KR102262203B1 - 다단 분동를 활용하는 추력측정장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

다단 분동를 활용하는 추력측정장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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이재원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치는, 테이블에 장착되고 연료라인과 연결된 엔진부; 상기 테이블과 연결되고, 상기 엔진부의 연소 시험시 발생하는 반력에 의해 상기 테이블이 밀리는 힘을 전달받아 추력을 측정하는 측정부; 및 상기 측정부에, 다단 하중을 부가하여 상기 측정부를 보정하는 보정부를 포함하고, 상기 보정부는, 상기 테이블에 와이어를 통해 연결되는 다단 분동; 상기 테이블과 상기 다단 분동 사이의 상기 와이어를 지지하여 힘의 방향을 변경시키는 와이어 지지부; 및 상기 다단 분동에 의한 다단 하중이 상기 측정부에 선택적으로 부가되도록, 상승 또는 하강하여 상기 다단 분동을 선택적으로 지지하는 공압식 구조물을 포함한다.

Description

다단 분동를 활용하는 추력측정장치 및 이의 동작 방법{THRUST MEASUREMENT APPARATUS USING MULTILEVEL WEIGHT AND OPERATION METHOD OF THE SAME}
본 발명의 실시예는 다단 분동을 활용하는 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법, 특히 추력기의 연소시험에 사용되는 추력측정장치에서 다단계 구조의 분동을 활용하여 추력을 정확히 모사하고 이를 기준으로 추력기의 추력을 보정하는 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
일반적으로 로켓은, 연료와 산화제의 형태에 따라 액체로켓, 고체로켓, 하이브리드 로켓으로 구분된다.
액체로켓은 연소 시험을 통해 로켓엔진의 성능 평가를 수행한다. 구체적으로, 액체로켓은 로켓엔진의 노즐을 통해 분사되는 연소가스의 힘을 측정하여 로켓엔진의 추력 및 성능을 분석하게 된다.
로켓엔진은 대형 로켓엔진과 소형 로켓엔진으로 구분할 수 있다. 대형 로켓엔진 주추진의 경우는 연소가스에 의해 발생하는 추력의 6분력을 주로 측정하고, 소형 로켓엔진 보조추진의 경우는 연소가스에 의해 발생하는 추력의 1분력을 주로 측정한다.
대형 로켓엔진은 지상시험에서의 성능 평가시 추진체의 연소로 발생하는 연소가스가 노즐을 통해 대기 중에 분사될 때 로켓엔진의 상단에 설치된 엔진 어댑터를 통해 반력으로 전달되는 수평형 6분력 추력을 측정한다.
6분력은 X,Y,Z 축 방향의 직선힘과 X,Y,Z 각 방향으로의 회전을 합한 것으로 나타내며, 수평형 6분력 추력측정을 위해서는 미스얼라인먼트 및 스터링 특성을 구하게 된다. 그런데, 이 경우 각 방향의 힘을 정밀하게 측정하는 것이 요구되고 이를 위해 측정 정도 및 로켓엔진이 장착되는 시험대의 특성을 파악하는 것이 중요하다.
소형 로켓엔진은 지상시험에서의 성능 평가시 연소가스가 노즐을 통해 분사될 때 반력으로 전달되는 수평형 추력측정방법이 일반적이고 대체로 6분력이 아닌 1분력을 측정한다.
종래의 추력측정(보정)기구는 도르래, 와이어, 와이어 지지부, 무게추, 편심캠 및 스탭모터로 구성되어 있었다. 이러한 종래의 추력측정장치 및 이의 동작 방법의 경우, 로켓엔진의 정확한 추력을 얻는 것이 어려운 문제점이 있다.
또한, 종래의 소형 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법의 경우, 단일 무게추를 이용하여, 단일 수준의 추력만을 모사 가능하기 때문에 로드셀의 계측 전구간에 대한 시험 전후의 검증이 어려운 문제점이 있었다.
또한, 종래의 소형 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법의 경우, 무게추를 지지하는 캠 구조물의 모터류에서 발생하는 전자기파는 정밀 추력센서에 불특정 노이즈를 유발할 수 있는 문제점이 있었다.
한국공개특허 제10-2010-0077268호 '로켓 엔진의 추력측정 및 보정 장치와 그 방법'(2010.07.08. 공개) 한국공개특허 제10-2014-0122351호 ' 로켓엔진의 추력측정장치 및 이를 이용한 추력측정 및 추력보정방법'(2014.10.20. 공개)
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 다단 분동를 활용하여, 추력에 대한 측정 정확성을 향상시킬 수 있는 추력측정장치 및 이의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전 추력 구간에 대해 추력센서의 선형성 검증이 가능하여 보다 정밀한 추력 보정을 수행할 수 있는 추력측정장치 및 이의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 캠 구조물 대신 공압식 구조물을 이용하여, 전자기파로 인한 계측 노이즈 발생을 방지할 수 있는 추력측정장치 및 이의 동작 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치는, 테이블에 장착되고 연료라인과 연결된 엔진부; 상기 테이블과 연결되고, 상기 엔진부의 연소 시험시 발생하는 반력에 의해 상기 테이블이 밀리는 힘을 전달받아 추력을 측정하는 측정부; 및 상기 측정부에, 다단 하중을 부가하여 상기 측정부를 보정하는 보정부를 포함하고, 상기 보정부는, 상기 테이블에 와이어를 통해 연결되는 다단 분동; 상기 테이블과 상기 다단 분동 사이의 상기 와이어를 지지하여 힘의 방향을 변경시키는 와이어 지지부; 및 상기 다단 분동에 의한 다단 하중이 상기 측정부에 선택적으로 부가되도록, 상승 또는 하강하여 상기 다단 분동을 선택적으로 지지하는 공압식 구조물을 포함한다.
본 발명에서, 상기 측정부가 측정한 추력값을 저장하고, 상기 보정부를 제어하는 제어계측부를 포함한다.
본 발명에서, 상기 공압식 구조물은, 질소 봄베로부터 제공되는 질소의 압력을 이용하여 상승 또는 하강되고, 상기 제어계측부는, 상기 질소 봄베로부터 상기 공압식 구조물로의 질소의 유량을 제어한다.
본 발명에서, 상기 제어계측부는, 레귤레이터 및 미터링 밸브의 값 조정을 통해 상기 공압식 구조물의 하강 시간을 조절한다.
본 발명에서, 상기 제어계측부는, 오리피스의 변경을 통해 상기 공압식 구조물의 하강 시간을 조절한다.
본 발명에서, 상기 제어계측부는, 상기 연소 시험 전과 후의 추력값들을 비교하여, 상기 연소 시험 중 발생된 게인 및 오프셋의 변화를 감지하고 보정한다.
본 발명에서, 상기 다단 분동은, 본체부 및 상기 본체부로부터 연장되며 고정구멍이 형성된 연결부를 포함하는 기준 분동; 및 내부에 상기 본체부가 삽입되기 위한 제1 공동이 형성되며, 상부에 상기 연결부가 관통되기 위한 제1 관통공이 형성된 제1 분동을 포함하고, 상기 본체부는 기준 높이를 갖고, 상기 제1 공동은 상기 기준 높이보다 큰 제1 깊이를 가진다.
본 발명에서, 상기 다단 분동은, 내부에 상기 제1 분동이 삽입되기 위한 제2 공동이 형성되며, 상부에 상기 연결부가 관통되기 위한 제2 관통공이 형성된 제2 분동을 더 포함하고, 상기 제1 분동은 제1 높이를 갖고, 상기 제2 공동은, 상기 제1 높이보다 큰 제2 깊이를 가진다.
본 발명에서, 상기 제2 깊이 및 상기 제1 높이의 차이는, 상기 제1 깊이 및 상기 기준 높이의 차이보다 크다.
본 발명에서, 상기 공압식 구조물은, 단동형 실린더 및 복동형 실린더 중 어느 하나를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 동작 방법은, 엔진부의 연소 시험 전, 측정부에, 다단 하중을 부여하여 상기 측정부를 보정하는 단계; 상기 엔진부의 연소 시험을 실시하여, 연소 시험시 발생하는 반력에 의해 테이블이 밀리는 힘을 상기 측정부가 전달받아 추력을 측정하는 단계; 및 상기 엔진부의 연소 시험 후, 상기 측정부에, 다단 하중을 부여하여 상기 측정부를 보정하는 단계를 포함하고, 상기 엔진부의 연소 시험 전, 상기 측정부를 보정하는 단계 및 상기 엔진부의 연소 시험 후, 상기 측정부를 보정하는 단계는, 상기 테이블에 와이어를 매개로 연결되는 다단 분동을 이용하며, 상기 다단 분동은 공압식 구조물에 의해 제어되어 상기 측정부에 다단 하중을 부여한다.
본 발명의 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법은, 다단 분동를 활용하여, 추력에 대한 측정 정확성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법은, 전 추력 구간에 대해 추력센서의 선형성 검증이 가능하여 보다 정밀한 추력 보정을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법은, 캠 구조물 대신 공압식 구조물을 이용하여, 전자기파로 인한 계측 노이즈 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 다단 분동을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 다단 분동의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 다단 분동의 다단 하중이 인가되지 않을 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 기준 분동의 하중이 인가될 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기준 분동 및 제1 분동의 하중이 인가될 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기준 분동, 제1 분동 및 제2 분동의 하중이 인가될 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다.
본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.
동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. "및/또는"은 연관된 구성들이 정의할 수 있는 하나 이상의 조합을 모두 포함할 수 있다.
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. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
또한, "아래에", "하측에", "위에", "상측에" 등의 용어는 도면에 도시된 구성들의 연관관계를 설명하기 위해 사용된다. 상기 용어들은 상대적인 개념으로, 도면에 표시된 방향을 기준으로 설명된다.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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.
즉, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치(10)를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 로켓엔진(11)은 테이블(21)에 장착되고, 연료라인(13)과 연결되며, 연소기(15)와 노즐(17)을 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 로켓엔진(11)은 엔진부로 지칭될 수 있다.
연소기(15)는 스테인리스 스틸　재질로 되어 있으며, 노즐(17)은 내열합금으로 구성되어 연소에 의한 열에 견디도록 설계될 수 있다. 연료라인(13)은 연료를 연소기(15)로 공급할 수 있도록 연료저장탱크(1)와 연결될 수 있다.
연소기(15)에서 연료와 산화제가 기화 및 연소 반응하여 고온 고압의 연소가스가 발생하고 추력을 얻을 수 있다. 연료는 액체수소, 산화제는 액체산소가 사용될 수 있다.
로켓엔진(11)은 연료라인(13)을 통해 공급된 연료가 적색으로 발열되며 연소기(15)에서 연소하고, 연소에 의해 발생된 연소가스가 노즐(17)을 통해 분사될 수 있다.
로드셀(31)은, 연소가스가 노즐(17)을 통해 분사될 때 반력으로 전달되는 수평형 1분력 추력 성분을 측정할 수 있다. 여기서, 1분력은 연소가스가 분사되는 방향으로의 직선방향 힘을 나타낸다. 본 명세서에서, 로드셀(31)은 측정부로 지칭될 수 있다.
테이블(21)은 지상 또는 베이스의 상부에 배치된 프레임(23)의 상면에 설치될 수 있다. 프레임(23)은 테이블(21), 로드셀(31) 및 후술할 다른 구성요소들을 지지할 수 있도록 구성되는 부재이다. 프레임(23)에는 로드셀, 와이어 지지부가 더 설치될 수 있다.
테이블(21)은 판 스프링(25)에 의해 프레임(23)에 지지될 수 있다. 테이블(21)의 저면에 두 개의 판 스프링(25)이 이격되게 설치되고, 각각의 판 스프링(25)은 하부가 프레임(23)에 브라켓(27) 및 볼트(29)를 매개로 고정될 수 있다. 테이블(21)과 두 개의 판 스프링(25)은 일체로 제작되거나 용접에 의해 고정될 수 있다.
본 실시예에서 판 스프링(25)은 하부가 대향되게 배치된 "ㄴ" 형상의 브라켓(27) 사이에 끼워지며 브라켓(27)은 테이블(21)에 볼트(29)로 고정된다. 판 스프링(25)은 로켓엔진(11)의 연소시의 연소가스의 반력에 의해 저항 손실 없이 테이블(21)이 로드셀(31) 방향으로 밀리도록 한다.
로켓엔진(11)의 연소를 통한 성능 평가시, 정확한 추력측정이 중요하나 계측되는 물리량에 대한 보정도 중요하다. 계측되는 물리량에 대한 보정을 위해 판 스프링(25)이 채용된다. 판 스프링(25)은 추력측정시 테이블(21)에 의한 저항 손실을 최소화하여 소형로켓의 미소 추력측정시 발생할 수 있는 오차 발생을 줄일 수 있다.
로드셀(31)은 로켓엔진(11)의 후단측으로 프레임(23)의 상면에 설치된다. 로드셀(31)은 사각 박스형태이며 테이블(21)과 로드(33)를 통해 연결된다.
로드셀(31)은 로켓엔진(11)의 연소 시험시 연소가스의 반력에 의해 테이블(21)이 밀리는 힘을 로드(33)를 통해 전달받아 추력을 측정할 수 있다. 실시예에 따라, 로드셀(31)은 힘이나 하중 등의 물리량을 전기적 신호로 변화시켜 힘이나 하중을 측정하는 하중감지센서로 구현될 수 있다.
로드(33)는 테이블(21) 방향으로 돌출되게 로드셀(31)에 설치된 로드셀 로드(35)와, 로드셀(31)의 방향으로 돌출되게 테이블(21)에 설치된 푸시 로드(37)와, 로드셀 로드(35)와 푸시 로드(37)를 연결하는 커넥터(39)를 포함할 수 있다.
푸시 로드(37)가 커넥터(39)를 통해 로드셀 로드(35)와 연결되고 테이블(21)이 로드셀(31) 방향으로 밀리면 푸시 로드(37), 로드셀 로드(35), 로드셀(31)에 압력을 주어 로켓엔진(11)의 추력이 측정될 수 있다.
보정수단(41)은 로드셀(31)에 단계적 하중을 부가할 수 있다. 본 명세서에서, 보정수단(41)은 보정부로 지칭될 수 있다. 본 명세서에서, 다단 하중이란, 적어도 두가지 이상의 하중을 의미할 수 있다.
이를 위하여, 보정수단(41)은 와이어(43), 다단 분동(45), 와이어 지지부(47), 받침대(48), 공압식 구조물(49)을 포함할 수 있다.
다단 분동(45)은 와이어(43)를 통해 테이블(21)에 연결될 수 있다. 다단 분동(45)은 연소 시험 전과 후에 로드셀(31)에 원하는 하중을 가하여 로드셀(31)을 보정할 수 있다. 다단 분동(45)의 구조에 대한 상세한 내용은 도 2 및 도 3에서 설명된다.
즉, 로켓엔진(11)이 장착되는 반대편에 다단 분동(45)을 설치하여 테이블(21)을 로드셀(31) 방향으로 당김으로써 로드셀(31)에 원하는 하중이 부가되게 하여 로드셀(31)을 보정한다.
로켓엔진(11)의 연소 시험을 전후로 하여 로켓엔진(11)에서 발생하는 열의 전달로 인하여 추력측정장치의 테이블(21) 및 판 스프링(25)의 탄성 조건이 변할 수 있다. 테이블(21) 및 판 스프링(25)의 탄성 조건이 변하면 추력 범위가 변화(shift)되거나 추력 폭(span)이 변화될 수 있다. 따라서, 연소 시험 전 다단 분동(45)을 이용하여 로드셀(31)의 사전 교정을 수행할 수 있다.
테이블(21)과 다단 분동(45) 사이에 와이어(43)를 지지하는 와이어 지지부(47)가 설치된다. 와이어 지지부(47)는 프레임(23)에 세워지게 설치되는 한 쌍의 지지대(47a)와 지지대(47a) 사이에 설치되어 테이블(21)에 연결되고 로켓엔진(11)이 장착되는 반대편 수평방향으로 연장되는 와이어(43)를 다시 하부 수직방향으로 연장되게 힘의 방향을 바꿔주는 지지롤(47b)로 구성된다.
와이어 지지부(47)를 통해 수직방향으로 연장된 와이어(43)는 프레임(23)의 외측으로 매달리게 위치되어 로드셀(31)에 하중을 가할 수 있도록 된다.
지지대(47a)는 프레임(23)의 외측으로 매달린 다단 분동(45)과 프레임(23)의 간섭이 방지되도록 프레임(23)의 상면에 소정각도 기울어진 형태로 세워져 설치된다.
공압식 구조물(49)은 상승 또는 하강하는 방식으로 다단 분동(45)이 배치된 받침대(48)를 선택적으로 지지할 수 있다. 공압식 구조물(49)은 다단 분동(45)에 의한 다단 하중이 로드셀(31)에 선택적으로 부가되도록 상승 또는 하강할 수 있다. 공압식 구조물(49)은 질소 봄베(미도시)로부터 제공되는 질소의 압력을 이용하여 상승 또는 하강할 수 있다.
실시예에 따라, 공압식 구조물(49)은 단동형 실린더 및 복동형 실린더 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
제어계측부(63)는 로드셀(31)이 측정한 로켓엔진(11)의 추력이 저장되고 보정수단(41)의 작동을 제어할 수 있다. 또한, 제어계측부(63)는 연소 시험시 연료저장탱크(1)의 연료를 연료라인(13)을 통해 로켓엔진(11)에 공급하도록 연료저장탱크(1)의 개폐를 제어할 수 있다. 제어계측부(63)는, 질소 봄베(미도시)로부터 공압식 구조물(49)로의 질소의 유량을 제어할 수 있다.
상세하게는, 제어계측부(63)는, 레귤레이터(regulator) 및 미터링 밸브의 값을 조정함으로써, 공압식 구조물(49)의 하강 시간을 조절할 수 있다. 실시예에 따라, 제어계측부(63)는 오리피스(orifice)의 변경을 통해 공압식 구조물의 하강시간을 조절할 수 있다.
제어계측부(63)는, 연소 시험의 전과 후의 추력값들을 비교함으로써, 연소 시험 중에 발생된 게인(gain) 및 오프셋(offset)의 변화를 감지하고 보정을 수행할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 동작 방법이 설명된다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 추력측정방법이 설명된다.
테이블(21)은, 로켓엔진(11)의 연소 시험시 노즐(17)을 통해 분사되는 연소가스 반력에 의해 제1 방향(D1)으로 밀릴 수 있다. 로드셀(31)은 테이블(21)로부터 로드(33)를 통해 제1 방향(D1)으로 전달된 힘을 측정할 수 있다. 로드셀(31)이 측정한 추력은 제어계측부(63)에 저장될 수 있다.
즉, 로드셀(31)은, 연소가스가 노즐(17)을 통해 분사될 때 반력으로 전달되는 수평형 1분력의 추력 성분을 측정할 수 있다.
로켓엔진(11)의 연소는, 연료저장탱크(1)의 연료를 연료라인(13)을 통해 연소기(15)로 공급하고, 메인전원(미도시) 및 제어계측부(63)에 전원을 공급하여 수행할 수 있다.
추력측정시 판 스프링(25)은 저항손실을 최소화하여 미세한 추력측정시 발생할 수 있는 오차를 줄여 정확한 추력을 얻을 수 있다.
로드셀(31)은, 연소가스의 반력에 의해 테이블(21)이 제1 방향(D1), 즉, 로드셀(31)을 향하는 방향으로 밀리는 경우, 푸시 로드(37)→로드셀 로드(35)→로드셀(31)에 압력을 주어는 방식으로 추력을 측정한다. 로드셀(31)은 물리적인 변형없이 하중을 전기적 신호로 직접 변환시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 추력보정방법이 설명된다.
추력보정방법은 연소 시험 전, 후로 로드셀(31)을 보정하는 것이다. 로드셀(31)에 하중이 작용하여 변형이 발생하거나 로켓엔진(11)에서 발생하는 열의 전도로 인해 테이블(21) 및 판 스프링(25)의 탄성 조건이 변할 수 있다.
따라서, 연소 시험 전, 후로 다단 분동(45)을 이용하여 로드셀(31)에 다단 하중을 부가하고 제거하는 과정을 통해, 기준값을 확보한 후 중간 추력을 보정해주면 정확한 추력이 측정 가능하다.
로드셀(31)의 보정시, 공압식 구조물(49)의 받침대(48)가 제2 방향(D2)의 반대 방향을 따라 하강하고, 받침대(48) 상에 배치된 다단 분동(45)이 와이어(43)를 제1 방향(D1)으로 당길 수 있다. 이에 따라, 다단 분동(45)에 의한 다단 하중이 로드셀(31)에 부가될 수 있다.
그리고, 연소 시험 중에는 공압식 구조물(49)의 받침대(48)가 상승하여 다단 분동(45)을 지지하게 되므로, 다단 분동(45)에 의한 다단 하중이 로드셀(31)에 부가되지 않는다.
본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 동작 방법은 로켓엔진(11)의 연소 시험 전, 로드셀(31)에 다단 하중을 부여하여 로드셀(31)을 보정하는 단계와, 로드셀(31)을 보정하는 단계 후, 로켓엔진(11)의 연소 시험을 실시하여 연소 시험시 발생하는 반력에 의해 테이블이 밀리는 힘을 로드(33)를 통해 로드셀(31)이 전달받아 추력을 측정하는 단계와, 로켓엔진(11)의 연소 시험 후, 로드셀(31)에 다단 하중을 부여하여 로드셀(31)을 보정하는 단계를 포함한다.
로드셀(31)을 보정하는 단계는, 테이블(21)에 와이어(43)를 매개로 연결되는 다단 분동(45)을 이용하며, 다단 분동(45)은 공압식으로 제어되어 로드셀(31)에 다단 하중을 부여한다.
추력을 측정하는 단계는, 테이블(21)이 판 스프링(25)에 지지되어 저항 손실 없이 연소 시험시 발생하는 반력이 로드셀(31)에 전달되도록 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 다단 분동(45)을 나타내는 도면이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 다단 분동(45)의 단면을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 다단 분동(45)은 연소 시험 전과 후에 로드셀(31)에 원하는 하중을 가하여 로드셀(31)을 보정할 수 있다.
이를 위하여, 다단 분동(45)은 기준 분동(50) 및 제1 분동(100)을 포함할 수 있다. 또한, 다단 분동(45)은, 제2 분동(200)을 더 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따라 다단 분동(45)은 4개 이상의 분동을 포함할 수 있다.
기준 분동(50)은 다단 분동(45)의 기본 골격을 형성할 수 있다. 예컨대, 기준 분동(50)은 본체부(51) 및 연결부(52)를 포함할 수 있다.
본체부(51)는 단일 무게추로 구현될 수 있다. 도시된 바와 같이, 본체부(51)의 상면은 평면 형상 및 원뿔 형상 중 적어도 하나로 구현될 수 있다. 연결부(52)는 본체부(51) 상에 배치될 있다. 또한, 연결부(52)는 제2 방향(D2)(예컨대, 높이 방향)을 따라 연장될 수 있다. 실시예에 따라, 본체부(51) 및 연결부(52)는 적어도 일부가 원기둥 형상으로 구현될 수 있다. 본체부(51)는 기준 높이(HR)를 가질 수 있다.
연결부(52)에는 고정구멍(53)이 형성될 수 있다. 고정구멍(53)으로 와이어(43, 도 1 참조)가 관통함으로써, 와이어(43) 및 기준 분동(50)은 서로 연결될 수 있다.
제1 분동(100)은 다단 분동(45)이 다단 하중을 제공하기 위해 추가로 구비될 수 있다. 제1 분동(100)은 도넛형의 껍질 구조로 구현될 수 있다.
예컨대, 제1 분동(100)의 내부에 제1 공동(110)이 형성될 수 있다. 제1 공동(110)은 기준 분동(50)의 본체부(51)가 삽입되기 위한 공간일 수 있다.
또한, 제1 분동(100)의 상부에 제1 관통공(P1)이 형성될 수 있다. 제1 관통공(P1)은 기준 분동(50)의 연결부(52)가 관통되기 위한 구멍일 수 있다.
제1 공동(110)은 제1 깊이(G1)를 가질 수 있다. 실시예에 따라, 제1 깊이(G1)는 기준 높이(HR)보다 클 수 있다.
제1 분동(100)은 제1 높이(H1)를 가질 수 있다.
제2 분동(200)은 다단 분동(45)이 다단 하중을 제공하기 위해 추가로 구비될 수 있다. 제2 분동(200)은 제1 분동(100) 보다 큰 도넛형의 껍질 구조로 구현될 수 있다.
예컨대, 제2 분동(200)의 내부에 제2 공동(210)이 형성될 수 있다. 제2 공동(210)은 제1 분동(100)이 삽입되기 위한 공간일 수 있다.
또한, 제2 분동(200)의 상부에 제2 관통공(P2)이 형성될 수 있다. 제2 관통공(P2)은 기준 분동(50)의 연결부(52)가 관통되기 위한 구멍일 수 있다.
제2 공동(210)은 제2 깊이(G2)를 가질 수 있다. 실시예에 따라, 제2 깊이(G2)는 제1 높이(H1)보다 클 수 있다.
제2 분동(200)은 제2 높이(H2)를 가질 수 있다.
실시예에 따라, 제2 깊이(G2) 및 제1 높이(H1)의 차이는, 제1 깊이(G1) 및 기준 높이(HR)의 차이보다 클 수 있다.
또한, 제2 높이(H2)는 기준 분동(50)의 전체 높이보다 작을 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 다단 분동의 하중이 인가되지 않을 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 기준 분동의 하중이 인가될 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기준 분동 및 제1 분동의 하중이 인가될 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 기준 분동, 제1 분동 및 제2 분동의 하중이 인가될 때의 추력측정장치의 구조를 나타내는 도면이다.
설명의 편의를 위하여, 도 4 내지 도 7에서, 공압식 구조물(49)의 높이가 0.7m에서 0.4m로 변화하는 것으로 도시되었다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적을 달성하는 범위 내에서, 상기 설정 값은 다양하게 변화할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 공압식 구조물(49)의 높이는 0.7m이며, 다단 분동(45)의 모든 분동들의 하면은 받침대(48)에 접촉한다. 이때, 다단 분동(45)의 하중이 와이어(43)를 통해 로드셀(31)로 부가되지 않는다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 공압식 구조물(49)의 높이는 0.6m이며, 다단 분동(45)의 제1 분동(100) 및 제2 분동(200)의 하면은 받침대(48)에 접촉한다. 이때, 기준 분동(50)의 하중이 와이어(43)를 통해 로드셀(31)로 부가된다.
도 1 내지 도 6를 참조하면, 공압식 구조물(49)의 높이는 0.5m이며, 다단 분동(45)의 제2 분동(200)의 하면은 받침대(48)에 접촉한다. 이때, 기준 분동(50) 및 제1 분동(100)의 하중이 와이어(43)를 통해 로드셀(31)로 부가된다.
도 3에서 설명된 바와 같이, 제2 깊이(G2) 및 제1 높이(H1)의 차이는, 제1 깊이(G1) 및 기준 높이(HR)의 차이보다 클 수 있고, 이 경우, 추력측정장치(10)는 도 6에 도시된 바와 같이 동작할 수 있다.
도 1 내지 도 7를 참조하면, 공압식 구조물(49)의 높이는 0.4m이며, 다단 분동(45)은 받침대(48)에 접촉하지 않는다. 이때, 다단 분동(45)의 하중이 와이어(43)를 통해 로드셀(31)로 부가된다.
상술한 방식을 통해, 보정수단(41)은 다단 분동(45) 및 공압식 구조물(49)을 이용하여, 로드셀(31)로 다단 하중을 부가할 수 있다. 따라서, 본 발명의 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법은, 전 추력 구간에 대해 추력센서의 선형성 검증이 가능하여 보다 정밀한 추력 보정을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다. 도 8에서는 공압식 구조물의 동작에 따른 인가 하중과 그 그래프가 예시적으로 도시된다.
도 8을 참조하면, 시험순서 1에서, 공압식 구조물(예컨대, 공압 실린더)의 작동 시간은 1s로 설정되고, 공업 실린더의 위치 유지시간은 3s로 설정될 수 있다. 이때, 예상 추력 계측값은 1N일 수 있다.
시험순서 2에서, 공압 실린더의 작동 시간은 1.2s로 설정되고, 공업 실린더의 위치 유지시간은 3s로 설정될 수 있다. 이때, 예상 추력 계측값은 3N일 수 있다.
시험순서 3에서, 공압 실린더의 작동 시간은 1.5s로 설정되고, 공업 실린더의 위치 유지시간은 3s로 설정될 수 있다. 이때, 예상 추력 계측값은 5N일 수 있다.
시험순서 1 내지 3은, 연소 시험 이전에(프리로드; pre-load) 보정수단을 이용하여, 로드셀에 다단 하중을 인가하고, 그에 따라 추력 계측값을 측정하는 단계일 수 있다.
시험순서 4에서, 로켓 엔진에 대한 연소 시험이 수행될 수 있다.
시험순서 5 내지 7에서, 시험순서 1 내지 3과 동일한 조건으로 추력 계측값이 측정될 수 있다.
즉, 시험순서 5에서, 공압 실린더의 작동 시간은 1s로 설정되고, 공업 실린더의 위치 유지시간은 3s로 설정될 수 있다. 이때, 예상 추력 계측값은 1N일 수 있다.
시험순서 6에서, 공압 실린더의 작동 시간은 1.2s로 설정되고, 공업 실린더의 위치 유지시간은 3s로 설정될 수 있다. 이때, 예상 추력 계측값은 3N일 수 있다.
시험순서 7에서, 공압 실린더의 작동 시간은 1.5s로 설정되고, 공업 실린더의 위치 유지시간은 3s로 설정될 수 있다. 이때, 예상 추력 계측값은 5N일 수 있다.
시험순서 5 내지 7은, 연소 시험 이후에(포스트로드; post-load) 보정수단을 이용하여, 로드셀에 다단 하중을 인가하고, 그에 따라 추력 계측값을 측정하는 단계일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 다단 하중이 인가됨에 따라, 추력 계측값의 선형적 측정이 가능해질 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치는 보다 정밀한 보정을 수행할 수 있으므로, 추력 측정 정확성이 향상될 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 추력측정장치의 동작 방법을 나타내는 도면이다. 도 9에서는 공압식 구조물의 작동 시간에 따른 높이 변화량이 예시적으로 도시된다.
도 9를 참조하면, 공압식 구조물(예컨대, 공압 실린더)의 초기 작동 높이는 70cm이고, 시간이 경과함에 따라, 그 높이가 낮아질 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 동작 초기에, 시간이 흘러감에 따라 공압 실린더의 작동 높이는 선형적으로 감소한다. 그러나, 임계 구간을 지나고 나면, 공압 실린더의 작동 높이는 더 이상 감소하지 않고, 20cm에서 멈추는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법은, 다단 분동를 활용하여, 추력에 대한 측정 정확성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법은, 전 추력 구간에 대해 추력센서의 선형성 검증이 가능하여 보다 정밀한 추력 보정을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 로켓엔진의 추력측정장치 및 이의 동작 방법은, 캠 구조물 대신 공압식 구조물을 이용하여, 전자기파로 인한 계측 노이즈 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면, 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.
10: 추력측정장치 11: 로켓엔진
21: 로드 31: 로드셀
33: 로드 41: 보정수단
43: 와이어 45: 다단 분동
49: 공압식 구조물 50: 기준 분동
100: 제1 분동 200: 제2 분동

Claims (11)

  1. 테이블에 장착되고 연료라인과 연결된 엔진부;
    상기 테이블과 연결되고, 상기 엔진부의 연소 시험시 발생하는 반력에 의해 상기 테이블이 밀리는 힘을 전달받아 추력을 측정하는 측정부; 및
    상기 측정부에, 다단 하중을 부가하여 상기 측정부를 보정하는 보정부를 포함하고,
    상기 보정부는,
    상기 테이블에 와이어를 통해 연결되는 다단 분동;
    상기 테이블과 상기 다단 분동 사이의 상기 와이어를 지지하여 힘의 방향을 변경시키는 와이어 지지부; 및
    상기 다단 분동에 의한 다단 하중이 상기 측정부에 선택적으로 부가되도록, 상승 또는 하강하여 상기 다단 분동을 선택적으로 지지하는 공압식 구조물을 포함하고,
    상기 다단 분동은,
    본체부 및 상기 본체부로부터 연장되며 고정구멍이 형성된 연결부를 포함하는 기준 분동; 및
    내부에 상기 본체부가 삽입되기 위한 제1 공동이 형성되며, 상부에 상기 연결부가 관통되기 위한 제1 관통공이 형성된 제1 분동을 포함하고,
    상기 본체부는 기준 높이를 갖고, 상기 제1 공동은 상기 기준 높이보다 큰 제1 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정부가 측정한 추력값을 저장하고, 상기 보정부를 제어하는 제어계측부를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공압식 구조물은, 질소 봄베로부터 제공되는 질소의 압력을 이용하여 상승 또는 하강되고,
    상기 제어계측부는, 상기 질소 봄베로부터 상기 공압식 구조물로의 질소의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어계측부는, 레귤레이터 및 미터링 밸브의 값 조정을 통해 상기 공압식 구조물의 하강 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어계측부는, 오리피스의 변경을 통해 상기 공압식 구조물의 하강 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제어계측부는, 상기 연소 시험 전과 후의 추력값들을 비교하여, 상기 연소 시험 중 발생된 게인 및 오프셋의 변화를 감지하고 보정하는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다단 분동은,
    내부에 상기 제1 분동이 삽입되기 위한 제2 공동이 형성되며, 상부에 상기 연결부가 관통되기 위한 제2 관통공이 형성된 제2 분동을 더 포함하고,
    상기 제1 분동은 제1 높이를 갖고, 상기 제2 공동은, 상기 제1 높이보다 큰 제2 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 깊이 및 상기 제1 높이의 차이는,
    상기 제1 깊이 및 상기 기준 높이의 차이보다 큰 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 공압식 구조물은,
    단동형 실린더 및 복동형 실린더 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    추력측정장치.
  11. 엔진부의 연소 시험 전, 측정부에, 다단 하중을 부여하여 상기 측정부를 보정하는 단계;
    상기 엔진부의 연소 시험을 실시하여, 연소 시험시 발생하는 반력에 의해 테이블이 밀리는 힘을 상기 측정부가 전달받아 추력을 측정하는 단계; 및
    상기 엔진부의 연소 시험 후, 상기 측정부에, 다단 하중을 부여하여 상기 측정부를 보정하는 단계를 포함하고,
    상기 엔진부의 연소 시험 전, 상기 측정부를 보정하는 단계 및 상기 엔진부의 연소 시험 후, 상기 측정부를 보정하는 단계는, 상기 테이블에 와이어를 매개로 연결되는 다단 분동을 이용하며, 상기 다단 분동은 공압식 구조물에 의해 제어되어 상기 측정부에 상기 다단 하중을 부여하고,
    상기 다단 분동은,
    본체부 및 상기 본체부로부터 연장되며 고정구멍이 형성된 연결부를 포함하는 기준 분동; 및
    내부에 상기 본체부가 삽입되기 위한 제1 공동이 형성되며, 상부에 상기 연결부가 관통되기 위한 제1 관통공이 형성된 제1 분동을 포함하고,
    상기 본체부는 기준 높이를 갖고, 상기 제1 공동은 상기 기준 높이보다 큰 제1 깊이를 갖는 것을 특징으로 하는 추력측정장치의 동작 방법.
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