KR102027062B1 - 발사체의 단 분리 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발사체의 단 분리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로렌츠 힘을 이용한 단 분리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 발사체의 단 분리 시스템으로서, 본체와, 전류가 흐르면 자기장을 형성하도록 구성된 작동 코일과, 상기 본체에 결합하여 상기 본체와 함께 상기 작동 코일이 수용될 수 있는 작동 코일 수용부를 형성하는 분리 단으로서, 상기 작동 코일에 의해서 형성된 자기장에 의한 유도 전류가 흐르도록, 상기 작동 코일에 인접하여 배치된 작용면을 구비한 분리 단과, 상기 작동 코일과 연결된 전원 장치를 포함하며, 상기 작동 코일에 전류가 흐르면, 상기 작용면에 로렌츠 힘이 가해져서 상기 작용면이 절단되어, 상기 분리 단의 일부가 상기 본체로부터 멀어지는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다. 본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템은 로렌츠 힘이 분리 단에 직접 작용하기 때문에 구조가 매우 간단하다. 따라서 소형화가 가능하며, 저비용으로 제작할 수 있다.

Description

발사체의 단 분리 시스템{Stage separation system of a launch vehicle}

본 발명은 발사체의 단 분리 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로렌츠 힘을 이용한 단 분리 시스템에 관한 것이다.

로켓 등의 발사체에서 고유 임무가 종료된 단을 특정 고도 도달 혹은 특정 시간에 발사체의 비행 성능 향상을 위해 본체로부터 분리되도록 하는 단 분리 시스템이 사용된다.

종래에 사용되고 있는 단 분리 시스템에는 폭발팽창튜브(Pyro Expanding Tube)를 이용하여 프레임을 절단하는 방식과 선형화약(Linear Shape Charge)을 이용하여 구조물을 절단하는 방식, 그리고 볼트 등의 체결구조를 화약으로 절단 후 구속을 해제하여 분리하는 방식 등이 있다.

예를 들어, 일본등록특허 3697500에는 로켓과 보조 로켓의 결합 분리 장치로서, 로켓 본체와 보조 로켓을 양단에 결합하는 원형의 케이스 본체와, 케이스 본체의 외주에 끼워지는 링 상태의 홀더와, 홀더의 내주에 설치된 홈 내에 삽입된 폭약을 포함하는 분리 장치가 개시되어 있다. 상기 분리 장치는 로켓 본체와 보조 로켓을 분리할 때 상기 폭약에 점화해, 상기 본체를 분단해 분리한다.

또한, 한국공개특허 2014-0062898에는 대형로켓의 하단에 구비되는 제1단, 상기 제1단 상부 프레임의 말단에 형성되는 볼트결합부, 상기 제1단 상부 프레임의 내주면에 하부가 삽입되는 제2단, 상기 제2단 하부 프레임의 외측면을 따라 돌출 형성되며, 상기 볼트결합부와 다수의 결합용 볼트에 의해 결합되는 단 결합부 및 상기 제1단의 상부 프레임에 구비되는 선형 고폭형 화약장치를 포함하는 대형 로켓용 단 분리장치가 개시되어 있다. 상기 대형 로켓용 단 분리장치는, 상기 선형 고폭형 화약장치 내부의 고폭형 화약이 점화 연소되어 발생한 고온과 고압의 가스에 의해 상기 제1단의 상부 프레임이 절단되어 상기 제1단이 상기 제2단으로부터 분리되는 것을 특징으로 한다.

또한, 한국등록특허 0385812에는 전기적 신호에 의하여 분리되는 체결밴드의 내부에 고정된 전방프레임의 돌출부에 체결밴드가 분리되면 기축 방향의 운동이 시작되는 압축스프링 조합체가 설치되며, 상기 돌출부의 하측으로 연결된 트러스봉의 하측에 숫 힌지구가 암 힌지구의 힌지축에 연결되고, 힌지축의 일측으로 전개 비틀림 스프링이 연결된 외피 조합체가 외측으로 전개된 후 회전되어 정지되도록 하여 로켓과 단분리 되도록 하여 로켓에서 고유 임무가 종료된 부분 조합체를 특정 고도 도달 혹은 특정시간에 로켓의 비행 성능 향상을 위해 충돌 위험을 제거하여 분리되도록 하는 전개형 로켓 단분리 장치가 개시되어 있다.

또한, 한국등록특허 1120625에는 우주비행체의 본체에서 부속물을 구속하였다가 분리시키는 우주비행체의 부속물 분리장치에 있어서, 본체에 형성되는 홈의 내측으로 돌출되는 걸림턱에 측편이 걸리어 구속되는 변형모듈 및 측편을 함몰되게 변형하여 걸림턱의 걸림을 해제시키도록 변형모듈에 장착되는 구동부가 포함되는 것을 특징으로 하는 우주비행체의 부속물 분리장치가 개시되어 있다.

그런데 이들 종래의 분리 방식은 높은 파이로 충격 발생으로 인해 절단 시 고열 및 팽창 가스가 발생하게 되고, 결과적으로 균일하지 못한 절단 성능을 나타내게 된다는 문제가 있다.

일본등록특허 3697500 한국공개특허 2014-0062898 한국등록특허 0385812 한국등록특허 1120625

본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 단 분리수단으로서 하전입자가 전기장에서 받는 힘, 즉 로렌츠 힘을 사용하는 새로운 방식의 발사체의 단 분리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 폭발이나 화재의 위험이 없어서 안전하고, 단 분리시 신뢰도가 높은 발사체의 단 분리 시스템를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 발사체의 단 분리 시스템으로서, 본체와, 전류가 흐르면 자기장을 형성하도록 구성된 작동 코일과, 상기 본체에 결합하는 분리 단으로서, 상기 작동 코일에 의해서 형성된 자기장에 의한 유도 전류가 흐르도록, 상기 작동 코일에 인접하여 배치된 작용면을 구비한 분리 단과, 상기 작동 코일과 연결된 전원 장치를 포함하며, 상기 작동 코일에 전류가 흐르면, 상기 작용면에 로렌츠 힘이 가해져서 상기 작용면이 절단되어, 상기 분리 단의 일부가 상기 본체로부터 멀어지는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다.

또한, 상기 분리 단은 상기 본체에 결합하여 상기 본체와 함께 상기 작동 코일이 수용될 수 있는 작동 코일 수용부를 형성하는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 전원 장치는, 전력원과, 상기 전력원에 의해서 충전되는 적어도 하나의 커패시터와, 상기 커패시터를 상기 전력원 또는 상기 작동 코일과 선택적으로 연결하여, 상기 커패시터를 충전 또는 방전시키도록 구성된 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다.

또한, 상기 스위칭 회로는 상기 커패시터를 상기 전력원과 연결하는 경로에 설치되는 충전 스위치와, 상기 커패시터를 상기 작동 코일과 연결하는 경로에 설치되는 방전 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다.

또한, 상기 작용면은 상기 분리 단의 다른 벽면에 비해서 얇은 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다.

또한, 상기 분리 단과 상기 본체에는 각각 오목 홈이 형성되고, 상기 작동 코일 수용부는 상기 본체의 오목 홈의 내면과 상기 분리 단의 오목 홈의 내면에 의해서 둘러싸인 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다.

상기 분리 단에는 오목 홈이 형성되고, 상기 본체의 일부는 상기 오목 홈에 끼워지며, 상기 작동 코일 수용부는 상기 오목 홈의 내면과 상기 오목 홈에 삽입된 상기 본체의 일부의 표면에 의해서 둘러싸인 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템은 로렌츠 힘이 분리 단에 직접 작용하기 때문에 구조가 매우 간단하다. 따라서 소형화가 가능하며, 저비용으로 제작할 수 있다.

또한, 폭발이나 화재의 위험이 없어서 안전하고, 단 분리시 신뢰도가 높다는 장점이 있다.

또한, 파편이 발생하지 않는다는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템의 일실시예의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 발사체의 단 분리 시스템의 분리 단이 파손된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 3은 도 1에 도시된 발사체의 단 분리 시스템의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템의 다른 실시예의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 발사체의 단 분리 시스템의 분리 단이 파손된 상태를 나타낸 개략도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 일실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태들로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 더욱 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장된 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.

도 1은 본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템의 일실시예의 개략도이며, 도 2는 도 1에 도시된 발사체의 단 분리 시스템의 분리 단이 파손된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 1과 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템의 일실시예는 본체(10), 작동 코일(20), 분리 단(30), 결합 수단(40) 및 전원 장치(50)를 포함한다.

본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템은 하전입자가 자기장 속에서 받는 힘, 즉 로렌츠 힘을 사용하여 분리 단(30)을 파괴시켜서 분리 단(30)의 일부를 본체(10)로부터 분리한다.

도 1과 2에 도시된 바와 같이, 본체(10)는 분리 단(30)과 함께 작동 코일(20)을 수용할 수 있는 작동 코일 수용부(15)를 형성한다. 즉, 본체(10)와 분리 단(30)에 각각 형성된 오목 홈이 서로 마주보도록 본체(10)와 분리 단(30)을 결합하여 작동 코일 수용부(15)를 형성한다. 본체(10)는 플라스틱이나 세라믹과 같은 부도체로 제작할 수 있다.

작동 코일(20)은 전기 전도성이 좋은 선형 재료를 감은 것으로서, 작동 코일(20)에 전류를 흘리면 작동 코일(20)의 주위에 자기장이 형성된다. 이때, 자력선은 앙페르의 오른나사 법칙에 따라서 만들어진다.

분리 단(30)은 작동 코일 수용부(15)를 둘러싸는 벽멱들을 포함한다. 분리 단(30)의 벽면들 중에서 적어도 일부는 유도 전류가 흐르며, 로렌츠 힘이 가해질 수 있는 작용면(31)이어야 한다. 본 실시예에서는 분리 단(30)의 벽면들 중에서 좌측 벽면이 작용면(31)이다. 분리 단(30)은 예를 들어, 알루미늄, 구리, 철과 같이, 전기 전도성이 뛰어나면서, 비교적 쉽게 파손될 수 있는 금속으로 이루어질 수 있다.

결합 수단(40)은 본체(10)와 분리 단(30)을 결합하는 역할을 한다. 결합 수단(40)으로는 다양한 수단이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 볼트(42)와 너트(44)가 결합 수단(40)으로 사용된다.

전원 장치(50)는 작동 코일(20)에 순간적으로 고전압의 전류를 인가하기 위한 장치이다. 도 3은 도 1에 도시된 발사체의 단 분리 시스템의 전원 공급 방법을 설명하기 위한 회로도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전원 장치(50)는 전력원(51), 커패시터 뱅크(52) 및 스위칭 회로(53)를 포함한다. 전력원(51)은 커패시터 뱅크(52)를 충전하기 위한 전기에너지를 공급하는 역할을 한다. 전력원(51)으로는 직류 전압원을 사용할 수 있다. 커패시터 뱅크(52)는 적어도 하나의 커패시터 또는 병렬로 연결된 복수의 커패시터를 포함할 수 있다. 스위칭 회로(53)는 전력원(51)과 커패시터 뱅크(52), 커패시터 뱅크(52)와 작동 코일(20)을 선택적으로 연결하는 기능을 한다. 스위칭 회로(53)는 전력원(51), 커패시터 뱅크(52), 작동 코일(20)을 연결하는 도선(55)과 도선(55)에 설치된 충전 스위치(56) 및 방전 스위치(57)를 포함한다. 충전 스위치(56)는 전력원(51)과 커패시터 뱅크(52)를 연결하는 경로에 설치된다. 충전 스위치(56)가 온되면 커패시터 뱅크(52)에 전기에너지가 저장된다. 방전 스위치(57)는 커패시터 뱅크(52)와 작동 코일(20)을 연결하는 경로에 설치된다. 방전 스위치(57)가 온되면 커패시터 뱅크(52)에 저장된 전기에너지가 작동 코일(20)로 전달되어, 작동 코일(20)에 고전압의 전류가 흐른다.

이하에서는 상술한 발사체의 단 분리 시스템의 작용에 대해서 설명한다.

먼저, 본체(10)의 오목 홈에 작동 코일(20)을 끼운 후 분리 단(30)을 본체(10)에 밀착시킨다.

다음, 본체(10)와 분리 단(30)의 하부에 형성된 관통구멍에 볼트(42)를 끼운 후 너트(44)를 볼트(42)에 결합하여 본체(10)와 분리 단(30)을 결합한다. 결합이 되면, 도 1에 도시된 바와 같은 상태가 된다.

다음, 분리 단(30)이 본체(10)에 결합된 상태에서, 발사체의 단 분리 시스템을 가동하면, 전원 장치(50)의 방전 스위치(57)가 오프된 상태에서, 충전 스위치(56)가 온되어 커패시터 뱅크(52)가 충전된다(도 3 참조).

다음, 특정 고도 도달 혹은 특정 시간에 도달하며, 자동으로 전원 장치(50)의 충전 스위치(56)가 오프되고, 방전 스위치(57)가 온되면서, 1ms 이내의 짧은 시간 동안 커패시터 뱅크(52)에 저장된 에너지가 작동 코일(20)에 순간적으로 방전되면서 작동 코일(20)에 전류가 흐르고, 작동 코일(20) 주변에 매우 강한 자기장(B)이 발생한다. 자력선의 대략적인 형태는 도 1에 도시된 바와 같다.

그리고 동시에 작동 코일(20)에 인접한 분리 단(30)의 작용면(31)에 변화하는 자기장(B)에 의한 유도전류(I)가 흐른다. 도 1에 도시된 바와 같이, 유도전류(I)는 플레밍의 오른손 법칙에 따라서 작용면(31)에 동심원 형태로 시계방향으로 흐른다.

그리고 생성된 자기장(B)과 유도전류(I)의 상호작용으로 순간적으로 매우 강한 로렌츠 힘(F)이 작용면(31)에 가해진다. 로렌츠 힘(F)은 플레밍의 왼손 법칙에 따라서 작용면(31)을 작동 코일(20)로부터 멀어지는 방향으로 민다. 이로 인해 분리 단(30)이 파손되고, 분리 단(30)의 일부가 본체(10)로부터 분리된다.

도 4는 본 발명에 따른 발사체의 단 분리 시스템의 다른 실시예의 개략도이며, 도 5는 도 4에 도시된 발사체의 단 분리 시스템의 분리 단이 파손된 상태를 나타낸 개략도이다.

도 4와 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예는 본체(110), 작동 코일(120), 분리 단(130), 결합 수단(140) 및 전원 장치(150)를 포함한다. 작동 코일(120), 결합 수단(140)과 전원 장치(150)는 도 1과 2에 도시된 실시예와 차이가 없으며, 본체(110)와 분리 단(130)의 형태만 차이가 있다. 즉, 본 실시예에 있어서, 본체(110)는 도 1과 2에 도시된 실시예와 달리 기둥형태이며, 분리 단(130)에는 본체(110)를 수용할 수 있는 깊은 오목 홈이 형성되어 있다. 본 실시예에서는 분리 단(130)의 좌측 면과 우측 면이 작용면(131)이 된다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

100, 200: 발사체의 단 분리 시스템
10, 110: 본체
20, 120: 작동 코일
30, 130: 분리 단
40, 140: 결합 수단
50, 150: 전원 장치

Claims (7)

1. 발사체의 단 분리 시스템으로서,
   본체와,
   전류가 흐르면 자기장을 형성하도록 구성된 작동 코일과,
   상기 본체에 결합하는 분리 단으로서, 상기 작동 코일에 의해서 형성된 자기장에 의한 유도 전류가 흐르도록, 상기 작동 코일에 인접하여 배치된 작용면을 구비한 분리 단과,
   상기 작동 코일과 연결된 전원 장치를 포함하며,
   상기 작동 코일에 전류가 흐르면, 상기 작용면에 로렌츠 힘이 가해져서 상기 작용면이 절단되어, 상기 분리 단의 일부가 상기 본체로부터 멀어지는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 분리 단은 상기 본체에 결합하여 상기 본체와 함께 상기 작동 코일이 수용될 수 있는 작동 코일 수용부를 형성하는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 전원 장치는,
   전력원과,
   상기 전력원에 의해서 충전되는 적어도 하나의 커패시터와,
   상기 커패시터를 상기 전력원 또는 상기 작동 코일과 선택적으로 연결하여, 상기 커패시터를 충전 또는 방전시키도록 구성된 스위칭 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 스위칭 회로는 상기 커패시터를 상기 전력원과 연결하는 경로에 설치되는 충전 스위치와, 상기 커패시터를 상기 작동 코일과 연결하는 경로에 설치되는 방전 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 작용면은 상기 분리 단의 다른 벽면에 비해서 얇은 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템.
6. 제1항에 있어서,
   상기 분리 단과 상기 본체에는 각각 오목 홈이 형성되고, 상기 작동 코일 수용부는 상기 본체의 오목 홈의 내면과 상기 분리 단의 오목 홈의 내면에 의해서 둘러싸인 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 분리 단에는 오목 홈이 형성되고, 상기 본체의 일부는 상기 오목 홈에 끼워지며, 상기 작동 코일 수용부는 상기 오목 홈의 내면과 상기 오목 홈에 삽입된 상기 본체의 일부의 표면에 의해서 둘러싸인 것을 특징으로 하는 발사체의 단 분리 시스템.

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