KR101925786B1 - 가변형 추력기 - Google Patents

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KR101925786B1
KR101925786B1 KR1020170112813A KR20170112813A KR101925786B1 KR 101925786 B1 KR101925786 B1 KR 101925786B1 KR 1020170112813 A KR1020170112813 A KR 1020170112813A KR 20170112813 A KR20170112813 A KR 20170112813A KR 101925786 B1 KR101925786 B1 KR 101925786B1
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박성한
곽재수
김기문
장한나
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국방과학연구소
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

본 발명은, 가변형 추력기의 고온의 연소가스로부터 전달되는 열에 노출된 핀틀과 추력기 구성품 내부에 화학적 흡열 분해반응을 보이는 흡열재를 삽입함으로써, 추력기 동적 기밀 재료의 안전성 및 내구성을 증가시키는 가변형 추력기에 관한 것으로서, 본 명세서의 실시예들에 따른 가변형 추력기는, 직선 왕복운동을 수행하는 구동기와; 가변형 추력기 내에 배치되고, 상기 직선 왕복운동을 하면서 상기 가변형 추력기의 노즐을 통해 유출되는 연소가스의 양을 조절하는 핀틀과; 상기 핀틀이 직선 왕복운동을 하도록 상기 핀틀의 일부를 감싸는 라이너와; 상기 연소가스에 의한 상기 핀틀쪽으로의 열전달이 최소화되도록 상기 핀틀에 형성되고, 화학적 흡열 분해반응을 일으키는 흡열재를 포함할 수 있다.

Description

가변형 추력기{VARIABLE THRUSTER}
본 발명은 가변형 추력기에 관한 것이다.
일반적으로 가변형 추력기에서는 고온 고압의 연소가스가 구동기로 유입되지 못하도록 동적 기밀을 유지하는 기술이 필수이다. 추력기 내의 핀틀은 왕복운동을 하며 노즐을 통해 유출되는 고온의 연소가스의 양을 조절하는데, 핀틀을 구동하는 구동기는 고온 고압의 연소가스로부터의 기밀을 확보하여야 한다. 동적 구동을 하는 핀틀과 라이너 간의 기밀을 위해서 일반적으로 고무 오링(O-ring)이나 그라파이트(Graphite) 등으로 제작된 동적 기밀부를 적용하는데, 이러한 동적 기밀부의 재료는 고온의 운용조건에서는 기밀 성능이 저하된다. 따라서 고온 고압의 운용조건에서 동적 기밀부의 온도를 허용 온도 이하로 유지하는 것은 기밀 구조 유지와 시스템 전체의 안정성 측면에서 매우 중요한 기술이다.
본 발명의 목적은, 가변형 추력기의 고온의 연소가스로부터 전달되는 열에 노출된 핀틀과 추력기 구성품 내부에 화학적 흡열 분해반응을 보이는 흡열재를 삽입함으로써, 추력기 동적 기밀 재료의 안전성 및 내구성을 증가시키는 가변형 추력기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 가변형 추력기의 동적 밸브 조립체의 경량화를 제공하는 데 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 명세서의 실시예들에 따른 가변형 추력기는,
직선 왕복운동을 수행하는 구동기와;
가변형 추력기 내에 배치되고, 상기 직선 왕복운동을 하면서 상기 가변형 추력기의 노즐을 통해 유출되는 연소가스의 양을 조절하는 핀틀과;
상기 핀틀이 직선 왕복운동을 하도록 상기 핀틀의 일부를 감싸는 라이너와;
상기 연소가스에 의한 상기 핀틀쪽으로의 열전달이 최소화되도록 상기 핀틀에 형성되고, 화학적 흡열 분해반응을 일으키는 흡열재를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 흡열재는, 상기 핀틀의 내부 또는 상기 핀틀의 외벽에 형성되거나, 상기 핀틀의 내부 및 상기 핀틀의 외벽에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 흡열재는, 상기 핀틀의 주변 구성요소의 내부 또는 주변 구성요소의 외벽에 형성되거나, 상기 주변 구성요소의 내부 및 주변 구성요소의 외벽에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 흡열재는 상기 연소가스의 고온 고압에 의해 변형되지 않는 염(salt)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 염은 탄수수소나트륨일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 염은 탄산수소나트륨(
Figure 112017085836383-pat00001
), 탄산나트륨(
Figure 112017085836383-pat00002
), 탄산칼슘(
Figure 112017085836383-pat00003
) 중에서 어느 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 핀틀의 일부 외벽에 형성되고, 상기 흡열재에 의해 상기 핀틀 내부에서 발생하는 배기 가스를 배출하는 배출부를 더 포함할 수 있으며, 상기 배기 가스의 배출 방향이 상기 노즐의 출구 방향을 향하도록, 상기 배출부 내의 관통홀은 경사각을 갖을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 흡열재가 채워진 핀틀 내부의 열전달이 증가되도록, 상기 흡열재가 채워진 핀틀 내부에 삽입된 열전도성 부재를 더 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명은, 가변형 추력기 동적 기밀부로의 열전달을 최소화함으로써 가변형 추력기의 고온의 연소가스로부터 전달되는 열에 노출되는 핀틀과 가변형 추력기 구성품의 열 손상을 최소화할 수 있다.
본 발명은, 가변형 추력기 동적 기밀부로의 열전달을 최소화함으로써, 가변형 추력기의 고온 고압의 연소가스로부터 전달되는 열로부터 가변형 추력기의 성능과 안정성을 보장할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 가변형 추력기를 나타낸 구성도로서, 가변형 추력기 구동 모형도를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변형 추력기를 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흡열재가 삽입된 핀틀의 모사실험 구성도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 흡열재가 삽입된 핀틀의 모사실험에 따른 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 흡열재가 삽입된 핀틀 뿐만 아니라 노즐 주변의 다양한 구성품에 흡열재를 삽입한 모델을 나타낸 예시도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하에서는, 가변형 추력기의 고온의 연소가스로부터 전달되는 열에 노출된 핀틀과 그 가변형 추력기의 구성품(예를 들면, 라이너 및 기타 구성품) 외부 또는 내부에 화학적 흡열 분해반응을 보이는 흡열재를 삽입함으로써, 추력기 동적 기밀 재료의 안전성 및 내구성을 증가시키는 가변형 추력기에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명을 설명하기 위한 가변형 추력기를 나타낸 구성도로서, 가변형 추력기 구동 모형도를 나타낸 도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명을 설명하기 위한 가변형 추력기는,
직선 왕복운동을 수행하는 구동기(10)와;
연결부(20)를 통해 구동기(10)와 연결되고, 가변형 추력기의 노즐(40) 내에 배치되고, 상기 구동기(10)에 의해 직선 왕복운동을 하면서 상기 노즐(40)을 통해 유출되는 연소가스의 양을 조절하는 핀틀(30)과;
상기 핀틀(30)이 직선 왕복운동을 하도록 상기 핀틀(30)을 감싸는 라이너(liner)(50)를 포함할 수 있다.
도 1의 가변형 추력기에서 알 수 있듯이, 고온 고압의 연소가스가 핀틀(30)과 주변 구성품(50)의 표면에 높은 열부하를 야기하고, 핀틀-라이너 간극을 통하여 동적 기밀부 근처까지 유입되는 문제를 보여준다.
따라서, 본 발명은 동적 기밀 구조물(핀틀, 라이너 등)로의 열전달을 최소화하기 위한 것으로서, 고온 고압의 연소가스로부터 전달되는 열은 동적 기밀부인 고무 오링(O-ring) 또는 그라파이트 씰의 변성을 야기하여 구동기(10) 내부로의 연소가스 유입을 초래하기 때문에 가변형 추력기의 수명에 지대한 영향을 준다. 따라서, 이러한 가변형 추력기의 성능과 안정성을 보장하기 위하여 가변형 추력기의 동적 기밀부로의 열전달을 최소화한다.
본 발명은, 흡열재를 적용한 가변형 추력기로서, 가변형 추력기의 핀틀 내부, 라이너 내부 및 기타 구성품 내부에 흡열재를 삽입하여 기밀 재료로 전달되는 열부하를 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 고온의 연소가스로부터의 전달되는 열에 노출된 핀틀과 추력기 구성품 내부에 화학적 흡열 분해반응을 보이는 흡열재를 삽입하고, 기밀부로 전달되는 열의 일부를 흡열재의 흡열 분해반응을 통하여 완화하여 가변형 추력기의 동적 기밀 재료의 안전성 및 내구성을 증가시키고, 최종 동적 밸브 조립체의 경량화를 달성할 수 있다.
이하에서는, 흡열재를 이용한 가변형 추력기에 대해 도 2를 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 가변형 추력기를 나타낸 구성도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변형 추력기는,
직선 왕복운동을 수행하는 구동기(10)와;
연결부(20)를 통해 구동기(10)와 연결되고, 가변형 추력기의 노즐(40) 내에 배치되고, 상기 구동기(10)에 의해 직선 왕복운동을 하면서 상기 노즐(40)을 통해 유출되는 고온 고압의 연소가스의 양을 조절하는 핀틀(30)과;
상기 고온 고압의 연소가스에 의한 상기 핀틀(30)쪽으로의 열전달이 최소화되도록 상기 핀틀(30)에 형성되고, 화학적 흡열 분해반응을 일으키는 흡열재(31)와;
상기 핀틀(30)이 직선 왕복운동을 하도록 상기 핀틀(30)의 일부를 감싸는 라이너(liner)(50)를 포함할 수 있다.
상기 흡열재(31)는 상기 핀틀(30)의 주변 구성요소(예를 들면, 라이너(liner)(50) 등) 내부에도 형성될 수 있다.
상기 흡열재(31)는 상기 핀틀(30)의 내부 또는 상기 핀틀(30)의 외벽에 형성될 수 있거나, 상기 흡열재(31)는 상기 핀틀(30)의 내부 및 상기 핀틀(30)의 외벽에 형성될 수 있다.
상기 흡열재(31)는, 상기 핀틀(30)의 주변 구성요소(예를 들면, 라이너(liner)(50) 등) 내부 또는 상기 주변 구성요소(예를 들면, 라이너(liner)(50) 등)의 외벽에 형성될 수 있거나, 상기 핀틀(30)의 주변 구성요소(예를 들면, 라이너(liner)(50) 등) 내부 및 상기 주변 구성요소(예를 들면, 라이너(liner)(50) 등)의 외벽에 형성될 수 있다.
상기 흡열재(31)는 상기 연소가스의 고온 고압에 의해 변형되지 않는 염(salt)일 수 있다.
일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 대다수 염(salt)은 일정 온도에 도달하면 열에 의한 분해반응을 시작한다. 이때의 분해반응은 주변의 열을 흡수하는 흡열반응이다. 이러한 염의 열화학적 분해 매커니즘을 이용하여 가변형 추력기의 핀틀 또는 그 주변 구조물의 내부에 흡열물질인 염을 삽입함으로써, 연소가스로부터 핀틀로 전달되는 열의 일부를 염의 흡열반응을 통해 차단한다.
상기 핀틀(30)의 일부분(예를 들면, 핀틀(30)의 중앙 외벽)에 형성되고, 상기 핀틀(30) 내부의 흡열재에 의한 열분해반응에 따른 배기 가스를 배출하는 배출부(32)가 형성될 수 있다. 예를 들면, 배출부(32) 내의 관통홀을 통해 배출되는 배기 가스의 배출 방향이 노즐(40)의 출구 방향을 향하도록, 배기 가스 배출부(32)의 관통홀은 경사각을 갖도록 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 흡열재가 삽입된 핀틀의 모사실험 구성도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 핀틀(30)을 모사하기 위하여 스테인리스 튜브를 사용하였고, 흡열재가 삽입된 부분에 열을 가하여 시간에 따른 시편의 온도변화를 측정하였다. 온도 측정을 위하여 "T-type Thermocouple"을 사용하였으며, 흡열재로서는 대표적 염인 탄산수소나트륨(
Figure 112017085836383-pat00004
), 탄산나트륨(
Figure 112017085836383-pat00005
), 탄산칼슘(
Figure 112017085836383-pat00006
) 중에서 어느 하나 또는 어느 하나 이상을 사용하였다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 흡열재가 삽입된 핀틀의 모사실험에 따른 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 4에서 알 수 있듯이, 흡열재로서 탄산수소나트륨, 탄산나트륨, 탄산칼슘을 사용하였을 경우의 온도 측정 결과가 다름을 알 수 있다. 실험결과, 탄수수소나트륨의 경우에 초기에는 시간당 온도증가율이 가장 빠르며, 가장 빨리 열분해조건에 도달하지만 오랜 시간 동안 일정한 온도를 유지한다.
도 5에서 알 수 있듯이, 탄산수소나트륨을 장시간 가열했을 때의 온도변화를 알 수 있으며, 탄산수소나트륨의 흡열반응에 의해 20분 이상 일정한 온도를 유지할 수 있다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 흡열재가 삽입된 핀틀 뿐만 아니라 노즐 주변의 다양한 구성품에 흡열재를 삽입한 모델을 나타낸 예시도들이다.
도 6에 도시한 바와 같이, 핀틀-라이너의 오링(O-ring)을 둘러싸고 있는 기밀부(60) 외벽에 흡열재를 적용하여 기밀부 주변을 허용온도 이하로 낮춘다.
도 7에 도시한 바와 같이, 핀틀 이외의 노즐 구성품인 단열재(70)에 흡열재를 적용하여 연소가스로부터의 열전달을 차단할 수 있다.
도 8에 도시한 바와 같이, 핀틀 이외의 노즐 구성품인 내열재(80)에 흡열재를 적용하여 연소가스로부터의 열전달을 차단할 수 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 라이너(50) 내부 또는 외부에 흡열재를 삽입하거나, 라이너(50) 내부 및 외부에 흡열재를 삽입하여 라이너로 전달되는 열전달을 차단할 수도 있다.
도 9에 도시한 바와 같이, 흡열재(31)가 채워진 핀틀(30) 내부의 열전달을 증가시키기 위하여 열전도율이 높은 재료(예를 들면, 금, 은, 구리 등의 금속)를 핀틀(30) 내부에 삽입하여 흡열반응을 촉진시킬 수도 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변형 추력기는, 추력기의 동적 기밀부로의 열전달을 최소화함으로써 추력기의 고온의 연소가스로부터 전달되는 열에 노출되는 핀틀과 추력기 구성품의 열 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 가변형 추력기는, 추력기 동적 기밀부로의 열전달을 최소화함으로써, 추력기의 고온 고압의 연소가스로부터 전달되는 열로부터 추력기의 성능과 안정성을 보장할 수 있다. 예를 들면, 고온 고압의 연소가스에 노출된 핀틀 내부에 흡열반응을 보이는 염을 삽입함으로써 동적 기밀부로 전달되는 열의 일부를 소모시킬 수 있다. 즉, 높은 열부하에 의한 핀틀의 손상을 방지 혹은 지연시킬 뿐만 아니라, 동적 기밀부를 사용허용온도 이하로 유지시킴으로써 추력기의 원활한 구동을 가능케 한다. 이러한 방법은 핀틀 뿐만 아니라 고온의 연소가스의 영향을 받는 추력기의 다른 구조물에도 적용이 가능하며, 별도의 냉각장치를 구성하지 않아도 된다는 관점에서 가변형 추력기의 소형화를 이룰 수 있다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 가변 추력을 발생하는 가변형 추력기에 있어서,
    직선 왕복운동을 수행하는 구동기와;
    가변형 추력기 내에 배치되고, 상기 직선 왕복운동을 하면서 상기 가변형 추력기의 노즐을 통해 유출되는 연소가스의 양을 조절하는 핀틀과;
    상기 핀틀이 직선 왕복운동을 하도록 상기 핀틀의 일부를 감싸는 라이너와;
    상기 연소가스에 의한 상기 핀틀쪽으로의 열전달이 최소화되도록 상기 핀틀에 형성되고, 화학적 흡열 분해반응을 일으키는 흡열재를 포함하고,
    상기 흡열재는,
    상기 핀틀의 내부 또는 상기 핀틀의 외벽에 형성되거나, 상기 핀틀의 내부 및 상기 핀틀의 외벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 가변형 추력기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 흡열재는,
    상기 핀틀의 주변 구성요소의 내부 또는 주변 구성요소의 외벽에 형성되거나, 상기 주변 구성요소의 내부 및 주변 구성요소의 외벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 가변형 추력기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡열재는,
    상기 연소가스의 고온 고압에 의해 변형되지 않는 염(salt)인 것을 특징으로 하는 가변형 추력기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 염은,
    탄수수소나트륨인 것을 특징으로 하는 가변형 추력기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 염은,
    탄산수소나트륨(
    Figure 112017085836383-pat00007
    ), 탄산나트륨(
    Figure 112017085836383-pat00008
    ), 탄산칼슘(
    Figure 112017085836383-pat00009
    ) 중에서 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 가변형 추력기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 핀틀의 일부 외벽에 형성되고, 상기 흡열재에 의해 상기 핀틀 내부에서 발생하는 배기 가스를 배출하는 배출부를 더 포함하며,
    상기 배기 가스의 배출 방향이 상기 노즐의 출구 방향을 향하도록, 상기 배출부 내의 관통홀은 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 가변형 추력기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 흡열재가 채워진 핀틀 내부의 열전달이 증가되도록, 상기 흡열재가 채워진 핀틀 내부에 삽입된 열전도성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 추력기.
KR1020170112813A 2017-09-04 2017-09-04 가변형 추력기 KR101925786B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20110036309A1 (en) * 2008-01-07 2011-02-17 Mcalister Technologies, Llc Method and system of thermochemical regeneration to provide oxygenated fuel, for example, with fuel-cooled fuel injectors

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