버 형태의 경로로 형성되는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제1항에 있어서,
상기 제1 추진제탱크와 상기 제2 추진제탱크는, 상기 노즐부의 연소가스에 의해 가열되는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 추진제탱크 및 상기 제2 추진제탱크 중 하나 이상의 내부에는, 추진제의 역류, 슬러싱 또는 공급중단이 방지되도록 격막판이 형성되는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제4항에 있어서,
상기 격막판은, 추진제의 공급 경로의 단면적이 상기 제1 추진제탱크 또는 상기 제2 추진제탱크의 전체 단면적보다 작아지도록 형성되는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제4항에 있어서,
상기 격막판은 복수개 구비되고,
상기 복수의 격막판은 간격을 두고 배치되되, 지그재그로 배치되는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제1항에 있어서,
상기 내부 케이싱은,
상기 제1 채널에 연결되는 공급관; 및
상기 공급관에 연결되어 상기 슬리브 핀틀의 전후 이동에 따라 상기 제1 추진제를 상기 분사출구로 공급하는 제1 매니폴드를 더 포함하는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제1항에 있어서,
상기 외부 케이싱은,
상기 제2 채널에 연결되어 상기 슬리브 핀틀의 전후 이동에 따라 상기 제2 추진제를 상기 분사출구로 공급하는 제2 매니폴드를 더 포함하는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제1항에 있어서,
상기 분사출구는,
상기 제1 추진제가 분사되는 제1 분사간극과, 상기 제2 추진제가 분사되는 제2 분사간극으로 형성되는 것인 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제1항에 있어서,
상기 노즐부는,
상기 분사출구로부터 분사된 상기 추진제가 연소되는 환형 연소기;
상기 환형 연소기에서 생성된 연소가스를 가속하도록 폭이 좁아지는 환형 노즐목; 및
상기 환형 노즐목의 후방에 연결되고 폭이 증가되는 노즐 팽창부를 포함하는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제10항에 있어서,
상기 노즐부는,
상기 환형 노즐목의 후방에 상기 노즐 팽창부가 형성되도록 상기 내부 케이싱의 후방에 구비되는 노즐콘을 더 포함하는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.
제1항에 있어서,
상기 인젝터부는,
상기 구동 신호에 따라 볼스크류를 회전시키는 구동유닛을 포함하고,
상기 볼스크류에 의해 상기 슬리브 핀틀이 전후 방향으로 이동되어 상기 분사출구의 간극을 조절하는 것인, 자발가압식 가변추력 로켓엔진.