KR101974877B1 - 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기 - Google Patents

벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벌집 구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 벌집구조로 형성된 벽체보강물 및 벌집구조의 내부에 구비되는 내열성페인트를 연소실부 및 노즐부를 이루는 벽체에 접합하여, 고온 및 고속의 추진제의 연소에 따른 진동, 충격등과 같은 기계적 부하 및 열전달, 온도하중과 같은 열유체적 부하에 대한 내구성 및 강도를 높임으로써, 기존의 연소실 및 노즐부의 벽 두께를 얇게 줄일 수 있어 더욱 경량화되며 벽체의 내구성을 향상시키는 벌집 구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기에 관한 것이다.

Description

벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기{Thruster with combustion chamber and nozzle using honeycomb structure}
본 발명은 고온 및 고속의 추진제를 연소 및 배출하는 연소실과 노즐부에 벌집구조를 이용하여 열, 산화 및 온도하중에 있어 내성이 강화된 추력기에 관한 것이다.
인공위성 및 로켓 발사체와 같은 비행체는 임무 수행 도중 외란에 의해 자세가 흐트러지거나 궤도를 이탈하게 된다. 이때, 정상적인 임무 수행을 하도록 하기 위해서 적절한 임펄스를 주어 설정된 궤도 및 자세에 명령 추종하도록 하는데, 이러한 기능을 수행하기 위해 사용되는 것이 추력기이다.
특히, 인공위성 및 로켓 발사체와 같은 비행체에 사용되는 추력기는 고온 및 고속의 추진제를 배출하기 때문에 높은 온도 및 온도하중에 있어 높은 강도를 갖는 재료로 형성되는 것이 바람직하며, 최근에는 티타늄 합금을 사용하여 추력기를 경량화하기 위해, 군수분야 또는 항공 산업분야 전반에 걸쳐 티타늄 합금의 사용이 확대되고 있다.
그러나, 티타늄 합금은 반응성이 높은 재료로서, 높은 연소열 및 낮은 열전도도를 구비하고, 용융온도 이하에서도 자발적으로 점화 및 연소하는 성질이 있다. 나아가 티타늄 함금은 고온 가스에 노출시 열이 내부로 전도되는 양이 다른 금속에 비하여 상대적으로 적기 때문에, 표면만 급격하게 가열되어 국부적으로 요융될 수 있으므로 상기 추력기와 같이 고온 및 고속의 연소가스 분위기에 노출되는 추력기의 노즐부 및 연소실에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 한국공개특허공보 제10-2012-0027864호(2012.03.22)에서는 추력기의 노즐 및 연소실의 내벽에 내열 코팅이 적용되는 노즐장치에 관하여 공지하고 있다. 그러나, 종래의 노즐장치를 갖는 추력기는 노즐부 및 연소실에서 발생하는 고온 및 고속의 추진제의 연소에 의한 온도하중에 대한 충분한 강도를 갖지 못하여 노즐 및 연소실을 이루는 벽체의 두께가 두껍게 설계 제작되어 추진체의 적절한 경량화를 시키지 못하는 문제점을 극복하지 못하는 한계가 있다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0027864호(2012.03.22)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 비행체를 추진시키기 위한 추진제를 배출하는 노즐부와 상기 노즐부와 연결되어 추진제가 연소되는 연소실을 갖는 추력기에 있어서, 노즐부와 연소실을 이루는 벽체의 외면에 벌집구조로 이루어진 보강구조물을 형성하여, 추진제의 연소에 의한 열, 산화 및 온도하중에 있어 내성이 강화된 추력기를 제공하고자 한다.
본 발명은, 비행체를 추진시키기 위한 추진제를 배출하는 노즐부와 상기 노즐부와 연결되어 상기 추진제가 연소되는 연소실을 갖는 추력기에 있어서, 상기 노즐부 및 상기 연소실의 벽을 이루는 벽체; 상기 벽체의 외면상에 형성되며, 상기 벽체의 외면을 따라 연속되는 복수의 벌집구조로 형성된 벽체보강물; 및 상기 벌집구조는 상기 벽체보강물의 외면으로부터 상기 벽체방향으로 중공되어 형성된 내부공간에 상기 추진제의 연소로 발생되는 열로부터 상기 벽체를 보호하기 위해 도포된 내열성페인트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 상기 내열성페인트는 상기 벽체에 부하되는 열부하량에 따라 각각 다른 방사율을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벌집구조는 상기 벽체에 부하되는 열부하량에 따라 각각 다른 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벽체보강물은 금속 적층제조(3D프린팅)를 이용하여 상기 벽체의 외면상에 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벽체보강물은 상기 벌집구조가 서로 교번되어 층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 벌집 구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기는 벌집구조를 연소실벽과 노즐벽에 접합하여, 고온 및 고속의 추진제의 연소에 따른 진동, 충격등과 같은 기계적 부하 및 열전달, 온도하중과 같은 열유체적 부하에 대한 내구성 및 강도를 높임으로써, 기존의 연소실 및 노즐부의 벽 두께를 얇게 줄일 수 있어 더욱 경량화되며 효율적인 장점이 있다.
도 1은 종래의 추력기를 도시한 사시도.
도 2는 도1에 따른 노즐부 및 연소실의 단면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 노즐부 및 연소실의 사시도.
도 4는 도 3에 따른 AA'단면도.
도 5는 본 발명의 벽체에 부하되는 열부하량을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 추력기의 제조순서를 도시하기 위한 정면도.
도 7은 본 발명의 벽체보강물의 다른 일실시예를 도시한 정면도.
도 8은 본 발명의 벌집구조의 다른 일실시예를 도시한 예시도.
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.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 추력기(1000)의 노즐부 및 연소실부를 도시한 사시도로서, 도 3을 참조하면 상기 추력기(1000)는 벽체(100), 벽체보강물(200) 및 내열성페인트(230)으로 구성될 수 있다.
상기 추력기(1000)는 인공위성 또는 로켓 발사체와 같은 고온 및 높은 내압을 갖는 비행체에 구비되어, 상기 비행체가 추진력을 갖도록 추진제를 연소시키기 위한 구성으로, 도면 1을 참조하면 종래의 추력기는 촉매반응기(10), 추진제주입부(20), 노즐(30)을 포함하여 도시하고 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 추력기(1000)는 본 발명의 요지에 벗어남이 없어 다양한 변형이 가능하다.
상기 벽체(100)는 비행체를 추진시키기 위한 추진제를 배출하는 노즐부와 상기 노즐부와 연결되어 추진제가 연소되는 연소실의 벽을 이루는 구성으로, 인공위성 또는 로켓 발사체 등과 같은 비행체의 추력기에 사용되는 가볍고 내구성이 뛰어난 유리섬유, 탄소복합재료 티타늄 합금 및 알루미늄 등의 어떠한 재료로도 구성될 수 있다.
상기 벽체보강물(200)은 상기 벽체(100)의 외면상에 형성되며, 상기 벽체(100)의 외면을 따라 연속되는 복수의 벌집구조(210)로 형성될 수 있다. 또한 상기 벽체보강물(200)은 도면상에는 상기 벽체의 외면상에만 형성되어 있으나, 상기 벽체(100)의 내면에도 형성될 수 있다.
상기 벌집구조(210)는 상기 벽체(100)의 외면에 형성되어 상기 벽체(100)에 전달되는 진동 및 충격등의 기계적인 부하에 있어 내성을 강화시키기 위한 구성으로, 다양한 형상의 구조물로 상기 벽체(100)의 외면에 형성되며, 상기 벽체(100)에 부하되는 열부하량에따라 구조해석 및 열유체해석을 통하여 형상, 크기, 높이 등을 결정할 수 있다.
또한, 육각형의 벌집모양은 최소한의 재료로 최대한의 공간을 확보할 수 있는 가장 경제적인 구조이며, 동시에 가장 균형 있게 힘을 분배하는 안정적인 구조로서, 상기 벽체보강물(200)은 육각형의 벌집모양으로 형성된 복수의 상기 벌집구조(210)가 집합되어 형성되는 것이 바람직하다.
도 4는 상기 도 3에 따른 AA'단면도로서 도 4를 참조하면, 상기 벽체(100)는 내면상에 상기 노즐부 및 연소실부 를 포함하여 구성되며, 상기 노즐부와 상기 연소실부가 연결되는 지점에 형성되는 노즐목을 중심으로 상기 노즐부 및 상기 연소실부의 지름이 점점 커지는 테이퍼의 형상으로 형성될 수 있다. 이때 상기 노즐부는 배출하는 추진제의 배출압을 증가시키기 위하여 상기 노즐부의 지름이 점차적으로 작아지게끔 형성되고, 상기 연수실부는 상기 노즐목에서 배출되는 추진제의 배출 면적을 급격하게 증가시켜 완전연소 효율을 높이기 위하여 상기 연소실의 지름이 점차적으로 증가하게끔 형성될 수 있다. 이때, 상기 벽체보강물(200)은 상기 벽체(100)의 외면의 형상에 따라 형성되는 것이 바람직하다.
상기 벽체(100)는 내면상에 열 및 산화저항을 높이기 위한 세라믹 재질의 코팅재가 코팅될 수 있으며, 상기 벽체(100)의 외면상에는 상기 벽체보강물(200)이 형성될 수 있다.
이때, 상기 벽체보강물(200)을 형성하는 상기 벌집구조(210)는 상기 벽체보강물(200)의 외면으로부터 상기 벽체(100)의 외면과 수직하는 방향으로 내부가 중공된 내부공간(220)이 형성될 수 있다. 이때, 상기 벌집구조(210)는 일정한 두께를 갖으며 인접하는 다른 벌집구조(210)와 연속되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 벽체보강물(200)은 상기 내부공간(220)의 내부에 구비되며 내열성을 갖는 세라믹으로 이루어진 내열성페인트(230)를 형성할 수 있다.
상기 내열성페인트(230)는 높은 열 방사율과 낮은 흡광율을 갖는 재료로 이루어지며, 상기 벽체(100)의 열전도를 억제시켜, 상기 벽체(100)의 내열성을 향상시키기 위한 구성으로, 상기 벽체보강물(200)의 내부공간(220)의 내부에 구비됨으로써, 기계적 부하 및 열유체적 부하에 내성을 갖는 상기 벽체(100)를 형성할 수 있다.
상기와 같은 구성으로 인해 상기 벽체(100)의 벽두께(d)는 종래의 노즐 및 연소실을 이루는 벽두께(D)보다 더욱 얇게 설계할 수 있어, 상기 추력기(1000)를 더욱 경량화 시킬 수 있는 장점이 있다.
도 5의 (a)는 비행체의 작동 시 추진체의 연소에 의한 상기 벽체(100)상에 부하되는 열부하량을 도시한 그래프이며, (b)는 상기 도 5에 따른 열부하량에 따라 각기 다른 방사율을 상기 내열성페인트(230)에 적용한 예시도로서, 상기 도 5를 참조하면, 상기 노즐목 부분에 부하되는 열부하량이 가장 높으며, 상기 노즐목을 중심으로 서리가 멀어짐에 따라서 열부하량이 점차 감소하는 것을 알 수 있다. 이??, 상기 벽체(100)는 높은 내열성 및 산화저항성을 갖는 백금이 첨가된 합금으로서, 부분적으로 최고 1600℃(2900℉)의 온도까지 허용 가능함을 알 수 있으며, 이때, 상기 벽체보강물(200)은 상기 백금이 첨가된 백금합금으로 형성되는 것이 바람직 하다.
이에 따라서, 상기 벽체(100)에 구비되는 벽체보강물(200) 및 내열성페인트(230)는 상기 벽체(100)에 부하되는 열부하량에 따라 각각 다른 방사율을 갖도록 형성될 수 있다. 이때, 도 5에 도시된 바와 같이 방사율 A는 열부하량이 상대적으로 가장 낮은 구간을 의미하며, 방사율 B는 상기 연소실에서의 일정한 열부하량을 갖는 구간을 의미하고, 방사율 C는 상기 노즐목 부분에서 가장 높은 열부하량을 갖는 구간을 의미한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 상기 추력기(1000)의 제조 방법을 도시하기 위한 정면도로서 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 추력기(1000)의 제조 방법을 자세히 설명한다.
도 6의 (a)는 노즐부 및 연소실부를 이루는 벽체(100)에 상기 벌집구조(210)를 갖는 상기 벽체보강물(200)을 접합한 것을 도시하는 정면도이며, 이때 상기 벽체보강물(200)은 금속 적층제조(3D프린팅) 기법을 이용하여 제작될 수 있으며, 상기 금속 적층제조(3D프린팅) 기법은 원료가 되는 금속들을 진공용해하여 합금을 만든 다음, 고압의 불활성가스와 함께 노즐을 통해 분사시켜 설계된 상기 벽체(100) 및 상기 벽체보강물(200)의 단면을 한 층씩 쌓아 올리는 방식이다. 이때, 최종부품의 형상이 될 때까지 레이저나 전자 빔선등으로 스캐닝하여 만들어 갈 면을 가이드 하며, 가이드 되는 선과 면을 따라서 미세한 직경의 레이저 빛이 통과할 때마가 국소적으로 금속 분말이 녹았다가 이전에 적층한 면 위에 다른 층이 적층되므로, 상기 벽체(100) 및 상기 벽체보강물(200)을 일체의 구성으로 제조할 수 있다.
이때, 상기 벽체보강물(200)의 각각의 벌집구조(210)의 내부공간(220) 내부에 내열성을 갖는 세라믹 및 규산염 바인더가 첨가되어 융해된 페인트를 채워 상기 내열성페인트(230)를 형성할 수 있다. 이때, 상기 규산염 바인더는 상기 내열성페인트(230)가 상기 벽체(100)와 상기 벽체보강물(200)에 접합될 수 있도록 하는 접합재의 역할을 하며, 상기 내열성페인트(230)가 경화되어 상기 벽체(100) 및 상기 벽체보강물(200)을 코팅할 수 있다. 이때, 상기 내열성페인트(230)은 상기 벽체보강물(200)의 내부공간(220)의 높이만큼 충전 또는 채워져 형성되어 수 있으며, 바람직하게는 상기 내부공간(200), 상기 벽체(100) 및 상기 벽체보강물(200)의 외부면을 모두 코팅하도록 도포되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 내열성페인트(230)는 액화된 페인트를 사용하기 때문에 상기 금속 적층제조(3D프린팅) 기법을 이용하여 상기 벽체(100) 및 상기 벽체보강물(200)과 함께 적층되어 제조될 수 있다.
도 7은 본 발명의 상기 벽체보강물(200)의 다른 일실시예를 도시한 정면도로서, 도 7을 참조하면, 상기 벽체보강물(200)의 상기 벌집구조(210)는 상기 벽체(100)에 부하되는 열부하량에 따라 각기 다른 크기의 벌집구조로 형성될 수 있다. 이때, 상기 벌집구조(210)는 방사율 A ,방사율 B, 방사율 C의 순으로 점차적으로 작은 크기의 벌집구조(210)를 형성되는 것이 바람직하며, 상기와 같은 구성으로 인해 상기 벽체(100)의 노즐목 부분에 높은 온도하중에 의한 부하를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
도 8은 상기 벌집구조(210)의 다른 일실시예를 도시한 예시도로서, 도 8을 참조하면, 상기 벌집구조(210)는 서로 교번되어 층을 이루도록 형성되어 상기 벽체(100)에 부하되는 진동또는 충격등의 기계적 부하에 대한 강도를 향상시키고, 상기 벌집구조(210)가 교번됨에 따라서, 상기 내열성페인트(230)에서의 열 및 산화의 내성을 갖는 효과를 유지할 수 있는 효과가 있다.
상기와 같은 구성으로 인한 본 발명의 벌집 구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기(1000)는 상기 벌집구조(210)를 연소실부 및 노즐부를 이루는 벽체에 접합하여, 고온 및 고속의 추진제의 연소에 따른 진동, 충격등과 같은 기계적 부하 및 열전달, 온도하중과 같은 열유체적 부하에 대한 내구성 및 강도를 높임으로써, 기존의 연소실 및 노즐부의 벽 두께를 얇게 줄일 수 있어 더욱 경량화되며 상기 벽체(100)의 내구성을 높이는 효과가 있다
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
추력기(1000)
벽체(100) 벽체보강물(200)
벌집구조(210) 내부공간(220)
내열성페인트(230)

Claims (6)

  1. 비행체를 추진시키기 위한 추진제를 배출하는 노즐부와 상기 노즐부와 연결되어 상기 추진제가 연소되는 연소실을 갖는 추력기에 있어서,
    상기 노즐부 및 상기 연소실의 벽을 이루는 벽체;
    상기 벽체의 외면상에 형성되며, 상기 벽체의 외면을 따라 연속되는 복수의 벌집구조로 형성된 벽체보강물; 및
    상기 벽체보강물의 외면으로부터 상기 벽체방향으로 중공되어 형성된 내부공간에 상기 추진제의 연소로 발생되는 열로부터 상기 벽체를 보호하기 위해 도포된 내열성페인트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 내열성페인트는
    상기 벽체에 부하되는 열부하량에 따라 각각 다른 방사율을 갖는 것을 특징으로 하는 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 벌집구조는
    상기 벽체에 부하되는 열부하량에 따라 각각 다른 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 벽체보강물은
    금속 적층제조(3D프린팅)을 이용하여 상기 벽체의 외면상에 제작되는 것을 특징으로 하는 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 벽체보강물은
    상기 벌집구조가 서로 교번되어 층을 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기.
KR1020170148572A 2017-11-09 2017-11-09 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기 KR101974877B1 (ko)

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KR1020170148572A KR101974877B1 (ko) 2017-11-09 2017-11-09 벌집구조를 이용한 연소실 및 노즐을 갖는 추력기

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20050042973A (ko) * 2003-11-04 2005-05-11 한국항공우주연구원 필라멘트 와인딩에 의해 강화된 재생냉각 로켓엔진의 연소실
KR20120027864A (ko) 2010-09-13 2012-03-22 국방과학연구소 고온 및 고속의 가스 분위기에서 사용가능한 노즐장치 및 이를 구비하는 로켓
CN206406523U (zh) * 2016-12-30 2017-08-15 上海创丽铝幕墙材料制造有限公司 一种铝蜂窝板

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