KR102182347B1 - 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관 - Google Patents

우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관 Download PDF

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진정근
심홍민
김성준
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Abstract

본 발명의 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관은, 산화제(105)가 충전되는 산화제 탱크(100)와, 내부 둘레에 고체 추진제(210)가 충전되는 추진기관(200)과, 상기 산화제 탱크(100)와 추진기관(200)을 연결하여 산화제(105)를 추진기관(200)의 내부로 공급하는 유량 조절 밸브(110)와, 상기 고체 추진제(210)의 표면에 형성되어 산화제(105)가 고체 추진제(210)와 물리적으로 접촉하지 못하도록 점화를 방지하는 보호 피막(220)과, 상기 보호 피막(220)의 내부에 삽입되어 전류 인가에 의한 열에너지열에 의해 보호 피막(220)을 제거함으로써 고체 추진제(210)와 산화제(105)가 접촉시 점화 및 연소시키는 도전선(300)을 포함하여 이루어져 있으므로, 점화 방지 기술을 적용하여 하이퍼골릭 특성을 갖는 하이브리드 추진기관의 보관 안정성을 높일 수 있는 것임.

Description

우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관{HYPERGOLIC HYBRID PROPULSIVE EQUIPMENT HAVING ACCIDENTAL IGNITION PREVENTION FUNCTION}
본 발명은 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단순히 접촉만으로 점화 및 연소가 시작되는 하이퍼골릭 특성을 갖는 산화제와 연료를 사용하는 하이브리드 추진기관에서 우발 점화를 방지하는 기술을 적용하여 점화기 없이 사용 가능한 하이퍼골릭 특성을 지니면서도, 보관 시 우발 점화에 의한 사고 가능성을 감소시킬 수 있는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관에 관한 것이다.
일반적으로 고체 추진기관은 추진제 점화를 위해서 별도의 점화기를 사용하며 점화기에서 발생한 연소가스를 통해 추진제를 점화한다.
따라서 우발적인 점화로 인한 사고가 발생하지 않도록 하기 위해서 점화기에 점화안전장치를 장착하고 있다. 이러한 점화 안전장치는 기계식과 전기식 등이 있으며, 주목적은 점화기가 우발적으로 점화되지 않도록 하는 것이기 때문에 점화기를 사용하는 고체 추진기관에서는 필수적인 기술이다.
특히 하이브리드 추진기관은 일반적인 고체추진기관과 달리 산화제와 연료를 분리하여, 산화제를 고체 연료에 공급해 사용한다. 이러한 하이브리드 추진기관은 산화제 공급 조건에 따라 추력 조절이 가능하며, 산화제 공급을 중단하여 연소를 종료시킨 뒤 재공급해 재점화하여 사용이 가능하다. 이러한 재점화 특성이 하이브리드 추진기관이 갖는 가장 큰 장점이다.
하이브리드 추진기관이 재점화를 하기 위해서는 재점화를 위한 특별한 점화 장치가 필요하다. 즉, 일반적으로 사용하는 1회성 점화기가 아닌, 다회성 점화기 혹은 1회성 점화기를 여러대 장착하는 등 재점화가 가능한 점화장치 개발이 필요하다. 이러한 문제로 인해 별도의 점화기 없이 접촉만으로도 점화 및 연소가 발생할 수 있는 하이퍼골릭 특성을 갖는 고체 연료와 산화제 조합에 대한 연구가 진행되고 있다.
이와 같은 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관의 경우 점화기를 필요로 하지 않기 때문에 시스템 복잡도가 낮아지는 장점이 있으며, 재점화를 위한 별도의 점화 장치가 요구되지 않아 재점화에 대한 제약이 없는 장점이 있다.
이처럼 점화가 용이하게 이루어지는 특성은 재점화와 같이 추진기관을 정상적으로 사용하는 경우에는 장점이 되지만, 추진기관을 장기간 보관하거나 정비하는 경우 외부 충격과 같은 우발적 요인에 의해 산화제가 고체 연료로 누설될 경우 연소가 발생하여 사고가 발생할 가능성이 높다.
따라서 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관에 적합한 방식으로 점화를 방지할 수 있는 기술이 반드시 필요하고, 점화 방지 기술은 기존 점화기의 점화안전장치와는 다른 방식의 기술적 접근이 필요하며, 연료와 산화제가 물리적 접촉만으로도 연소가 이루어지기 때문에 이를 물리적으로 차단할 수 있는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관에 알맞은 점화안전장치 개발이 중요한 요인으로 작용되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1987170호(2019.06.03.) 대한민국 공개특허공보 제2011-0082309호(2011.07.09.)
본 발명의 목적은 기존의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 제안된 것으로서, 점화 방지 기술을 적용하여 하이퍼골릭 특성을 갖는 하이브리드 추진기관의 보관 안정성을 높일 수 있는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관은, 산화제가 충전되는 산화제 탱크와, 내부 둘레에 고체 추진제가 충전되는 추진기관과, 상기 산화제 탱크와 추진기관을 연결하여 산화제를 추진기관의 내부로 공급하는 유량 조절 밸브와, 상기 고체 추진제의 표면에 형성되어 산화제가 고체 추진제와 물리적으로 접촉하지 못하도록 점화를 방지하는 보호 피막을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 유량 조절 밸브는 역류 방지 기능을 포함하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 보호 피막은 상기 추진기관 내부에 고체 추진제의 충전 후 회전할 때 일정 두께로 도포된 후 일정 시간 건조 및 경화되는 과정에 의해 형성된 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 보호 피막의 내부에는 전류 인가에 의한 열에너지열에 의해 보호 피막을 제거하는 도전선이 삽입되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 도전선은 상기 보호 피막이 일정 두께로 두 번 나누어서 도포 또는 밀착에 의해 형성될 때 그 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 도전선은 상기 보호 피막의 전체 두께 중 절반이 상기 고체 추진제의 표면에 도포된 후 나머지 두께 절반이 적층되도록 도포될 때 그 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 도전선은 상기 보호 피막의 전체 두께 중 절반이 상기 고체 추진제의 표면에 밀착 형성된 후 나머지 두께 절반이 적층되도록 덧대어질 때 그 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 도전선에는 전원을 공급하는 전원장치가 포함되는 것으로서, 상기 전원장치는 상기 산화제 탱크와 추진기관 사이에 설치되고, 상기 도전선은 추진기관의 전방 입구를 통해 추진기관 내부의 보호 피막과 연결되는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예로서, 본 발명의 도전선에는 전원을 공급하는 전원장치가 포함되는 것으로서, 상기 전원장치는 상기 추진기관의 노즐 확대부 내에 설치되고, 상기 도전선은 노즐 확대부를 통해 추진기관 내부의 보호 피막과 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관은, 고체 추진제의 표면에 일정 두께의 보호 피막을 입혀 산화제 탱크로부터 산화제가 우발적으로 공급되더라도 고체 추진제와 물리적으로 접촉하지 못하도록 방지하여 하이퍼골릭 특성을 지니며, 보호 피막의 내부에 도전선을 삽입하여 전원장치를 통해 전류를 인가하여 보호 피막을 손상시켜는 구성으로 이루어져 있기 때문에 다음과 같은 장점을 갖는다.
첫째, 하이퍼골릭 특성을 사용하기 때문에 점화기가 필요치 않아 점화 및 재점화를 수행하는데 기술적 어려움이 없는 장점이 있다.
둘째, 하이퍼골릭 특성을 갖는 추진제를 사용하기 때문에 기존 다중펄스 추진기관과 달리 산화제 공급을 중단하였다가 재공급하는 방식으로 운용이 가능하여 시스템 복잡도가 상대적으로 매우 낮고 신뢰도 역시 높아지는 장점이 있다.
셋째, 점화 방지 기능을 적용함으로써 우발적인 산화제 누설에 의한 의도치 않은 연소가 발생할 가능성을 낮추어 추진기관의 안정성 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
넷째, 점화 방지 기능은 기본적으로 추진제 표면을 외부와 격리하기 때문에 필요 시 노즐 마개를 사용하지 않을 수 있으며, 보호 피막 제거를 위한 전원장치를 노즐 확대부에 위치하여 별도의 필요 공간 없이 보호 피막 제거용 전원장치 배치가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관을 도시한 구성도,
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관을 도시한 구성도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 제1 및 제2 실시예를 첨부 도면 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 본 발명의 제1 및 제2 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 제1 및 제2 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명에 따른 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관은, 산화제(105)가 충전되는 산화제 탱크(100)와, 내부 둘레에 고체 추진제(210)가 충전되는 추진기관(200)과, 상기 산화제 탱크(100)와 추진기관(200)을 연결하여 산화제(105)를 추진기관(200)의 내부로 공급하는 유량 조절 밸브(110)와, 상기 고체 추진제(210)의 표면에 형성되어 산화제(105)가 고체 추진제(210)와 물리적으로 접촉하지 못하도록 점화를 방지하는 보호 피막(220)과, 상기 보호 피막(220)의 내부에 삽입되어 전류 인가에 의한 열에너지열에 의해 보호 피막(220)을 제거함으로써 고체 추진제(210)와 산화제(105)가 접촉시 점화 및 연소시키는 도전선(300)을 포함하여 이루어져 있다.
즉 본 발명은 산화제 탱크(100)로부터 유량 조절 밸브(110)을 통해 고체 추진제(210)가 충전되어 있는 추진기관(200)으로 산화제(105)를 공급하는 하이브리드 추진기관 방식을 사용하고 있으며, 산화제(105)와 고체 추진제(210)는 접촉에 의해 연소가 일어나는 하이퍼골릭 특성을 지니고 있다.
상기 유량 조절 밸브(110)에는 산화제(105)가 추진기관(200) 방향으로만 공급되도록 역류 방지 기능을 구비하는 것이 바람직하다.
상기 추진기관(200)은, 전방 중앙에 상기 유량 조절 밸브(110)가 연결되도록 전방 입구(230)가 형성되고, 후방 중앙에 추진기관(200) 내에 충전된 고체 추진제(210)가 외부와 격리되도록 노즐 마개(240)가 설치되도록 노즐 확대부(250)가 형성된다.
상기 보호 피막(220)은 상기 추진기관(200) 내부에 고체 추진제(210)의 충전 후 회전할 때 일정 두께로 도포된 후 일정 시간 건조 및 경화되는 과정에 의해 형성된다.
상기 도전선(300)은 상기 보호 피막(220)이 일정 두께로 두 번 나누어서 도포 또는 밀착에 의해 형성될 때 그 사이에 설치된다.
즉 상기 도전선(300)의 설치 면적이 많을 경우, 상기 보호 피막(220)의 전체 두께 중 절반이 상기 고체 추진제(210)의 표면에 도포된 후 나머지 두께 절반이 적층되도록 도포될 때 그 사이에 도전선(300)을 설치하고, 도전선(300)이 일정 시간 건조 및 경화되는 과정에 의해 보호 피막(220)과 일체화되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 도전선(300)의 설치 면적이 적을 경우, 상기 보호 피막(220)의 전체 두께 중 절반이 상기 고체 추진제(210)의 표면에 밀착 형성된 후 나머지 두께 절반이 적층되도록 덧대어질 때 그 사이에 도전선(300)이 설치되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기 도전선(300)에는 전원을 공급하는 전원장치(310)가 포함된다.
즉 상기 전원장치(310)는 도 1과 같이 산화제 탱크(100)와 추진기관(200) 사이에 배치가 가능하며, 이 경우 전방 입구(230)를 통해 도전선(300)을 추진기관(200) 내부로 연결할 수 있다.
또한 상기 전원장치(310)는 도 2와 같이 상기 보호 피막(220) 적용으로 인해 노즐 마개(240)를 사용하지 않는 경우에 노즐 확대부(250)에 설치가 가능하며, 이 경우 노즐 확대부(250)를 통해 도전선(300)을 추진기관(200) 내부로 연결할 수 있고, 보호 피막(220) 제거 후 연소 가스가 노즐 확대부(250)를 통해 외부로 배출될 때 전원장치(310)가 노즐 확대부(250)로부터 자연적으로 제거된다.
이때 상기 전원장치(310)가 추진기관(200)의 노즐 확대부(250)에 설치 시에는 상기 고체 추진제(210)의 표면이 보호 피막(220)에 의해 도포되어 외부와 완전히 격리된 경우에 한하여 노즐 마개(240)의 역할이 필요없기 때문에 노즐 마개(240)의 위치에 설치될 수 있다.
상기 산화제(105)는 액체 또는 기체 상태로서, 상기 추진기관(200)의 전방 입구(230)를 통해 고체 추진제(210) 표면으로 공급되어 연소가 이루어진다.
즉 상기 산화제(105)의 양에 따라 연소되는 고체 추진제(210)의 양이 변동되며, 상기 추진기관(200)의 노즐 확대부(250)를 통해 배출되는 연소 가스의 양과 물성이 달라져 최종적으로 추력이 변동된다.
이때 상기 산화제(105) 공급 유량을 통해 추력을 변동시킬 수 있는 가변형 추진기관(200)으로 사용이 가능하다.
일반적인 경우에는 산화제(105)가 고체 추진제(210)와 접촉하여도 점화가 발생하기 어렵다.
따라서 점화를 위해서는 점화기가 필요하며, 특히 액체 또는 기체 상태의 산화제(105)를 공급하게 될 경우 산화제(105)의 유속이 크기 때문에 점화가 어려운 단점이 있다.
또한 일반적인 점화기를 사용하여 점화를 할 경우 산화제(105) 공급을 중단하지 못하기 때문에 재점화를 할 수 없는 단점이 있으며, 재점화를 위해서는 다회성 점화기 혹은 1회성 점화기를 다수 장착하는 방식을 적용할 수밖에 없다.
이러한 점화 관련 단점을 해결하기 위해서는 접촉만으로도 점화가 시작되는 하이퍼골릭 특성을 지니는 산화제(105)와 고체 추진제(210) 조합이 필요한다.
즉 하이퍼골릭 특성을 갖는 하이브리드 추진제 조합에서 주로 사용하는 산화제(105)는 N2O4, N2O, H2O2 등으로 일반적인 산화제(105)를 사용하고, 고체 추진제(210)에 첨가물을 혼합하여 하이퍼골릭 특성을 갖도록 하고 있다.
이와 같이 산화제(105)와 고체 추진제(210) 조합에 따라서 첨가물의 종류가 결정된다.
하이퍼골릭 특성을 갖는 산화제(105)와 고체 추진제(210) 조합을 사용할 경우 접촉에 의해서도 점화가 이루어지기 때문에 안정성 확보를 위해서 점화 방지 기능이 필요하다.
일반적인 고체 추진기관의 점화안전장치와 유사한 역할을 하는 점화 방지 기능은 고체 추진제(210) 표면에 박판의 보호 피막(220)을 도포하여 산화제(105)와 고체 추진제(210)를 물리적으로 분리함으로써 접촉이 발생하지 않도록 하는 방식이다.
여기서 보호 피막(220)은 고체 추진제(210) 표면에 일정 두께로 도포되기 때문에 산화제 탱크(100)로부터 산화제(105)가 추진기관(200) 내에 우발적으로 공급되더라도 고체 추진제(210)와 물리적으로 접촉하지 않게 방지하여 점화가 일어나지 않도록 하는 점화 방지 기능이 적용된 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관이다.
즉 보호 피막(220)으로 인한 점화 방지 기능은 고체 추진제(210) 표면에서 산화제(105)가 물리적으로 접촉하는 것을 방지하는 역할을 수행하며, 추진기관(200)을 점화시키는 경우 상기 도전선(300)에 인가된 전류로 인한 열에너지에 의해 보호 피막(220)이 손상시켜 고체 추진제(210)가 노출되도록 한다.
이때 보호 피막(220)의 전부를 제거할 필요 없이 일부 구역에 한해서 제거하더라도 산화제(105)가 공급되면 노출된 일부 구역에서 점화가 발생하고 이로 인해 생성된 고온의 연소가스로 인해 나머지 보호 피막(220) 제거가 가능하다.
따라서 전원장치(310)의 성능 제한 조건을 고려하여 보호 피막(220) 제거 영역의 넓이를 결정하며, 산화제(105)의 공급 유동 패턴 분석을 통해 보호 피막(220)의 제거 위치를 결정하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
100 : 산화제 탱크 105 : 산화제
110 : 유량 조절 밸브 200 : 추진기관
210 : 고체 추진제 220 : 보호 피막
230 : 전방 입구 250 : 노즐 확대부
300 : 도전선 310 : 전원장치

Claims (9)

  1. 산화제가 충전되는 산화제 탱크와,
    내부 둘레에 고체 추진제가 충전되는 추진기관과,
    상기 산화제 탱크와 추진기관을 연결하여 산화제를 추진기관의 내부로 공급하는 유량 조절 밸브와,
    상기 고체 추진제의 표면에 형성되어 산화제가 상기 고체 추진제와 물리적으로 접촉하지 못하도록 점화를 방지하는 보호 피막을 포함하고,
    상기 보호 피막의 내부에는 전류 인가에 의한 열에너지열에 의해 상기 보호 피막을 제거하는 도전선이 삽입되는 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 유량 조절 밸브는 역류 방지 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호 피막은 상기 추진기관 내부에 고체 추진제의 충전 후 회전할 때 일정 두께로 도포된 후 일정 시간 건조 및 경화되는 과정에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전선은 상기 보호 피막이 일정 두께로 두 번 나누어서 도포 또는 밀착에 의해 형성될 때 그 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 도전선은 상기 보호 피막의 전체 두께 중 절반이 상기 고체 추진제의 표면에 도포된 후 나머지 두께 절반이 적층되도록 도포될 때 그 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 도전선은 상기 보호 피막의 전체 두께 중 절반이 상기 고체 추진제의 표면에 밀착 형성된 후 나머지 두께 절반이 적층되도록 덧대어질 때 그 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전선에는 전원을 공급하는 전원장치가 포함되는 것으로서,
    상기 전원장치는 상기 산화제 탱크와 추진기관 사이에 설치되고,
    상기 도전선은 추진기관의 전방 입구를 통해 추진기관 내부의 보호 피막과 연결되는 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 도전선에는 전원을 공급하는 전원장치가 포함되는 것으로서,
    상기 전원장치는 상기 추진기관의 노즐 확대부 내에 설치되고,
    상기 도전선은 노즐 확대부를 통해 추진기관 내부의 보호 피막과 연결되는 것을 특징으로 하는 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관.
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KR1020190142655A KR102182347B1 (ko) 2019-11-08 2019-11-08 우발 점화 방지 기능을 가지는 하이퍼골릭 하이브리드 추진기관

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006112293A (ja) * 2004-10-14 2006-04-27 Kanazawa Univ 固体燃料燃焼方法、固体燃料燃焼器およびそれを使用した固体燃料式エンジン
KR20110082309A (ko) 2010-01-11 2011-07-19 한국과학기술원 산화제 촉매 분해를 이용한 하이브리드 로켓
JP2012507661A (ja) * 2008-10-30 2012-03-29 レイセオン カンパニー 低感度ロケットモータ
KR101987170B1 (ko) 2017-10-18 2019-06-10 주식회사 풍산 포 발사 적용을 위한 점화보조물질이 도포된 램제트 고체연료

Patent Citations (4)

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