KR102242103B1 - 고체연료 로켓 - Google Patents

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이영우
류세종
최형석
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Abstract

고체연료 로켓은 노즈콘, 제어부재, 엔진부재, 및 케이스를 포함한다. 상기 제어부재는 분할부, 낙하산 사출장치, 및 제어장치를 포함한다. 상기 분할부는 상기 노즈콘과의 경계를 이루며 상기 노즈콘으로부터 탈착가능하도록 갈라져서 사출공간을 형성한다. 상기 낙하산 사출장치는 소정의 고도에 도달한 후에 스프링에 의해 저장된 응력을 해방하는 사출트리거, 사출신호에 의해 상기 사출트리거를 제어하는 사출제어부, 낙하산 수납공간 내에 거치되어 있던 낙하산을 상기 사출공간을 통하여 외부로 사출하는 낙하산 수납부, 및 상기 사출트리거에 의해 해방된 상기 응력을 상기 낙하산 수납부로 전달하여 상기 낙하산 수납부를 상부쪽으로 밀어올리는 사출부를 포함한다. 상기 제어장치는 관제신호에 응답하여 상기 사출신호 및 엔진제어신호를 출력한다. 상기 엔진부재는 고체연료, 노즐부, 및 단열부를 포함한다. 상기 노즐부는 좁은 입구의 노즐목과 전후방향으로 넓어지는 구조를 갖는 노즐베이스, 및 상기 노즐베이스의 표면상에 배치되어 노즐베이스를 보호하며 14 내지 16 중량%의 초속경 고강도 시멘트 몰탈을 포함하는 몰탈코팅층을 포함하여 상기 고체연료가 연소되어 발생하는 고온·고압의 가스를 운동에너지로 전환시킨다.

Description

고체연료 로켓{SOLID FUEL ROCKET}
본 발명은 고체연료 로켓에 관한 것으로, 보다 상세하게는 초속경 고강도 몰탈을 이용한 노즐을 포함하는 고체연료 로켓에 관한 것이다.
로켓은 추진연료와 이를 저장하는 연료탱크, 및 노즐로 구성된다. 또한 방향안정장치, 날개 등의 구성요소를 추가로 포함할 수도 있다.
고체연료 로켓은 강한 추진력을 낼 수 있으며 구조가 단순하고 소형화가 가능하기 때문에, 실험용이나 연구용, 또는 레저용으로 사용되고 있다. 그러나 한번 연소되면 중간에 이를 멈출 수 없으며 제어가 쉽지 않고 연소과정에서 고온과 고압이 발생하기 때문에 로켓 몸체의 높은 강도 및 내열성, 내구성이 요구된다.
우주개발이나 군사용 로켓들과 달리, 실험용이나 연구용, 또는 레저용 로켓의 경우 비용절감을 위하여 로켓을 여러번 재사용하고 있다.
로켓을 재사용하는 경우, 외부재질이 약해서 발사과정에서 파괴될 수 있으며, 엔진부의 크기가 동체의 크기와 일치하지 않아서 발사 직전에 중심을 맞춰줘야 하는 문제점이 있다. 발사 직전에 로켓의 중심을 잡는 경우 정확한 중심을 맞추기가 어려워서 로켓의 궤도가 뒤틀릴 가능성이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 탄소 등을 이용하여 노즐을 제작하였으나, 종래의 노즐은 100N 이상의 추력을 견디기 어려우며, 추력 시험 이후 노즐부의 수축과 균열로 인하여 노즐목이 확장되는 문제점이 있다. 노즐목이 확장되면 정확한 추력을 낼 수 없기 때문에 로켓의 추진력이 저하되며 노즐부가 마모 및 손상되면 로켓의 재사용이 어렵다.
또한 낙하산 등 사용한 로켓을 회수하기 위한 장치가 고장나서 로켓이 파괴되는 경우가 발생하기도 한다.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 초속경 고강도 몰탈을 이용한 노즐을 포함하는 고체연료 로켓에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 고체연료 로켓은 노즈콘, 제어부재, 엔진부재, 및 케이스를 포함한다. 상기 노즈콘은 추진시 공기를 가르도록 유선형으로 형성된다. 상기 제어부재는 분할부, 낙하산 사출장치, 및 제어장치를 포함한다. 상기 분할부는 상기 노즈콘과의 경계를 이루며 상기 노즈콘으로부터 탈착가능하도록 갈라져서 사출공간을 형성한다. 상기 낙하산 사출장치는 소정의 고도에 도달한 후에 스프링에 의해 저장된 응력을 해방하는 사출트리거, 사출신호에 의해 상기 사출트리거를 제어하는 사출제어부, 낙하산 수납공간 내에 거치되어 있던 낙하산을 상기 사출공간을 통하여 외부로 사출하는 낙하산 수납부, 및 상기 사출트리거에 의해 해방된 상기 응력을 상기 낙하산 수납부로 전달하여 상기 낙하산 수납부를 상부쪽으로 밀어올리는 사출부를 포함한다. 상기 제어장치는 관제신호에 응답하여 상기 사출신호 및 엔진제어신호를 출력한다. 상기 엔진부재는 고체연료, 노즐부, 및 단열부를 포함한다. 상기 고체연료는 고체형태의 연료와 산화제를 포함하며 상기 엔진제어신호에 의해 점화된다. 상기 노즐부는 좁은 입구의 노즐목과 전후방향으로 넓어지는 구조를 갖는 노즐베이스, 및 상기 노즐베이스의 표면상에 배치되어 노즐베이스를 보호하며 14 내지 16 중량%의 초속경 고강도 시멘트 몰탈을 포함하는 몰탈코팅층을 포함하여 상기 고체연료가 연소되어 발생하는 고온·고압의 가스를 운동에너지로 전환시킨다. 상기 단열부는 상기 고체연료를 포위하여 상기 고체연료가 연소되면서 발생된 열이 외부로 전달되는 것을 방지한다. 상기 케이스는 상기 노즈콘을 제외한 나머지 부분의 외형을 커버하되 상기 노즐부가 개구된다.
일 실시예에서, 상기 고체연료 로켓의 연소 후에 상기 노즐베이스 상의 상기 사용된 몰탈코팅층을 제거하고 새로운 몰탈코팅층을 형성하고, 상기 고체연료를 재주입하여 재사용이 가능할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 노즐베이스에서 상기 노즐목의 면적과 출구쪽 확장부분의 면적이 하기의 [식 1]을 만족할 수 있다.
[식 1]
Figure 112018124531212-pat00001
(AC는 노즐목의 면적, Ae는 출구측 확장부분의 면적, Pe는 출구측 노즐압력, P0는 연소실 내부의 정체압력, k는 단열비로서 Nakka-Rocketry의 홈페이지에 공개된 KNSB 값을 나타낸다)
일 실시예에서, 상기 몰탈코팅층은 상기 노즐베이스 표면 중에서 상기 노즐목에 인접하는 부분에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 연료는 금속 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 분말을 포함하며, 상기 산화제는 과염소산 암모늄(NH4ClO4), 질산 암모늄(NH4NO3), 질산 칼륨, 및 소르비톨로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고체연료로켓에 있어서 100N 이상의 강한 추력에도 견딜 수 있으며, 추력 시험중 노즐의 수축이나 균열이 발생하지 않아서 노즐목이 확장되는 것이 방지된다.
또한 엔진부재가 제어부재와 정확하게 맞도록 제작되어 로켓의 중심을 용이하게 잡을 수 있다.
또한 낙하산 사출장치의 신뢰성이 향상되어 사용후 로켓의 회수가 용이하다.
또한 노즐부를 재사용할 수 있어서, 비용이 절약된다.
또한 노즐부가 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층을 포함하여 빠른 시간 내에 원하는 형태로 성형할 수 있으며, 적은 양의 물로도 필요한 유동성이 확보되고, 블리딩 현상이 없어서 작업성이 우수하며, 수축과 균역이 최소화되고, 날씨의 영향을 적게 받는 장점이 있다.
또한 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층이 노즐베이스를 보호하여, 열에 약한 PVC파이프로 노즐베이스를 형성할 수 있다. 따라서, 고체연료로켓의 무게가 감소하고 화재의 위험이 감소한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료로켓을 나타내는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 낙하산 사출장치를 나타내는 사시도들이다.
도 4는 도 2에 도시된 엔진부재의 노즐부를 나타내는 단면도이다.
도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 노즐베이스를 나타내는 이미지들이다.
도 7은 도 4에 도시된 노즐부를 나타내는 정면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 노즐부를 실제 추진시험에 사용한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 9는 도 8에 도시된 노즐부를 세척한 상태를 나타내는 이미지이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐부를 나타내는 정면도이다.
도 11은 도 10에 도시된 노즐부를 실제 추진시험에 사용한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 12는 도 1에 도시된 고체연료로켓의 발사시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 1에 도시된 고체연료로켓의 반복시험결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고체연료로켓을 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 고체연료로켓은 노즈콘(100), 제어부재(200), 및 엔진부재(300)를 포함한다.
노즈콘(100)은 고체연료로켓의 상부를 구성하며, 고체연료로켓 추진시 공기를 가르는 헤드부(110) 및 고체연료로켓의 자세를 감지하는 자이로센서(120)를 포함한다.
헤드부(110)는 내열성 및 강도가 높으면서도 무게가 가벼운 소재를 포함한다. 예를 들어, 헤드부(110)는 듀랄루민, 티타늄합금, 니켈합금, 스텐레스, 구리합금 등을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 헤드부(110)의 외면 상에 세라믹층이 더 형성될 수도 있다.
자이로센서(120)는 고체연료로켓의 추진으로 인한 가속도를 감지하여, 로켓의 자세를 제어한다. 예를 들어, 자이로센서(120)는 자이로가속도센서를 포함할 수 있다.
노즈콘(100)은 제어부재(200)의 상부에 탈착가능하도록 결합된다. 본 실시예에서, 노즈콘(100)은 제어부재(200)와 분할부(201)를 통하여 탈착가능하도록 결합된다. 노즈콘(100)은 제어부재(200)와 탈착가능하되, 완전히 분리되는 것은 아다. 본 실시예에서, 노즈콘(100)과 제어부재(200)의 일부가 분할부(201)를 통하여 갈라져서 사출공간(도시되지 않음)을 형성하고, 사출공간(도시되지 않음)을 통하여 낙하산(도시되지 않음)이 사출된다.
제어부재(200)는 고체연료로켓의 중앙부를 구성하며, 낙하산 사출장치(210) 및 제어장치(220)를 포함한다.
낙하산 사출장치(210)는 엔진부재(300) 내부의 연료가 모두 소진되고 고체연료로켓이 소정의 고도에 도달한 후에 노즈콘(100)과 제어부재(200)의 일부를 분할부(201)를 통하여 오픈하고, 오픈된 사출공간(도시되지 않음)을 통하여 낙하산(도시되지 않음)을 사출한다.
도 2 및 도 3은 도 1에 도시된 낙하산 사출장치를 나타내는 사시도들이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 낙하산 사출장치(210)는 고정플레이트(211), 고정프레임(212), 사출제어부(213), 사출트리거(214), 사출부(215), 낙하산 수납부(217), 및 스프링(219)을 포함한다.
고정플레이트(211)는 고체연료로켓의 케이스(400)와 결합되어, 고체연료로켓의 내부에서 낙하산 사출장치(210)의 위치를 고정한다.
고정프레임(212)은 고정플레이트(211)와 결합되며 프레임형상으로 구성되어 내부에 사출공간을 포함한다.
사출제어부(213)는 제어장치(220)의 제어에 따라 사출트리거(214)를 작동시킨다.
사출트리거(214)는 스프링(219)에 의해 저장되어 있던 응력을 사출부(215)로 전달한다.
사출부(215)는 스프링(219)에 의해 저장되어 있던 응력에 의해 낙하산 수납부(217)를 상부쪽으로 밀어올린다.
낙하산 수납부(217)가 상부쪽으로 밀어올려지면, 분할부(201)가 분리되어 노즈콘(100)과 제어부재(200)의 사이에 사출공간(도시되지 않음)이 형성된다.
낙하산 수납부(217)의 낙하산 수납공간(217a) 내에 거치되어 있던 낙하산(도시되지 않음)은 사출공간(도시되지 않음)을 통하여 외부로 사출되어 고체연료로켓이 서서히 낙하하도록 한다.
제어장치(220)는 고체연료로켓의 전반적인 동작을 제어한다. 본 실시예에서, 제어장치(220)는 GPS 장치(도시되지 않음), 고도계(도시되지 않음), 무선통신모듈(도시되지 않음), 엔젠제어회로(도시되지 않음), 및 낙하산 제어회로(도시되지 않음)를 포함한다.
GPS 장치(도시되지 않음)는 인공위성으로부터 받은 신호를 이용하여 고체연료로켓의 위치를 감지한다.
고도계(도시되지 않음)는 고체연료로켓의 고도를 측정한다. 예를 들어, 고도계(도시되지 않음)는 압력감지센서를 포함하여, 지상과의 가압차에 따라 고체연료로켓의 고도를 측정한다.
무선통신모듈(도시되지 않음)은 자이로센서(120)로부터 인가받은 가속도신호, GPS 장치(도시되지 않음)로부터 인가받은 위치신호, 고도계(도시되지 않음)로부터 인가받은 고도신호를 지상의 관제시스템(도시되지 않음)으로 전송하며, 지상의 관제시스템(도시되지 않음)으로부터 인가받은 관제신호에 응답하여 낙하산 제어회로(도시되지 않음), 엔진부재(300) 등을 제어한다.
엔진제어회로(도시되지 않음)는 무선통신모듈(도시되지 않음)로부터 인가받은 제어신호를 이용하여 엔진부재(300)의 구동을 제어한다.
낙하산 제어회로(도시되지 않음)은 무선통신모듈(도시되지 않음)로부터 인가받은 제어신호 또는 고도계(도시되지 않음)로부터 인가받은 고도신호가 기설정된 고도값에 도달하였는지 여부에 따라 낙하산 사출장치(210)의 사출트리거(214)를 제어한다.
다른 실시예에서, 무선통신모듈(도시되지 않음)은 측정된 신호를 지상의 관제시스템(도시되지 않음)으로 전송하기만 하며, 제어장치(220)는 기설정된 제어값에 따라 낙하산 사출장치(210) 및 엔진부재(300)를 제어할 수도 있다.
엔진부재(300)는 고체연료로켓의 추진력을 제공하며, 고체연료(310), 노즐부(320), 및 단열부(330)를 포함한다.
고체연료(310)는 연료와 산화제가 고체형태로 혼합되어 제조된다. 본 실시예에서, 연료로는 금속 알루미늄 분말과 마그네슘 분말, 또는 이들의 혼합분말이 사용되며, 산화제로는 과염소산 암모늄(NH4ClO4), 질산 암모늄(NH4NO3), 질산 칼륨, 소르비톨 또는 이들의 결합이 사용될 수 있다. 예를 들어, 고체연료(310)는 결합제인 고분자재료를 더 포함할 수도 있다.
도 4는 도 2에 도시된 엔진부재의 노즐부를 나타내는 단면도이며, 도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 노즐베이스를 나타내는 이미지들이고, 도 7은 도 4에 도시된 노즐부를 나타내는 정면도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 노즐부(320)는 고체연료(310)가 연소되어 발생하는 고온·고압의 가스를 운동에너지로 전환시킨다. 노즐부(320)는 노즐베이스(321) 및 몰탈코팅층(323)을 포함한다.
노즐베이스(321)는 고온·고압의 가스가 균일하게 배출되도록 좁은 입구를 가지며 전후방향으로 갈수록 넓어지는 구조를 갖는다.
본 실시예에서, 노즐베이스(321)는 알루미늄합금(또는 듀랄루민), 티타늄합금, 니켈합금, 스텐레스, 구리합금, 합성수지 등을 포함할 수 있다.
노즐베이스(321)는 수축확장형 노즐을 포함하며, 노즐목의 직경과 출구쪽 확장부분의 직경은 하기의 [식 1]에 의해 조절할 수 있다.
[식 1]
Figure 112018124531212-pat00002
[식 1]에서, AC는 노즐목의 면적, Ae는 출구측 확장부분의 면적, Pe는 출구측 노즐압력, P0는 연소실 내부의 정체압력, k는 단열비로서 Nakka-Rocketry의 홈페이지에 공개된 KNSB 값을 나타낸다.
몰탈코팅층(323)은 노즐베이스(321)의 표면상에 배치되어, 노즐베이스(321)를 보호한다. 본 실시예에서, 몰탈코팅층(323)은 초속경 고강도 시멘트를 포함한다. 예를 들어, 몰탈코팅층(323)에 사용되는 초속경 고강도 시멘트는 일반적인 시멘트원료에 보크사이트, 카올린, 형성을 추가하여 제조된 클링커에 무수석고를 첨가하여 생성된다. 당해 기술분야에서 통상의 지식과 경험을 가진 당업자라면, 몰탈코팅층(323)이 일반적으로 사용되는 초속경 고강도 시멘트로 제조될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 실시예에서, 몰탈코팅층(323)은 14 내지 17 중량%의 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈을 포함하며, 5 내지 100mm의 두께를 가지고, 2.1 내지 2.4의 비중을 갖는다.
초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층(323)은 일반적인 시멘트에 비해 빠른 시간 내에 원하는 형태로 성형할 수 있으며, 적은 양의 물로도 필요한 유동성이 확보되고, 블리딩 현상이 없어서 작업성이 우수하며, 수축과 균역이 최소화되고, 날씨의 영향을 적게 받는 장점이 있다.
[식 1]과 같은 형상을 갖는 노즐베이스(321)는 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층(323)이 부가된 경우에 노즐목의 확장이나 수축과 균열을 방지되는 장점이 있다.
도 8은 도 7에 도시된 노즐부를 실제 추진시험에 사용한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 1 내지 도 8을 참조하면, 실제 추진시험 결과 노즐베이스(321)에는 아무런 변형없이, 몰탈코팅층(323b)의 표면이 검게 그을렸다. 본 실시예에서, 몰탈코팅층(323b)의 표면이 검게 그을리기는 했으나, 노즐베이스(321)의 변형이 없어서, 노즐목은 아무런 변형이 없이 신뢰성을 유지한다.
도 9는 도 8에 도시된 노즐부를 세척한 상태를 나타내는 이미지이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 노즐부(320)를 재사용하기 위하여 검게 그을린 몰탈코팅층(323)을 세척하여 제거하였다. 이후에, 노즐베이스(321)의 내면 상에 추가적인 몰탈코팅층(323)을 형성하여 실험을 계속할 수 있다.
단열부(330)는 고체연료(310)를 포위하여, 고체연료(310)가 연소되면서 발생하는 열로부터 케이스(400) 및 제어부재(200)를 보호한다. 본 실시예에서, 단열부(330)는 탄성고무, 열경화성 플라스틱, 등을 포함할 수 있다.
단열부(330)는 케이스(400)의 열변형을 방지하고, 고체연료(310) 내부의 화학물질이 외부로 이동하거나 확산하는 것을 방지하며, 고체연료(310)의 연소시에 발생하는 압력이 외부로 손실되는 것을 방지하며, 고체연료(310)의 연소에 의한 압력이 노즐부(320)쪽으로 집중되도록 가이드한다.
케이스(400)는 노즈콘(100)을 제외한 고체연료로켓의 나머지 부분의 외형을 구성하며, 듀랄루민, 티타늄합금, 니켈합금, 스텐레스, 구리합금, PVC와 같은 합성수지 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 고체연료로켓은 점화기(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 점화기(도시되지 않음)는 제어장치(220)의 제어에 의해 점화되어 고체연료(310)의 일부를 점화한다. 예를 들어, 점화기(도시되지 않음)는 점화제(도시되지 않음)를 포함하며, 점화제(도시되지 않음)는 B-KNO3, Aluminium/Cupric oxide(A1/CuO), Zirconium/Barium chromate(Zr-BaCrO4), Zr-Ni/KCIO4-Ba(NO3) 등을 주장약으로 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 고체연료로켓에 있어서 100N 이상의 강한 추력에도 견딜 수 있으며, 추력 시험중 노즐의 수축이나 균열이 발생하지 않아서 노즐목이 확장되는 것이 방지된다.
또한 엔진부재(300)가 제어부재(200)와 정확하게 맞도록 제작되어 로켓의 중심을 용이하게 잡을 수 있다.
또한 낙하산 사출장치(210)의 신뢰성이 향상되어 사용후 로켓의 회수가 용이하다.
또한 노즐부(320)를 재사용할 수 있어서, 비용이 절약된다.
또한 노즐부(320)가 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층(323)을 포함하여 빠른 시간 내에 원하는 형태로 성형할 수 있으며, 적은 양의 물로도 필요한 유동성이 확보되고, 블리딩 현상이 없어서 작업성이 우수하며, 수축과 균역이 최소화되고, 날씨의 영향을 적게 받는 장점이 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 노즐부를 나타내는 정면도이고, 도 11은 도 10에 도시된 노즐부를 실제 추진시험에 사용한 결과를 나타내는 이미지이다.
도 10을 참조하면, 노즐베이스(1321)는 PVC파이프를 포함할 수 있다. PVC파이프는 금속재료에 비해 가격이 저렴하며, 보관과정에서 부식이 발생하지 않는다. 또한 비중이 1.43으로 스텐레스의 1/5, 알루미늄합금의 1/2에 불과하며, 불꽃이 튀어도 저절로 꺼지는 자기소화 성질을 가지고 있어서 화재의 위험도 낮다.
그러나 PVC파이프는 열에 약하여, 고열 및 고압이 인가되는 경우 쉽게 파손되거나 변형될 수 있다.
본 실시예에서, 노즐베이스(1321)의 내면 상에 몰탈코팅층(1323)이 형성되어 노즐베이스(1321)를 보호한다. 본 실시예에서, 몰탈코팅층(1323)은 초속경 고강도 시멘트를 포함한다.
일 실시예에서, 노즐목을 ㅨ10, 노즐 출구를 ㅨ30로 설계하고 3D 프린트로 몰드를 제작 하였다. 시멘트 혹은 초속경 고강도 몰탈을 물과 혼합하여 PVC 파이프인 노즐베이스(1321) 내에서 몰딩 작업을 실시하였다. PVC 파이프는 전체적인 노즐의 길이와 커넥터에 삽입할 50미리 여분의 길이를 고려하여 절단작업을 하였다. 시멘트 50중량%, 초속경 고강도 몰탈 13~15중량%로 물을 첨가하여 3분 동안 저으면서 혼합시켰다. 종래의 시멘트는 양생에 1~2일이 소요되지만 본 발명의 초속경 고강도 몰탈은 양생에 2~3시간이 소요되었다.
도 11을 참조하면, 실제 추진시험 결과 노즐베이스(1321)에는 아무런 변형없이, 몰탈코팅층(1323b)의 표면이 검게 그을렸다. 본 실시예에서, 몰탈코팅층(1323b)의 표면이 검게 그을리기는 했으나, 노즐베이스(1321)의 변형이 없어서, 노즐목은 아무런 변형이 없이 신뢰성을 유지한다.
상기와 같은 실시예에 따르면, 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층(1323)이 노즐베이스(1321)를 보호하여, 열에 약한 PVC파이프로 노즐베이스(1321)를 형성할 수 있다. 따라서, 고체연료로켓의 무게가 감소하고 화재의 위험이 감소한다.
도 12는 도 1에 도시된 고체연료로켓의 발사시험결과를 나타내는 그래프이다. 도 12에서, 가로축은 시간(초)을 나타내고 세로축은 고도(m)를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 고체연료로켓을 시험발사한 결과, 6.7초동안 399m의 고도까지 올라갔으며, 최대속도는 73.59m/s였고, 최대가속도는 55.55m/s2이었다.
도 13은 도 1에 도시된 고체연료로켓의 반복시험결과를 나타내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, 1차 내지 4차 반복실험에서, 최대추력(N)은 229N, 309N, 202N, 292N이었으며, 연소시간(s)은 4.5초, 3.5초, 7.1초, 5.6초이었다. 종래에는 노즐목이 확장되거나 마모되어 로켓을 재사용하는 횟수가 증가할수록 최대추력 및 연소시간이 감소하는 문제점이 나타났으나, 본 발명의 실시예에 따르면 몰탈코팅층을 복수회 재형성하더라도 고체연료로켓의 최대추력 및 연소시간이 감소하지 않았다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고체연료로켓에 있어서 100N 이상의 강한 추력에도 견딜 수 있으며, 추력 시험중 노즐의 수축이나 균열이 발생하지 않아서 노즐목이 확장되는 것이 방지된다.
또한 엔진부재가 제어부재와 정확하게 맞도록 제작되어 로켓의 중심을 용이하게 잡을 수 있다.
또한 낙하산 사출장치의 신뢰성이 향상되어 사용후 로켓의 회수가 용이하다.
또한 노즐부를 재사용할 수 있어서, 비용이 절약된다.
또한 노즐부가 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층을 포함하여 빠른 시간 내에 원하는 형태로 성형할 수 있으며, 적은 양의 물로도 필요한 유동성이 확보되고, 블리딩 현상이 없어서 작업성이 우수하며, 수축과 균역이 최소화되고, 날씨의 영향을 적게 받는 장점이 있다.
또한 초속경 고강도 시멘트를 포함하는 몰탈코팅층이 노즐베이스를 보호하여, 열에 약한 PVC파이프로 노즐베이스를 형성할 수 있다. 따라서, 고체연료로켓의 무게가 감소하고 화재의 위험이 감소한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 노즈콘 110 : 헤드부
120 : 자이로센서 200 : 제어부재
201 : 분할부 210 : 낙하산 사출장치
211 : 고정플레이트 212 : 고정프레임
213 : 사출제어부 214 : 사출트리거
215 : 사출부 217 : 낙하산 수납부
217a : 낙하산 수납공간 219 : 스프링
220 : 제어장치 300 : 엔진부재
310 : 고체연료 320 : 노즐부
330 : 단열부 400 : 케이스

Claims (5)

  1. 추진시 공기를 가르도록 유선형으로 형성되는 노즈콘;
    상기 노즈콘과의 경계를 이루며 상기 노즈콘으로부터 탈착가능하도록 갈라져서 사출공간을 형성하는 분할부와,
    소정의 고도에 도달한 후에 스프링에 의해 저장된 응력을 해방하는 사출트리거, 사출신호에 의해 상기 사출트리거를 제어하는 사출제어부, 낙하산 수납공간 내에 거치되어 있던 낙하산을 상기 사출공간을 통하여 외부로 사출하는 낙하산 수납부, 및 상기 사출트리거에 의해 해방된 상기 응력을 상기 낙하산 수납부로 전달하여 상기 낙하산 수납부를 상부쪽으로 밀어올리는 사출부를 포함하는 낙하산 사출장치와,
    관제신호에 응답하여 상기 사출신호 및 엔진제어신호를 출력하는 제어장치를 포함하는 제어부재;
    고체형태의 연료와 산화제를 포함하며 상기 엔진제어신호에 의해 점화되는 고체연료와,
    좁은 입구의 노즐목과 전후방향으로 넓어지는 구조를 갖는 노즐베이스, 및 상기 노즐베이스의 표면상에 배치되어 노즐베이스를 보호하며 14 내지 16 중량%의 초속경 고강도 시멘트 몰탈을 포함하는 몰탈코팅층을 포함하여 상기 고체연료가 연소되어 발생하는 고온·고압의 가스를 운동에너지로 전환시키는 노즐부와,
    상기 고체연료를 포위하여 상기 고체연료가 연소되면서 발생된 열이 외부로 전달되는 것을 방지하는 단열부를 포함하는 엔진부재; 및
    상기 노즈콘을 제외한 나머지 부분의 외형을 커버하되 상기 노즐부가 개구된 케이스를 포함하고,
    상기 몰탈코팅층은 상기 노즐베이스 표면 중에서 상기 노즐목에 인접하는 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 고체연료 로켓.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고체연료 로켓의 연소 후에 상기 노즐베이스 상의 상기 사용된 몰탈코팅층을 제거하고 새로운 몰탈코팅층을 형성하고, 상기 고체연료를 재주입하여 재사용이 가능한 것을 특징으로 하는 고체연료 로켓.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 연료는 금속 알루미늄 분말 및 마그네슘 분말을 포함하는 그룹에서 선택되는 어느 하나 이상의 분말을 포함하며, 상기 산화제는 과염소산 암모늄(NH4ClO4), 질산 암모늄(NH4NO3), 질산 칼륨, 및 소르비톨로 이루어진 그룹에서 선택되는 하나 이상의 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체연료 로켓.
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