KR101833455B1 - 로켓의 연속 점화 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위성 발사체 엔진에 보조엔진을 부가하여 스파크 방식으로 연속 점화가 가능하도록 하는 로켓의 일부 구조에 관한 것으로서, 구체적으로는 로켓의 연속 점화 구조를 제안하는 것이다.
즉, 종래 발사체 엔진에 대하여, 엔진 성능이 저하되어 추진력이 기대치를 충족하지 못해, 발사에 실패하던 이전의 기술을 보완하는 것이다.

Description

로켓의 연속 점화 구조{APPARATUS FOR CONTINUITY IGNITION OF ROCKET}

본 발명은 위성 발사체 엔진에 보조엔진을 부가하여 스파크 방식으로 연속 점화가 가능하도록 하는 로켓의 일부 구조에 관한 것으로서, 구체적으로는 로켓의 연속 점화 구조를 제안하는 것이다.

즉, 종래 발사체 엔진에 대하여, 엔진 성능이 저하되어 추진력이 기대치를 충족하지 못해, 발사에 실패하던 이전의 기술을 보완하는 것이다.

2010년, 한국 항공우주연구원에 의해 발사된 한국형 우주 발사체인 나로호는 러시아의 도움을 받았음에도 불구하고 발사에 실패한 바 있다.

이러한 상황에서 러시아 과학자들은 발사체의 기술 유출을 우려하여 러시아 본토로 복귀하여 발사체를 제작하고 배로 운반해와 재발사에 성공한 사례가 있었다.

이러한 사실을 기반으로 본 출원인은 발사체의 발사 실패 원인이 무엇인지를 추측하였는데, 이는 다음과 같다.

한국형 발사체는, 엔진이 액화가스를 분출하여 분사된 가스를 통해 점화되면 기체압이 몇백배로 급격히 증가되어 그 기체압의 에너지를 통해 추진력을 갖게 되는데, 이 과정에서 엔진 분사압은 초반에는 점화 유지가 현재의 기술력으로 쉬우나, 가스 분출이 지속됨에 따라 탱크 속의 가스 움직임이 빨라지면서 가스의 특성에 의해 온도를 저하되고, 휘발성 기체가 형성되면서 탱크 속의 압력이 높아져 높은 분사압에 연소가 시작되는 기준영역이 밀린다. 이러한 현상이 계속되면 연소를 위한 불꽃이 약해지면서 추진력을 상실하게 되고, 그 결과 추락으로 연관되게 되는 것이다.

이에 따라, 본 출원인은 상기의 문제를 해결하기 위하여, 근본적인 문제를 해소하려하기 보다는, 보완할 수 있는 방안을 모색하였고, 그 결과 연속 점화를 통해 추진력의 상실을 보완할 수 있는 본 발명을 착안하게 되었다.

한편, 본 발명을 비롯한 종래 로켓 기술분야에 있어서, 로켓의 구조를 살펴보면 [표 1]을 참조할 수 있다.

[표 1]은, 한국형 발사체인 나로호를 예로 든 것이며, 본 발명은 [표 1]의 로켓 구조 중에서, 연료 탱크 이하의 엔진 및 노즐의 구조를 제안하는 것이다.

따라서, 본 명세서에 기재되어 있지 않더라도 상단, 1단의 산화제 탱크 등의 구조는 당업자라면 충분히 본 발명과 결합시킬 수 있어야 하고, 뿐만 아니라 탱크, 엔진 및 노즐의 구성에 대하여서 본 명세서에 기재되어 있지 않은 구조가 있더라도, 이는 종래의 구조를 채용하고 있기 때문에 기재하지 않는 것일 뿐, 구성이 없는 것으로 착오가 있어서는 아니된다.

다른 한편, 종래 발사체를 발사시키기 위한 구조는, 등록특허공보 제10-0668804호의 로켓엔진용 점화기(선행기술 1), 공개특허공보 제10-2016-0055169호의 전기적으로 점화되게 스로틀링되는 초전성 추진제 로켓 엔진(선행기술 2), 공개특허공보 특2000-0048890호의 전자복사에 의한 점화(선행기술 3) 및 공개특허공보 제10-2016-0068810호의 조합된 터보제트 및 터보프롭 엔진(선행기술 4)가 기재되어 있다.

상기 기술들은, 본 발명과 엔진 점화라는 목적에서만 일부 동일할 뿐, 구체적으로는 기술분야만 같고 상이한 기술이다.

그러나 본 발명이 본 출원인에 의해 착안된 종래 없었던 기술이기 때문에, 유사한 관련 기술이 검색되지 않았으므로, 비교대상이 될 수 있는 기술은 상기의 선행기술들 정도인 것이다.

등록특허공보 제10-0668804호(2017.01.12. 공고) 공개특허공보 제10-2016-0055169호(2016.05.17.) 공개특허공보 특2000-0048890호(2000.07.25.) 공개특허공보 제10-2016-0068810호(2016.06.15.)

본 발명의 목적은, 위성 발사체 엔진에 보조엔진을 부가하여 스파크 방식으로 연속 점화가 가능하도록 하는 로켓의 일부 구조에 있어서, 구체적으로는 로켓의 연속 점화 구조를 제안하는데 있다.

즉, 종래 발사체 엔진에 대하여, 엔진 성능이 저하되어 추진력이 기대치를 충족하지 못해, 발사에 실패하던 이전의 기술을 보완함에 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 로켓의 연속 점화 구조는, 로켓의 탱크(10) 하부면에 구성되는 추진체 내부에 부 엔진을 부가하여 주 엔진에서 분출되는 액화가스를 기반으로 점화되는 영역에, 스파크를 이용하여 추가 점화시킴으로써, 연속 점화되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 탱크(10)의 하부면에 형성된 추진체 내부에는, 액화가스를 분출하여 점화시키는 주 엔진 분출구(20)와, 상기 주 엔진 분출구(20)를 통해 점화되는 분사각에 포함되는 않는 공간 중, 상기 탱크(10)의 하부면에 구비되어 분출되는 액화가스를, 발생되는 스파크를 통해 주 엔진 분출구(20)에 의해 점화된 점화영역 방향으로 추가 점화시키도록 구성되는 부 엔진 분출구(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 부 엔진 분출구(30)는 상기 주 엔진 분출구(20)를 기준으로 사방(四方)으로 복수 개가 일정간격으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

또한, 탱크(10)의 하부면에 형성된 추진체 내부에는, 복수 개의 부 엔진 분출구(30)로 전력을 공급하기 위한 전선 구성과 분전기를 포함하는 배터리(40)가 포함되되, 상기 부 엔진 분출구(30) 각각에는 스파크 발생을 위한 점화수단(32)이 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 부 엔진 분출구(30)는 지금이 2mm이고, 점화수단(32)의 스파크가 발생되는 전극은 부 엔진 분출구(30)의 단부로부터 5mm 이격된 영역이며, 상기 스파크가 발생되는 점화수단(32)의 전극 사이는 10mm가 되도록 함으로써, 부 엔진 분출구(30)로부터 점화되는 열에 의해 상기 전극이 파손되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 로켓의 연속 점화 구조에 의하면, 기존의 엔진들이 내포하고 있는 단점과 결합을 충분히 보완하여 기대하였던 추진력을 달성할 수 있도록 한다.

본 출원인의 의견으로는 정부에서 주요하게 해결해야 했던 과제를 해결할 수 있는 발판을 본 발명을 통해 마련할 수 있을 것으로 사료된다.

도 1은 본 발명에 따른 로켓의 연속 점화 구조의 측면도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 로켓의 연속 점화 구조의 저면도를 나타낸 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 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 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

본 발명은 위성 발사체 엔진에 보조엔진을 부가하여 스파크 방식으로 연속 점화가 가능하도록 하는 로켓의 일부 구조에 관한 것으로서, 구체적으로는 로켓의 연속 점화 구조를 제안하는 것이다.

즉, 종래 발사체 엔진에 대하여, 엔진 성능이 저하되어 추진력이 기대치를 충족하지 못해, 발사에 실패하던 이전의 기술을 보완하는 것이다.

이러한 본 발명을 첨부된 도면을 통해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 로켓의 연속 점화 구조의 측면도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 로켓의 연속 점화 구조의 저면도를 나타낸 것이다.

보완의 가장 중요한 포인트로서, 로켓의 엔진으로부터 액화가스가 분출되어 연소하는 영역이, 최초 연소를 시작한 위치에 유지되면 좋으나, 현실적으로 분사압 속도가 증가함에 따라서 상기 영역이 밀리게 되어 점화가 제대로 이루어지지 않고, 이는 로켓의 발사 도중 추락의 원인이 된다.

이에 따라, 본 발명에서는 점화를 연속적으로 수행함으로써, 연소되는 영역이 분사압의 속도 증가에 따라 최초 영역으로부터 멀어지더라도, 부 엔진을 구성하고, 부 엔진으로부터 연속적으로 점화가 되도록 함으로써, 멀어진 점화 영역에서 다시 점화될 수 있도록 하여, 결국 점화가 지속될 수 있도록 하는 것이다.

이를 위해, 본 발명에서는 로켓의 탱크(10) 하부면에 구성되는 추진체 내부에 부 엔진 등의 추가 구성을 구비하도록 한다.

이때, 추진체 내부의 공간은 일반적으로 열에 강한 함금이나 철 등의 재질로 이루어지기 때문에, 이러한 재질은 열을 축적하는 성질이 있고, 통상 1800℃ 이상의 온도에서 녹기 시작한다.

또한, 산소 절단기의 원리를 보면 알 수 있듯이, 산소가 없는 상태에서 순수 가스 불만으로는 절대로 철을 녹일 수 없다. 이때, 엔진을 통해 분사되어 점화된 불은 산소 공급이 없는 상태이다.

더군다나, 추진체 내부의 공간은 엔진으로부터 영하의 온도를 갖는 액화가스가 분출되기 때문에 온도가 높지 않아서 열량이 축적되지 않을 것이다.

따라서, 추진체 내부의 공간 중에서 분사각(통상 60~120°) 범위 외측의 공간은 사용이 가능한 것이다.

정리하면, 본 발명에서는 탱크(10)의 하부면에 구성된 추진체 내부에 종래의 발사체와 동일하게 주 엔진을 통해 액화가스를 분출하는 주 엔진 분출구(20)가 구성되고, 당연히 탱크(10)의 내부에는 액화가스가 수용된다.

이때, 탱크(10) 내부에 수용된 액화가스가 분출구를 통해 분출되는 구조와 원리는 종래 발사체의 구조를 채용하는 것이므로, 도면과 본 명세서에서 명확하지 않더라도, 당업자에 의해 충분히 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 추진체의 내부 공간 중, 주 엔진 분출구(20)를 중심으로 사방(四方)에는 일정 간격으로 부 엔진 분출구(30)가 구비될 수 있다.

또한, 추진체의 내부 공간 중 다른 일측에는, 배터리(40)가 구비될 수 있는데, 상기 배터리(40)는 분전기를 포함하여 복수 개의 부 엔진 분출구(30)로 전력을 공급할 수 있도록 한다.

전력 공급의 이유는 부 엔진 분출구(30)를 설명하면서 구체적으로 설명한다.

도 2를 참조하면,

부 엔진 분출구(30)는 탱크(10)와 연결되는 일측에 여과수단(31)를 포함하여 액화가스의 분출은 가능한 반면, 내부로 이물질이 유입되는 것을 방지하도록 한다.

특히, 상기 여과수단(31)은 점화에 따른 불씨가 탱크 내부로 유입되는 것을 방지하여 발사체가 폭파되는 것을 방지하는 역할을 하는데, 이때 여과수단(31)의 내부는 액화가스의 영향으로 얼음이 형성되게 되고, 이로 인해 엔진의 분출압이 저하되어 정상적인 점화에 영향을 미치게 되어 점화가 빨라지게 되어 불씨가 탱크 내부로 유입될 수도 있게 되는 것이다.

이를 방지하기 위하여, 부 엔진 분출구(30) 또는 주 엔진 분출구(20)의 액화가스가 분출되는 단부의 반대 단부, 즉, 탱크(10)에 연결되고 여과수단(31)이 형성된 단부가 탱크(10)의 가장 저면보다 소정의 높이만큼 더 높게 위치하도록 구성할 수 있다.

이때, 소정의 높이는 예를 들면 2cm일 수 있으며, 이로 인해 여과수단(31)에 얼음조각이 형성된다고 하더라도, 엔진 분출구(20, 30)로 액화가스가 분출되는 것을 방해하지 않을 수 있다. 다만, 소정의 높이가 탱크(10)의 저면보다 높게 위치된 단부 내측으로 액화가스의 영향에 따른 얼음이 형성되더라도, 여과수단(31)에 형성되는 얼음에 비해서는 소량일 뿐만 아니라, 소량의 얼음이 액화가스와 함께 바로 분출되어 내부에 잔여되는 일은 없을 것이므로, 기존의 문제를 발생시킬 우려는 없을 것으로 판단된다.

또한, 부 엔진 분출구(30)의 탱크(10) 하부면으로 연장된 어느 일측에는 점화수단(32)이 구성되는데, 이때, 배터리(40)는 분전기를 통해 전력을 공급하여 상기 점화수단(32)에서 스파크가 발생되도록 한다. 이때 스파크의 발생은 초당 2회씩 발생되도록 한다.

이로 인해, 부 엔진 분출구(30)에서 액화가스가 분출되면 스파크를 통해 점화가 가능할 수 있다.

이러한 부 엔진 분출구(30)는 지름이 2mm일 수 있고, 상기 점화수단(32)의 스파크가 발생되는 영역은 부 엔진 분출구(30)의 단부로부터 5mm 이격된 영역일 수 있다. 또한 스파크가 발생되도록 하는 각 전극 사이의 거리는 10mm이다.

이때, 전극 사이의 거리를 10mm로 하는 이유는, 통상의 전문지식을 기반으로 부 엔진 분출구(30)의 직경이 2mm이고, 이의 단부 앞 5mm에서 분사각 폭이 6mm가 되도록 액화가스가 분출된다고 가정하였을 때, 점화되는 열의 온도와 열 축적에 의해 스파크 전극들이 파손될 우려가 없기 때문이다.

이러한 부 엔진 분출구(30)의 방향은 주 엔진 분출구(20)를 통해 분사되는 분사각 범위 내를 향하도록 하여, 부 엔진 분출구(30)를 통해 분출된 액화가스로 인해 점화된 불길이 주 엔진 분출구(20)를 통해 분사되는 분사각 범위 내에 포함되도록 하여야 한다. 그래야지만, 주 엔진 분출구(20)의 점화가 시작되는 영역이 분사압 속도에 의해 밀리더라도, 점화가 지속될 수 있도록 할 수 있다.

다른 한편, 다른 설계 조건에 따라서, 부 엔진 분출구(30)의 액화가스가 분출되는 단부는, 점화수단(32) 방향으로 액화가스가 집중될 수 있도록 집중유로가 형성될 수 있다.

상기 집중유로는, 부 엔진 분출구(30)의 단부가 '∇'의 형태가 되도록 형성되어, 액화가스가 점화수단(32)의 스파크가 발생되는 영역으로 집중 분출되도록 한다. 이로 인해, 부 엔진 분출구(30)를 통해 점화되는 불길의 세기와 길이가 더 증가되어 연속 점화를 도울 수 있게 된다.

이때, 상술된 집중유로는, 부 엔진 분출구(30)의 단부가 '＼／'의 형태로서, 구체적으로는 집중되는 방향이 추진체의 중심방향이 되도록 구성될 수 있다.

이에 따라, 점화수단(32)의 스파크가 발생되는 영역 역시, 집중유로에 의해 분출되는 액화가스가 집중되는 영역과 일치하도록 할 수 있다.

이러한 집중유로의 구성에 의하면, 주 엔진 분출구(20)에 의해 점화되는 분사각이 추진체로부터 멀어질수록 점점 넓어지는 것이 일반적이므로, 상기 집중유로의 구조를 변경 설계하여 액화가스가 추진체의 중심 측으로 집중되도록, 액화가스의 분출영역을 부 엔진 분출구(30)의 중심을 기준으로 상기 추진체의 중심 측으로 편심시킨다면, 더 신속한 연속 점화가 가능해지는 효과를 갖을 수 있게 된다.

상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 발명의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 발명이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

10 : 탱크
20 : 주 엔진 분출구
30 : 부 엔진 분출구
31 : 여과수단
32 : 점화수단
40 : 배터리

Claims (5)

1. 로켓의 탱크(10) 하부면에 구성되는 추진체 내부에 부 엔진을 부가하여 주 엔진에서 분출되는 액화가스를 기반으로 점화되는 영역에, 스파크를 이용하여 추가 점화시키는 발사체 구조를 갖는 로켓에 있어서,
   상기 탱크(10)의 하부면에 형성된 추진체 내부에는,
   액화가스를 분출하여 점화시키는 주 엔진 분출구(20)와,
   상기 주 엔진 분출구(20)를 통해 점화되는 분사각에 포함되지 않는 공간 중, 상기 탱크(10)의 하부면에 구비되어 분출되는 액화가스를, 발생되는 스파크를 통해 주 엔진 분출구(20)에 의해 점화된 점화영역 방향으로 추가 점화시키되, 상기 주 엔진 분출구(20)를 기준으로 사방(四方)으로 복수 개가 일정간격으로 배열되는 부 엔진 분출구(30)와,
   복수 개의 부 엔진 분출구(30)로 전력을 공급하기 위한 전선 구성과 분전기를 포함하는 배터리(40)가 포함되되,
   상기 부 엔진 분출구(30) 각각에는 스파크 발생을 위한 점화수단(32)이 구성되고,
   상기 부 엔진 분출구(30)는,
   - 지름이 2mm이고, 점화수단(32)의 스파크가 발생되는 전극은 부 엔진 분출구(30)의 단부로부터 5mm 이격된 영역이며, 상기 스파크가 발생되는 점화수단(32)의 전극 사이는 10mm가 되도록 함으로써, 부 엔진 분출구(30)로부터 점화되는 열에 의해 상기 전극이 파손되지 않도록 하며,
   - 부 엔진 분출구(30)의 액화가스가 분출되는 단부는, 점화수단(32) 방향으로 액화가스가 집중되되, 부 엔진 분출구(30)에서 분사되는 액화가스의 분출영역을 추진체의 중심 측으로 편심시키는 것을 특징으로 하는, 로켓의 연속 점화 구조.
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