KR101845544B1

KR101845544B1 - 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터

Info

Publication number: KR101845544B1
Application number: KR1020160107623A
Authority: KR
Inventors: 구자예; 김도헌; 손민; 이건웅
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2016-08-24
Filing date: 2016-08-24
Publication date: 2018-04-04
Also published as: KR20180022328A

Abstract

연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터가 개시되며, 본 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터는 내부를 따라 제1 유로가 형성되고 상기 상하 방향으로 이동 가능한 핀틀 로드 및 둘레를 따라 상기 제1 유로와 연결되는 제1 분사 출구가 형성되는 핀틀 팁을 포함하는 핀틀부; 상기 제1 유로에 산화제를 공급하도록 상기 제1 유로의 상단을 둘러싸는 산화제 공급부; 및 상기 핀틀 로드의 외주면을 따라 제2 유로가 형성되고 상기 핀틀 팁과의 사이에 제2 분사 출구가 형성되도록 상기 핀틀부를 간격을 두고 둘러싸는 연료 공급부를 포함하되, 상기 핀틀 로드는 그 외주로부터 외측으로 연장되는 격벽을 포함하고, 상기 연료 공급부는, 상기 제2 유로로 연료를 공급하도록 상기 격벽의 상측에 형성되는 연료 공급 챔버 및 상기 격벽의 하측에 형성되는 압력 보상 챔버를 포함한다.

Description

연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터{PINTLE INJECTOR FOR CONTROLLING OPENING DISTANCE WITH FUEL SUPPLY PRESSURE}

본원은 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터에 관한 것이다.

기존의 전단동축 인젝터 등을 이용한 액체로켓을 대체할 만한 기술로서, 최근에 핀틀 인젝터를 이용한 액체 로켓 엔진 기술이 미국 등 세계적으로 연구되고 있으며, 실제 액체 로켓 엔진에 적용한 사례도 늘어나고 있다.

그런데, 항공 우주 및 국방 분야에 사용되는 액체 로켓 엔진에서는, 사용되는 두 추진제간의 속도 비가 액체로켓의 전체 성능에 큰 영향을 끼치므로, 액체 연료와 초저온 산화제를 사용하는 액체 로켓 엔진에 있어서 두 추진제의 공급 압력이 변해도 복잡한 구동부 없이 일정한 분사 속도 비를 유지할 수 있는 핀틀 인젝터에 대한 요구가 있어 왔다.

본원의 배경이 되는 기술은 대한민국 등록특허공보 제 10-1615291호에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 간명한 구조를 가지고 산화제와 연료간의 분사 속도 비를 일정하게 유지할 수 있는 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제1 측면에 따른 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터는, 내부를 따라 제1 유로가 형성되고 상기 상하 방향으로 이동 가능한 핀틀 로드 및 둘레를 따라 상기 제1 유로와 연결되는 제1 분사 출구가 형성되는 핀틀 팁을 포함하는 핀틀부; 상기 제1 유로에 산화제를 공급하도록 상기 제1 유로의 상단을 둘러싸는 산화제 공급부; 및 상기 핀틀 로드의 외주면을 따라 제2 유로가 형성되고 상기 핀틀 팁과의 사이에 제2 분사 출구가 형성되도록 상기 핀틀부를 간격을 두고 둘러싸는 연료 공급부를 포함하되, 상기 핀틀 로드는 그 외주로부터 외측으로 연장되는 격벽을 포함하고, 상기 연료 공급부는, 상기 제2 유로로 연료를 공급하도록 상기 격벽의 상측에 형성되는 연료 공급 챔버 및 상기 격벽의 하측에 형성되는 압력 보상 챔버를 포함할 수 있다.

본원의 제2 측면에 따른 엔진은, 본원의 제1 측면에 따른 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터를 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, 격벽의 상측에 연료 공급 챔버가 형성되고 격벽의 하측에 압력 보상 챔버가 형성되어, 압력 보상 챔버의 가압 압력과 액체 연료 공급 압력간의 압력 평형으로 핀틀부가 이동하기 때문에 복잡한 구동부 없이 연료 공급 압력 변화에 대해 연료와 산화제 간의 분사 속도 비가 일정하게 유지되는 핀틀 인젝터가 구현될 수 있다.

도 1은 핀틀부가 하측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 핀틀 인젝터의 단면도이다.
도 2는 핀틀부가 상측으로 이동된 상태인 본원의 일 실시예에 따른 핀틀 인젝터의 단면도이다.
도 3은 도 1의 B의 확대도이다.
도 4는 도 1의 C의 확대도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 다른 핀틀 인젝터에 있어서, 연료 공급 챔버로의 연료 공급 압력이 증가할 때의 각 추진제(산화제 및 연료)의 공급 압력 변화 및 압력 보상 챔버 내의 압력 변화에 따른 제2 분사 출구(핀틀의 개도)를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 A의 확대도이다.

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.

또한, 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상측, 상단, 하측 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설정한 것이다. 예를 들면, 도 1에서 보았을 때 전반적으로 12시 방향이 상측, 전반적으로 12시 방향을 향하는 단부가 상단, 전반적으로 6시 방향이 하측 등이 될 수 있다. 다만, 본원의 일 실시예에 따른 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터의 실제적인 적용에 있어서, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터는 그 필요에 따라 도면에 도시된 상태 이외에도 다양하게 배치될 수 있을 것이다.

본원은 액체 연료와 초저온 산화제를 사용하는 액체 로켓 엔진에서 두 추진제의 공급 압력이 변해도 복잡한 구동부 없이 일정한 분사 속도 비를 유지할 수 있는 압력 보상식으로 작동하는 핀틀 인젝터와 그 분사기의 동작 메커니즘을 기술하고자 한다. 즉, 본원은 액체 연료 로켓에서의 두 추진제간 분사 속도 비를 일정하게 유지시킬 수 있는 새로운 형태의 인젝터를 제안하고자 한다.

이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터(이하 '본 핀틀 인젝터'라 함)에 대하여 설명한다.

도 1은 핀틀부가 하측으로 이동된 상태인 본 핀틀 인젝터의 단면도이고, 도 2는 핀틀부가 상측으로 이동된 상태인 본 핀틀 인젝터의 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 핀틀부(1)를 포함한다. 핀틀부(1)는 핀틀 로드(11)를 포함한다. 핀틀 로드(11)는 내부를 따라 형성되는 제1 유로(111)를 갖는다.

또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 산화제 공급부(1)를 포함한다. 자세히 후술하겠지만, 산화제 공급부(1)는 액체 상태의 산화제를 공급할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 산화제 공급부(1)는 제1 유로(111)에 산화제를 공급하도록 제1 유로(111)의 상단을 둘러싼다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 산화제 공급부(2)는 산화제 공급 라인(29) 및 실링부(27)를 포함할 수 있다. 실링부(27)는 초저온인 산화제(초저온 산화제에 대해서는 후술함)를 실링하기 위해 초저온용으로 설계될 수 있다. 또한, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 산화제 공급부(2)의 핀틀 로드(11)의 상단에 대향하는 면과 핀틀 로드(11)의 상단 사이에는 산화제 공급부(2)로부터 제1 유로(111)로 산화제가 유입되는 제1 오리피스(21)가 형성될 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 핀틀부(1)는 핀틀 팁(12)을 포함한다. 핀틀 팁(12)은 제1 유로(111)와 연결되는 제1 분사 출구(121)를 갖는다. 또한, 도 1을 참조하면, 핀틀 팁(12)은 제1 유로(111)와 제1 분사 출구(121)를 연결하는 팁 유로(122)를 포함할 수 있다. 또한, 액체 상태의 산화제는 핀틀 팁(12) 부분에서 연소열을 전달받아 기화될 수 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 산화제 공급부(1)로부터 공급된 액체 상태의 산화제는 제1 오리피스(21)를 거쳐 제1 유로(111) 및 팁 유로(122)를 지나 핀틀 팁(12)의 열을 빼앗아 기화하여 기체 상태로 제1 분사 출구(121)를 통해 연소 환경으로 분사될 수 있다.

참고로, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 핀틀 로드(11)의 상단부는 상단을 향할수록 외경이 줄어드는 제1 테이퍼부(113)를 가질 수 있다. 다시 말해, 핀틀 로드(11)의 상단부의 둘레면에는 상단이 제1 오리피스(21)를 향하는 테이퍼드(tapered) 된 경사면(제1 테이퍼부(113))이 형성될 수 있다.

이러한 테이퍼부(113)는, 산화제 공급부(2) 내의 산화제가 제1 유로(111)로 용이하게 진입하도록 가이드 해줄 수 있다. 또한, 테이퍼부(113)는 제1 유로(111)가 최대한 긴 경로에 걸쳐 일정한 단면적을 가지고 연장되도록 할 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 핀틀 인젝터는 연료 공급부(3)를 포함한다. 자세히 후술하겠지만, 연료 공급부(3)는 액체 상태의 연료를 공급할 수 있다. 또한, 연료 공급부(3)는 산화제 공급부(2)와 플랜지(23)에 의해 연결될 수 있다. 또한, 연료 공급부(3)는 본체부(37), 인젝터 하부 구조물(371), 연료 공급 라인(39), 운동용 실링부(7), 구조물간의 실링부(372)를 포함할 수 있다. 운동용 실링부(7) 및 구조물간의 실링부(372)는 초저온용으로 설계될 수 있다. 특히, 제1 유로(111)를 흐르는 초저온 산화제로 인해 핀틀부(1)의 온도가 급격히 하강할 위험이 있으므로, 운동용 실링부(7)는 초저온 환경을 견딜 수 있는 실링이 이루어지도록 고려됨이 바람직하다. 또한, 본체부(37)와 인젝터 하부 구조물(371)은 플랜지(373)에 의해 상호 연결될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 연료 공급부(3)는 핀틀 로드(11)의 외주면을 따라 제2 유로(31)가 형성되고 판틀 팁(12)과의 사이에 제2 분사 출구(32)(개도)가 형성되도록 핀틀부(1)를 간격을 두고 둘러싼다.

또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 핀틀 로드(11)는 그 외주로부터 외측으로 연장되는 격벽(13)을 포함한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 연료 공급부(3)는 제2 유로(31)로 연료를 공급하도록 격벽(13)의 상측에 형성되는 연료공급 챔버(35)를 포함한다.

또한, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 격벽(13)의 상면에는 핀틀 로드(11)를 간격을 두고 둘러싸는 미리 설정된 높이의 돌출부(131)가 형성될 수 있다. 이 때, 연료 공급 챔버(3)의 돌출부(131)와 대향하는 면과 돌출부(131)의 상단 사이에는 제2 오리피스(36)가 형성될 수 있다.

또한, 격벽(13)은 핀틀 로드(11)와 돌출부(131) 사이에 제2 유로(31)를 연통시키는 연결 홀(133)을 포함할 수 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 격벽(13)은 핀틀 로드(11)의 외주로부터 제2 유로(31) 구간을 가로질러 외측으로 연장 구비될 수 있다. 연결 홀(133)은 이러한 격벽(13)에 대하여 핀틀 로드(11)를 둘러싸는 링 형태로 형성될 수 있다.

도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 연료 공급부(3)로 공급된 연료는 제2 오리피스(36)를 거쳐 제2 유로(31)를 거쳐 연소 환경으로 분사될 수 있다.

참고로, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 돌출부(131)의 상단부는 상단을 향할수록 외경이 줄어드는 제2 테이퍼부(1311)를 가질 수 있다. 다시 말해, 돌출부(131)의 상단부의 둘레면에는 상단이 제2 오리피스(36)를 향하는 테이퍼드(tapered) 된 경사면(제2 테이퍼부(1311))이 형성될 수 있다. 이러한 제2 테이퍼부(1311)는, 연료 공급 챔버(35) 내의 연료가 제2 유로(31)로 용이하게 진입하도록 가이드 해줄 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2를 참조하면, 연료 공급부(3)는 격벽(13)의 하측에 형성되는 압력 보상 챔버(33)를 포함한다. 압력 보상 챔버(33)는 기체로 충진될 수 있다.

도 1 및 도 2를 비교하여 보면, 격벽(13)은 압력 보상 챔버(33)와 연료 공급 챔버(35)의 상대적인 압력 차이가 발생하는 경우 압력 평형을 이루는 방향으로 상하 이동될 수 있다.

도 3은 도 1의 B의 확대도이고, 도 4는 도 1의 A의 확대도이다.

구체적으로, 압력 보상 챔버(33)는, 그 내부의 압력과 연료 공급 챔버(35) 내의 연료량에 의해 작용 받는 압력의 평형을 위해 그 체적이 증가 또는 감소할 수 있다. 또한, 도 3에 나타난 바와 같이, 격벽(13)은 압력 보상 챔버(33)의 체적 감소 시 하향 이동될 수 있다. 또한, 도 4에 나타난 바와 같이, 압력 보상 챔버(33)의 체적 증가 시 상향 이동될 수 있다. 또한, 도 3 및 도 4를 비교하여 보면, 이러한 압력 보상 챔버(33)의 체적 증감에 따른 격벽(13)의 이동에 의해, 핀틀 로드(11)는 상하 방향으로 이동될 수 있다.

즉, 압력 보상 챔버(33)에 충진된 기체의 충진 압력과 연료 공급 압력은 평형을 이루어야 하므로, 압력 보상 챔버(33)의 기체의 충진 압력이 연료 공급 압력과 같아지도록, 핀틀부(1)가 상하로 이동하게 된다.

또한, 제1 오리피스(21) 및 제2 분사 출구(32)는 격벽(13)의 이동과 연동하는 핀틀부(1)의 이동에 대응하여 그 면적이 변화될 수 있다. 또한, 제2 오리피스(36)는 핀틀부(1)의 상측 또는 하측 방향으로의 이동에 따라 그 단면적이 감소 또는 증감될 수 있다.

구체적으로, 도 1에 나타난 바와 같이, 압력 보상 챔버(33)의 체적이 증가되어 격벽(13)이 상향 이동되는 경우, 핀틀 로드(11)는 상향 이동될 수 있고, 이에 따라, 제1 오리피스(21) 및 제2 분사 출구(32)는 그 면적이 줄어들 수 있다.

또한, 도 2에 나타난 바와 같이, 압력 보상 챔버(33)의 체적이 감소되어 격벽(13)이 하향 이동되는 경우, 핀틀 로드(11)는 하향 이동될 수 있고, 이에 따라, 제1 오리피스(21) 및 제2 분사 출구(32)는 그 면적이 증가될 수 있다.

즉, 핀틀부(1)는 연료 공급 챔버(3)로의 연료 공급 압력이 감소하면, 압력 보상 챔버(33)의 체적 증가에 따라 상향 이동되어, 제1 오리피스(21) 및 제2 분사 출구(32)의 단면적을 감소시킬 수 있다.

구체적으로, 도 2를 참조하여 설명한다. 연료 공급 챔버(3)로의 연료 공급 압력이 감소하면, 핀틀부(1)는 압력 보상 챔버(33) 내의 압력이 연료 공급 압력과 같아질 때까지 위로 이동한다. 이에 따라, 제2 분사 출구(32)는 줄어들게 된다. 연료의 질량 유량을

, 분사 속도를

, 밀도를

, 제2 분사 출구(32)에 따른 분사 면적을

라고 하면, 분사 속도

인 관계가 성립한다. 액체 상태인 연료의 밀도는 비압축성이기 때문에 거의 일정하므로, 액체 연료의 속도는 질량 유량과 제2 분사 출구(32)의 면적에 의해 결정된다. 따라서, 연료 공급 압력이 낮아져 질량 유량이 줄어들더라도 자동적으로 핀틀부(1)의 상승으로 인해 제2 분사 출구(32)의 면적이 줄어들어 액체 연료의 속도 감소가 상쇄될 수 있다.

또한, 연료 공급 압력이 감소하면(연료 유량이 낮아지면), 핀틀부(1)가 위로 올라오게 되며, 이로 인해, 제1 오리피스(21)의 면적이 줄어들어 마찬가지로 산화제 질량 유량이 줄어들게 될 수 있다. 이와 같이, 산화제 공급 압력이 일정하더라도, 연료와 산화제의 유량의 증감은 서로 연결(Coupling)되어 있으며, 연료와 산화제 유량이 둘 다 감소할 경우, 연소 환경의 연소 압력도 필연적으로 감소하게 될 수 있다.

이를 바탕으로, 연료 공급 압력이 감소할 때의 산화제의 분사 속도에 대해 설명하겠다. 산화제가 모두 기체 상태로 분사된다고 하면, 분사 속도

이고, 분사되는 기체를 이상 기체라고 가정하면, 산화제의 분사 속도

는 질량 유량에 비례하고 연소 환경의 압력에 반비례 한다. 이에 따라, 상술한 바와 같이, 핀틀부(1)의 상향 이동에 의해, 연료와 산화제의 유량이 감소하여 연소 환경의 연소 압력이 감소되었다는 점을 고려하면, 핀틀부(1)의 상향 이동에 의해, 제1 오리피스(21)가 감소하여 질량 유량이 감소하더라도, 연소 환경으로 분사되는 산화제의 속도 감소 또한 상쇄된다.

도 5는 연료 공급 챔버로의 연료 공급 압력이 증가할 때의 각 추진제(산화제 및 연료)의 공급 압력 변화 및 압력 보상 챔버 내의 압력 변화에 따른 핀틀의 개도(제2 분사 출구(32)의 개도)를 나타낸 그래프이다.

도 5을 참조하면, 연료 공급 챔버(3)로의 연료 공급 압력이 증가하는 경우, 연료 공급 압력이 압력 보상 챔버(33) 내의 압력보다 높아지면, 핀틀부(1)가 아래로 이동하며 제2 분사 출구(32)(개도)가 늘어나게 된다. 그러면, 압력 보상 챔버(33)는 압축되면서 자연스럽게 압력 보상 챔버(33)의 압력도 올라가게 되며, 연료 공급 압력과 압력 보상 챔버(33)의 압력은 같아질 것이다.

이와 같이, 연료 공급 챔버(3)로의 연료 공급 압력이 증가하면, 핀틀부(1)는, 압력 보상 챔버(33)의 체적 감소에 따라 하향 이동되어, 제1 오리피스(21) 및 제2 분사 출구(32)의 단면적을 증가시킬 수 있다.

상술한 바와 같이, 액체 연료의 속도는 질량 유량과 제2 분사 출구(32)의 면적에 의해 결정된다. 따라서, 연료 공급 압력이 증가되어 질량 유량이 증가되더라도 자동적으로 핀틀부(1)의 하강으로 인해 제2 분사 출구(32)의 면적이 증가되므로 액체 연료의 속도 증가가 상쇄될 수 있다. 이에 따라, 연료 공급 압력이 증가됨에도 연료 분사 속도가 유지될 수 있다.

또한, 연료 공급 압력이 증가하여, 핀틀부(1)가 하강 이동하면, 제1 오리피스(21)의 면적이 증가되어 마찬가지로 산화제 질량 유량이 증가 될 수 있다. 이와 같이, 연료와 산화제 유량이 둘 다 증가할 경우, 연소 환경의 연소 압력은 필연적으로 증가하게 되고, 상술한 바와 같이, 분사 속도

에서, 산화제의 분사 속도가 질량 유량에 비례하고 연소 환경의 압력에 반비례 한다는 점을 고려하면, 제1 오리피스(21)가 증가하여 질량 유량이 증가하더라도, 연소 환경으로 분사되는 산화제의 속도 증가 또한 상쇄될 수 있다.

이와 같이, 제1 오리피스(21) 및 제2 분사 출구(32)는, 연료 공급 챔버(3)로의 연료 공급 압력에 대응하여 핀틀부(1)가 상하 방향 이동되더라도, 제1 분사 출구(121)에서의 산화제 분사 속도와 제2 분사 출구(32)에서의 연료 분사 속도의 속도 비가 일정하게 유지되도록 형성될 수 있다.

또한, 본 핀틀 인젝터는, 압력 보상 챔버(33)를 포함함으로써, 급격한 추진제(산화제 및 연료)의 유량 변화에 따른 연소 불안정이 발생하여 핀틀부(1)에 작용하는 힘이 급격히 변하더라도 압력 보상 챔버(33) 내 기체가 댐퍼 역할을 하게 할 수 있다. 이를 통해, 본 핀틀 인젝터는 구조적으로 신뢰성을 확보할 수 있다.

즉, 본 핀틀 인젝터는, 압력 보상식 핀틀 인젝터로서, 액체 연료의 공급 압력 변화에 따른 핀틀부(1)의 단순 상하 이동을 통해 액체 연료의 오리피스(제2 오리피스(36)) 및 초저온 산화제의 오리피스(제1 오리피스(21))의 면적을 제어하고 이를 통해 연료 및 산화제간의 분사 속도 비를 일정하게 제어할 수 있는 구조를 제공한다. 이러한 본 핀틀 인젝터는, 복잡한 구동부가 필요 없어 단순한 구조를 가지면서도, 두 추진제(연료 및 산화제)의 유량 및 속도 비 제어에 유리한 기술 구성을 가질 수 있다.

또한, 본 핀틀 인젝터가 구현되기 위해서, 산화제 공급부(2)로의 산화제 공급 압력은 압력 보상 챔버(33) 내의 압력 및 연료 공급 챔버(35)로의 연료 공급 압력보다 낮게 설정되어야 한다는 제약 조건이 있는데, 이는, 산화제 공급 압력이 너무 높으면 핀틀부(1)가 연료 공급 압력에 따라 이동하지 않기 때문이다. 따라서, 산화제 공급부(2)로의 산화제 공급 압력은, 압력 보상 챔버(33)와 연료 공급 챔버(35)의 상대적인 압력 차이 발생 시 격벽(13)이 상하 이동 가능하도록, 압력 보상 챔버(33) 내의 압력 및 연료 공급 챔버(35)로의 연료 공급 압력보다 낮게 설정될 수 있다.

또한, 도 1 내지 도 4에 나타난 바와 같이, 돌출부(131) 및 제2 오리피스(36)는 연료 공급 챔버(35)와 제2 유로(31) 사이에 형성될 수 있다. 이에 따라, 연료 공급 챔버(35)의 영역이 돌출부(131)에 의해 보다 명확하게 구획될 수 있고, 이를 통해, 압력 보상 챔버(33)와 연료 공급 챔버(35) 간의 압력 평형 작용이 보다 분명하게 형성될 수 있다.

또한, 산화제는 초저온 산화제일 수 있다. 본 핀틀 인젝터는 액체 로켓 엔진에서 주로 사용되는 초저온 추진제의 적용이 용이하다. 다시 말해, 본 핀틀 인젝터는 초저온 유체를 사용하는 실제 액체 로켓 엔진에 적용 가능하다.

또한, 초저온 산화제는, 핀틀 팁(12)의 열을 빼앗음으로써, 핀틀 팁(12)이 연소실(연소 환경)에서의 연소 반응에 의한 고온을 견디게 할 수 있도록, 상술한 바와 같이 액체 상태로 제1 오리피스(21)를 거쳐 제1 유로(111)를 지나 핀틀 팁(12) 부근에서부터 증발하여 기체 상태로 연소환경(연소실)으로 분사될 수 있다. 즉, 본 핀틀 인젝터에 있어서, 산화제를 핀틀 팁(12)에서 기화시키는 이유는, 증발 냉각을 통해 연소열로 인한 핀틀 팁의 손상 및 변형을 방지하고, 상술한 바와 같이, 연소 환경으로 분사되는 산화제의 분사 속도를 일정하게 유지하기 위함이다.

이에 따라, 핀틀 팁(12)의 냉각을 위해 별도로 유로를 만들어 추진제를 흘려 줄 필요 없이, 본 핀틀 인젝터는, 초저온 산화제의 기화를 상정하여 산화제 유로를 하나로 합하여 단순화한 구조를 구현하였다.

또한, 본 핀틀 인젝터는, 연료가 액체 상태로 제2 오리피스(36)를 통과하게 설계하였다. 그 이유는, 산화제가 통과하는 제1 오리피스(21) 및 연료가 통과하는 제2 오리피스(36)의 넓이(면적) 변화가 상술한 바와 같이 핀틀부(1)의 이동에 따라 선형적으로 변하는데, 두 물질(산화제와 연료)의 상이 다를 경우, 일정 비율로 서로의 유량을 조절하기 곤란하기 때문이다.

따라서, 상술한 바와 같이, 산화제가 핀틀 팁(12)의 열을 빼앗기 위해 액체 상태로 제1 오리피스(21)를 거치므로, 연료는 액체 상태로 제2 오리피스(36)를 통과하게 설계되었다.

한편, 압력 보상 챔버(33)는 연소 반응 등의 위험이 존재하지 않도록, 비활성 기체로 충진됨이 바람직하다. 특히, 비활성 기체 중, 상술한 바와 같이, 초저온 산화제가 흐를 때, 초저온 산화제에 의한 온도 하강 상태에서 액화되지 않는 기체가 압력 보상 챔버(33) 내에 충진됨이 바람직하다. 예시적으로, 비활성 기체로 헬륨이 충진됨이 바람직하다.

도 6은 도 1의 A의 확대도이다.

상술한 바와 같이, 산화제는 핀틀 팁(12) 부근에서 연소 환경(연소실)의 열을 이용해 핀틀 팁(12)에서 기체 상태로 기화되어 연소 환경으로 분사될 수 있다. 이 때, 산화제는 모두 기체 상태로 기화될 수 있다. 그 이유는, 제1 분사 출구(121)에서 분사되기 전까지 산화제가 모두 기화되어야 분사 속도의 일정함을 보장할 수 있기 때문이다.

따라서, 팁 유로(122)에서는 열 전달의 가속화를 위하여 내부의 조도를 증가시키는 shot peening 기법이 활용될 수 있다.

또는, 도 6에 나타난 바와 같이, 핀틀 팁(12)은 산화제와 팁 유로(122)의 내주면의 접촉면적을 증가시키도록 구비되는 복수 개의 핀(Fin)형 구조물(123)을 포함할 수 있다. 핀형 구조물(123)에 의해 핀틀 팁(12)의 열이 산화제로 전달되는 열 전달율이 증가되어 제1 분사 출구(121)로 분사되는 산화제의 기화율이 향상될 수 있다.

본 핀틀 인젝터에 따르면, 액체 추진제(액체 연료)의 공급 압력에 따라 핀틀부(1)는 연료 공급 챔버(39)내의 압력과 압력 충진 챔버(33)에 충진된 비활성화 기체와의 압력 균형에 의해 상하 이동하게 되어 액체 추진제의 분사 속도를 소정의 범위 내에서 유지할 수 있다. 산화제 공급부(2) 또한 핀틀부(1)의 상하 이동에 따라 제1 오리피스(21)의 면적이 변하여 질량 유량이 조절되며, 이에 따른 질량 유량의 변화는 연소실 압력의 변화를 발생시켜, 기체 추진제의 분사 속도 또한 소정의 범위 내에서 일정하게 유지될 수 있다. 이러한 메커니즘을 통해 본 핀틀 인젝터는 추진제 질량 유량의 변화에 따른 연소실 압력 변화에도 분사 속도 비를 유지할 수 있다.

이러한 쓰로틀링 과정에는 압력 보상 챔버(33)내의 압력과 연료 공급 압력간의 압력 평형이 이용되기 때문에, 복잡한 구동부가 필요하지 않으며, 압력 보상 챔버(33)에 충진된 기체(헬륨)가 댐퍼 역할을 하기 때문에, 갑작스런 연소 불안정으로 핀틀부(1)의 개도가 급격히 변하는 것이 방지될 수 있다.

또한, 산화제가 핀틀 팁(12)에서 열을 빼앗아 기화하여 기체 상태로 분사되기 때문에, 고온 고압으로 인한 손상 우려가 있는 핀틀 팁(12)에 대한 증발 냉각 효과로 구조적 신뢰성을 보완할 수 있다.

또한, 본원은 상술한 본 핀틀 인젝터를 포함하는 엔진을 제공할 수 있다. 예시적으로, 본원의 엔진은 로켓 엔진일 수 있으며, 이는 본원이 속하는 분야의 통상의 기술자에게 자명한 구성이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.

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: 핀틀부
11: 핀틀 로드
111: 제1 유로
113: 제1 테이퍼부
12: 핀틀 팁
121: 제1 분사 출구
122: 팁 유로
123: 핀형 구조물
13: 격벽
131: 돌출부
1311: 제2 테이퍼부
133: 연결 홀
2: 산화제 공급부
21: 제1 오리피스
23: 플랜지
27: 실링부
29: 산화제 공급 라인
3: 연료 공급부
31: 제2 유로
32: 제2 분사 출구
33: 압력 보상 챔버
35: 연료 공급 챔버
36: 제2 오리피스
37: 본체부
371: 인젝터 하부 구조물
372: 구조물간의 실링부
372: 플랜지
39: 연료 공급 라인
7: 운동용 실링부

Claims

핀틀 인젝터에 있어서,
내부를 따라 제1 유로가 형성되고 상하 방향으로 이동 가능한 핀틀 로드 및 둘레를 따라 상기 제1 유로와 연결되는 제1 분사 출구가 형성되는 핀틀 팁을 포함하는 핀틀부;
상기 제1 유로에 산화제를 공급하도록 상기 제1 유로의 상단을 둘러싸는 산화제 공급부; 및
상기 핀틀 로드의 외주면을 따라 제2 유로가 형성되고 상기 핀틀 팁과의 사이에 제2 분사 출구가 형성되도록 상기 핀틀부를 간격을 두고 둘러싸는 연료 공급부를 포함하되,
상기 핀틀 로드는 그 외주로부터 외측으로 연장되는 격벽을 포함하고,
상기 연료 공급부는, 상기 제2 유로로 연료를 공급하도록 상기 격벽의 상측에 형성되는 연료 공급 챔버 및 상기 격벽의 하측에 형성되는 압력 보상 챔버를 포함하며,
상기 산화제 공급부는 액체 상태의 산화제를 공급하고,
상기 연료 공급부는 액체 상태의 연료를 공급하며,
상기 액체 상태의 산화제는 상기 핀틀 팁 부분에서 연소열을 전달받아 기화되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 격벽은, 상기 압력 보상 챔버와 상기 연료 공급 챔버의 상대적인 압력 차이가 발생하는 경우 압력 평형을 이루는 방향으로 상하 이동되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제2항에 있어서,
상기 압력 보상 챔버는, 그 내부의 압력과 상기 연료 공급 챔버 내의 연료량에 의해 작용받는 압력의 평형을 위해 그 체적이 증가 또는 감소하는 것이고,
상기 격벽은, 상기 압력 보상 챔버의 체적 증가 시 상향 이동되고, 상기 압력 보상 챔버의 체적 감소 시 하향 이동되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제2항에 있어서,
상기 산화제 공급부의 상기 핀틀 로드의 상단에 대향하는 면과 상기 핀틀 로드의 상단 사이에는 상기 산화제 공급부로부터 상기 제1 유로로 산화제가 유입되는 제1 오리피스가 형성되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제4항에 있어서,
상기 제1 오리피스 및 상기 제2 분사 출구는, 상기 격벽의 이동과 연동하는 핀틀부의 이동에 대응하여 그 면적이 변화되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제5항에 있어서,
상기 핀틀부는,
상기 연료 공급 챔버로의 연료 공급 압력이 증가하면, 상기 압력 보상 챔버의 체적 감소에 따라 하향 이동되어, 상기 제1 오리피스 및 상기 제2 분사 출구의 단면적을 증가시키고,
상기 연료 공급 챔버로의 연료 공급 압력이 감소하면, 상기 압력 보상 챔버의 체적 증가에 따라 상향 이동되어, 상기 제1 오리피스 및 상기 제2 분사 출구의 단면적을 감소시키는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제5항에 있어서,
상기 제1 오리피스 및 상기 제2 분사 출구는, 상기 연료 공급 챔버로의 연료 공급 압력에 대응하여 상기 핀틀부가 상하 방향 이동되더라도, 상기 제1 분사 출구에서의 산화제 분사 속도와 상기 제2 분사 출구에서의 연료 분사 속도의 속도 비가 일정하게 유지되도록 형성되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 격벽의 상면에는 상기 핀틀 로드를 간격을 두고 둘러싸는 미리 설정된 높이의 돌출부가 형성되고,
상기 연료 공급 챔버의 상기 돌출부와 대향하는 면과 상기 돌출부의 상단 사이에는 제2 오리피스가 형성되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제8항에 있어서,
상기 돌출부 및 상기 제2 오리피스는 상기 연료 공급 챔버와 상기 제2 유로 사이에 형성되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제8항에 있어서,
상기 제2 오리피스는 상기 핀틀부의 상측 또는 하측 방향으로의 이동 각각에 따라 그 단면적이 감소 또는 증감되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제8항에 있어서,
상기 격벽은, 상기 핀틀 로드와 상기 돌출부 사이에 상기 제2 유로를 연통시키는 연결 홀을 포함하는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 핀틀 팁은,
그 내부에 형성되어 상기 제1 유로와 상기 제1 분사 출구를 연결하는 팁 유로; 및
상기 산화제와 상기 팁 유로의 내주면의 접촉 면적을 증가시키도록 구비되는 복수 개의 핀(Fin)형 구조물을 포함하는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제13항에 있어서,
상기 복수 개의 핀형 구조물에 의해, 상기 핀틀 팁의 열이 상기 산화제로 전달되는 열 전달율이 증가되어 상기 제1 분사 출구로 분사되는 산화제의 기화율이 향상되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 압력 보상 챔버는, 비활성 기체로 충진되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제15항에 있어서,
상기 산화제는 초저온 산화제이고,
상기 비활성 기체는, 상기 초저온 산화제에 의한 온도 하강 상태에서 액화되지 않는 기체인 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제16항에 있어서,
상기 비활성 기체는 헬륨인 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 산화제 공급부로의 산화제 공급 압력은, 상기 압력 보상 챔버와 상기 연료 공급 챔버의 상대적인 압력 차이 발생 시 상기 격벽이 상하 이동 가능하도록, 상기 압력 보상 챔버 내의 압력 및 연료 공급 챔버로의 연료 공급 압력보다 낮게 설정되는 것인, 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터.
제1항에 따른 연료 공급 압력으로 개도가 제어되는 핀틀 인젝터를 포함하는 엔진.