KR102434970B1 - 산화제 및 연료를 이용하는 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실 및 이를 포함하는 로켓 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산화제 및 연료를 이용하는 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실 및 이를 포함하는 로켓에 관한 발명이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실은 냉각 채널을 포함하는 이너 월, 상기 이너 월의 외측면을 커버하도록 배치되는 아우터 자켓, 상기 아우터 자켓의 일측에 배치되며, 연료를 상기 냉각 채널로 공급하는 제1 배관 및 상기 아우터 자켓의 타측에 배치되며, 산화제를 상기 냉각 채널로 공급하는 제2 배관을 포함한다.

Description

산화제 및 연료를 이용하는 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실 및 이를 포함하는 로켓{REGENERATIVE COOLING NOZZLE OF COMBUSTOR OF ROCKET ENGINE USING OXIDIZER AND FUEL AND ROCKET INCLUDING THE SAME FEATURE}

본 발명은 로켓 연진의 연소기에 배치되는 재생 냉각 추력실과 이를 포함하는 로켓으로서, 보다 구체적으로는 산화제 및 연료를 이용해 재생 냉각을 실시하는 추력실 및 이를 포함하는 로켓에 관한 것이다.

로켓 엔진은 추진제(propellant)를 연소시켜 고온 고압의 가스와 화염을 배출함으로써 추진력을 얻는 장치이다. 따라서 연소가 진행됨에 따라 엔진은 고온이 되며, 연소 효율을 높이기 위해서는 고온의 연소기를 냉각하는 시스템이 필요하다.

로켓 엔진의 연소기를 냉각하는 방법으로는 연소기보다 상대적으로 저온의 유체를 분사하여 냉각하는 막 냉각(film cooling), 융제 재료(ablative material)를 이용한 냉각, 배출 냉각, 침투 냉각, 복사 냉각 또는 코팅을 이용한 열 차폐 방법 등이 있다.

다양한 냉각 방법 중 재생 냉각(regenerative cooling)은 펌프에 의해 가압되어 유동하는 추진제의 일부 또는 전체를 연소기의 추력실 냉각 채널을 따라 이동시키면서 내부 벽면을 냉각한다. 즉, 재생 냉각은 연소기에 비해 상대적으로 저온인 추진제를 이용해 연소기를 냉각시킨다.

대부분의 로켓에서 채택하고 있는 이원 추진제(bipropellant)를 사용하는 엔진에서는 추진제로 연료(fuel)와 산화제(oxidizer)를 사용한다. 이원 추진제 로켓에서 종래의 재생 냉각은 연료만을 이용해 연소기 추력실을 냉각하기 때문에, 연소기 추력실을 충분히 냉각하기 어려운 경우가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 연소기 추력실의 일부에 막 냉각(film cooling)부를 배치하여, 연료를 흘려보내 냉각을 실시한다. 그러나 막 냉각은 연소기의 연소 효율을 떨어뜨리기 때문에 엔진 전체의 효율이 떨어지는 문제가 있다.

전술한 배경 기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지 기술이라 할 수는 없다.

등록특허공보 제10-0925541호

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 연료뿐만 아니라 산화제를 이용해 연소기 추력실을 효율적으로 냉각할 수 있으며, 연소기 추력실에서의 국소적인 온도 편차를 해소할 수 있는 산화제 및 연료를 이용하는 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실 및 이를 포함하는 로켓을 제공한다.

다만 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실은 냉각 채널을 포함하는 이너 월, 상기 이너 월의 외측면을 커버하도록 배치되는 아우터 자켓, 상기 아우터 자켓의 일측에 배치되며, 연료를 상기 냉각 채널로 공급하는 제1 배관 및 상기 아우터 자켓의 타측에 배치되며, 산화제를 상기 냉각 채널로 공급하는 제2 배관을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실에 있어서, 상기 냉각 채널은 상기 제1 배관에서 공급된 연료가 유동하는 제1 냉각 채널 및 상기 제2 배관에서 공급된 산화제가 유동하는 제2 냉각 채널을 포함하고, 상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널은 상기 이너 월의 외측면 상에 원주 방향으로 복수 개가 교대로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실에 있어서, 상기 제1 냉각 채널을 따라 유동하는 연료는 상기 제1 냉각 채널의 일단에 배치된 연료 입구를 통해 상기 이너 월의 내부로 유입되고, 상기 제2 냉각 채널을 따라 유동하는 산화제는 상기 제2 냉각 채널의 일단과 연결된 산화제 유로를 통해 이동할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실에 있어서, 상기 이너 월은 길이 방향으로 입구부, 출구부 및 상기 입구부와 상기 출구부 사이에 배치되는 콜렉터부를 구비하고, 상기 냉각 채널은 상기 제1 배관 및 상기 제2 배관에서 유입된 연료 및 산화제가, 상기 입구부를 향해 유동하는 추력실 냉각 채널을 포함하고, 상기 콜렉터부는 상기 추력실 냉각 채널을 따라 유동하는 연료 및 산화제를 각각 혼합할 수 있으며 다시 분기할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실에 있어서, 상기 제1 배관 및 상기 제2 배관은 상기 아우터 자켓의 길이 방향 중심에 대해 일측에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실에 있어서, 상기 아우터 자켓의 외주면을 따라 배치되며, 연료와 산화제가 유동하는 공급 배관을 더 포함하고, 상기 제1 배관과 상기 제2 배관은 격벽에 의해 구획된 상기 공급 배관의 서로 다른 영역일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실에 있어서, 상기 공급 배관은 상기 연료가 유입되며 상기 제1 배관과 연결되는 제1 유입구와, 상기 산화제가 유입되며 상기 제2 배관과 연결되는 제2 유입구를 구비하고, 상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구는 상기 아우터 자켓의 외주면 상에 길이 방향으로 동일한 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실은 적층 제조에 의해 일체로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓은 산화제가 저장되는 산화제 탱크와, 연료가 저장되는 연료 탱크와, 재생 냉각 추력실을 구비하는 연소기를 포함하는 로켓으로서, 상기 재생 냉각 추력실은 냉각 채널을 포함하는 이너 월, 상기 이너 월의 외측면을 커버하도록 배치되는 아우터 자켓, 상기 아우터 자켓의 일측에 배치되며, 연료를 상기 냉각 채널로 공급하는 제1 배관 및 상기 아우터 자켓의 타측에 배치되며, 산화제를 상기 냉각 채널로 공급하는 제2 배관을 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓에 있어서, 상기 냉각 채널은 상기 제1 배관에서 공급된 연료가 유동하는 제1 냉각 채널 및 상기 제2 배관에서 공급된 산화제가 유동하는 제2 냉각 채널을 포함하고, 상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널은 상기 이너 월의 외측면 상에 원주 방향으로 복수 개가 교대로 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓에 있어서, 상기 제1 냉각 채널을 따라 유동하는 연료는 상기 제1 냉각 채널의 일단에 배치된 연료 출구를 통해 상기 이너 월의 내부로 유입되고, 상기 제2 냉각 채널을 따라 유동하는 산화제는 상기 제2 냉각 채널의 일단에 배치된 산화제 출구를 통해 외부로 배출될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓에 있어서, 상기 이너 월은 길이 방향으로 입구부, 출구부 및 상기 입구부와 상기 출구부 사이에 배치되는 콜렉터부를 구비하고, 상기 냉각 채널은 상기 제1 배관 및 상기 제2 배관에서 유입된 연료 및 산화제가, 상기 입구부를 향해 유동하는 추력실 냉각 채널을 포함하고, 상기 콜렉터부는 상기 추력실 냉각 채널을 따라 유동하는 연료 및 산화제 각각을 혼합할 수 있으며 다시 분기할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓에 있어서, 상기 제1 배관 및 상기 제2 배관은 상기 아우터 자켓의 길이 방향 중심에 대해 일측에 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓에 있어서, 상기 아우터 자켓의 외주면을 따라 배치되며, 연료와 산화제를 공급받는 고리 형상의 공급 배관을 더 포함하고, 상기 제1 배관과 상기 제2 배관은 격벽에 의해 구획된 상기 공급 배관의 서로 다른 영역일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓에 있어서, 상기 공급 배관은 상기 연료가 유입되며 상기 제1 배관과 연결되는 제1 유입구와, 상기 산화제가 유입되며 상기 제2 배관과 연결되는 제2 유입구를 구비하고, 상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구는 상기 아우터 자켓의 외주면 상에 길이 방향으로 동일한 위치에 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 로켓에 있어서, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실은 적층 제조에 의해 일체로 형성될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실 및 이를 포함하는 로켓은 산화제와 연료를 모두 연소기의 재생 냉각에 참여시킴으로써, 보다 효율적으로 신속하게 연소기를 냉각할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실 및 이를 포함하는 로켓은 산화제와 연료가 유동하는 재생 냉각 채널을 연소기 추력실의 길이 방향을 따라 전체적으로 배치하여, 냉매의 열전달률의 차이에 따른 국소적인 온도 편차를 해소할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실 및 이를 포함하는 로켓은 냉각이 완료된 산화제와 연료를 기체 상태로 연소기 분사면에 분사하여, 로켓 엔진 전체의 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로켓을 나타낸다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 및 산화제의 이동 경로를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 채널을 확대하여 나타낸다.
도 5는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ에 따른 단면을 나타낸다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 발명의 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시예로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 다른 실시예에 도시되어 있다 하더라도, 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 식별부호를 사용한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하의 실시예에서, x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로켓(1)을 나타내고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 및 산화제의 이동 경로를 나타내고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실(10)을 나타낸다. 보다 구체적으로, 도 3은 재생 냉각 추력실(10)의 아우터 자켓(200)을 일부 드러낸 상태를 나타낸다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 채널을 확대하여 나타내고, 도 5는 도 3의 Ⅲ-Ⅲ에 따른 단면을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로켓(1)은 연료와 산화제를 이용해 추진하는 로켓이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 로켓(1)은 본체(2)와, 산화제 탱크(3)와, 연료 탱크(4)와, 펌프(5)와, 연소기(6)를 포함할 수 있다.

본체(2)는 내부 또는 외부에 로켓(1)의 다른 구성이 배치되며, 이들을 고정 및/또는 지지한다. 본체(2)의 형상은 일반적인 로켓(1)의 외형을 가질 수 있다. 예를 들어, 본체(2)는 길이 방향으로 길게 연장되며 선단이 유선형일 수 있다.

산화제 탱크(3)는 로켓(1)의 내부 일측에 배치되며 산화제를 저장한다. 저장된 산화제는 연소기(6)로 공급된다. 산화제의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 일 실시예로 액체 산소가 이용될 수 있다.

연료 탱크(4)는 로켓(1)의 내부 타측에 배치되며 연료를 저장한다. 저장된 연료는 연소기(6)로 공급된다. 연료의 종류는 특별히 한정하지 않으며, 일 실시예로 케로신(kerosene), 수소 또는 메탄이 이용될 수 있다.

펌프(5)는 산화제 탱크(3)와 연료 탱크(4)와 연결되며, 산화제와 연료를 가압하여 연소기(6)로 공급한다.

보다 구체적으로, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 펌프(5)는 연료 펌프(20)와 산화제 펌프(40)를 포함한다. 연료 펌프(20)는 연료 탱크(4)로부터 연료를 공급받아 이를 가압한다. 산화제 펌프(40)는 산화제 탱크(3)로부터 산화제를 공급받아 이를 가압한다. 연료 펌프(20)와 산화제 펌프(40)에 의해 가압된 연료와 산화제는 각각의 경로를 따라 이동하여, 연소기(6)로 유입된다. 이에 대해서는 후술한다.

연소기(6)는 로켓(1)의 일측에 배치되어, 추진력을 발생한다. 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 연소기(6)는 로켓(1)의 후방에 배치되며, 공급받은 연료와 산화제를 연소시켜 이를 분사함으로써 추진력을 얻는다.

일 실시예로, 연소기(6)는 재생 냉각 추력실(10)과 인젝터(미도시)를 구비할 수 있다.

도 1 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 재생 냉각 추력실(10)은 연소기(6)의 일측에 배치되며, 상기 인젝터를 통해 내부로 분사된 연료와 산화제를 연소시키고 이를 후방으로 분출하여 추진력을 생성한다.

일 실시예로, 재생 냉각 추력실(10)은 연료와 산화제를 이용해 재생 냉각 추력실(10)을 냉각할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 산화제 펌프(40)에서 가압된 산화제는 제1 밸브(V1)를 거쳐 재생 냉각 추력실(10)의 외주면을 따라 이동한다. 여기서 재생 냉각 추력실(10)은 내부에서 연소가 일어나기 때문에 산화제에 비해 고온이므로, 산화제의 유동에 의해 재생 냉각 추력실(10)이 냉각될 수 있다. 냉각을 마친 산화제는 산화제 펌프(40)에 연결된 산화제 터빈(50)을 구동한 후 재생 냉각 추력실(10)의 내부로 유입되어 연소된다.

다른 실시예로, 본 발명에 따른 로켓(1)은 모터를 이용해 산화제 펌프(40)를 구동할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로켓(1)은 산화제 모터(70)를 포함할 수 있다. 산화제 모터(70)는 산화제 터빈(50) 대신 산화제 펌프(40)를 구동할 수 있다. 이 경우, 산화제는 바로 재생 냉각 추력실(10)의 내부로 유입되어 연소된다.

마찬가지로 연료 펌프(20)에서 가압된 연료는 소정의 경로를 따라 제3 밸브(V3)를 거쳐 재생 냉각 추력실(10)의 외주면을 따라 이동한다. 여기서 재생 냉각 추력실(10)은 내부에서 연소가 일어나기 때문에 연료에 비해 고온이므로, 연료의 유동에 의해 재생 냉각 추력실(10)이 냉각될 수 있다. 냉각을 마친 연료는 연료 펌프(20)를 구동하는 연료 터빈(30)을 구동한 후 재생 냉각 추력실(10)의 내부로 유입되어 연소된다.

다른 실시예로, 본 발명에 따른 로켓(1)은 모터를 이용해 연료 펌프(20)를 구동할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 2b에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로켓(1)은 연료 모터(60)를 포함할 수 있다. 연료 모터(60)는 연료 터빈(30) 대신 연료 펌프(20)를 구동할 수 있다. 이 경우, 연료는 바로 재생 냉각 추력실(10)의 내부로 유입되어 연소된다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실(10)은 연료와 산화제를 모두 재생 냉각 추력실(10)의 냉각에 참여시킬 수 있다. 이에 따라, 보다 신속하고 효율적으로 재생 냉각 추력실(10)을 냉각할 수 있다.

일 실시예로, 재생 냉각 추력실(10)은 이너 월(100)과, 아우터 자켓(200)과, 제1 배관(300)과, 제2 배관(400)을 포함할 수 있다.

이너 월(100)은 재생 냉각 추력실(10)의 내측에 배치되며, 내부 공간을 구비한다. 일 실시예로, 이너 월(100)은 재생 냉각 추력실(10)의 라이너(liner)로서, 상기 내부 공간에서 산화제와 연료의 연소가 일어날 수 있다.

일 실시예로, 이너 월(100)은 냉각 채널(110)을 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 산화제와 연료는 재생 냉각 추력실(10)의 외주면을 따라 이동하면서 재생 냉각 추력실(10)을 냉각하게 되는데, 여기서 산화제와 연료는 이너 월(100)에 배치되는 냉각 채널(110)을 따라 유동할 수 있다.

일 실시예로, 냉각 채널(110)은 이너 월(100)의 외주면에 원주 방향으로 복수 개 배치되는 리브(R)에 의해 구획될 수 있다. 복수 개의 리브(R)는 이너 월(100)의 외주면 상에서 길이 방향으로 연장 형성되며, 리브(R) 사이에 배치되는 냉각 채널(110)을 통해 추진제 또는 냉각제가 유동하면서 재생 냉각 추력실(10)을 냉각할 수 있다.

일 실시예로, 냉각 채널(110)은 제1 배관(300)에서 공급된 연료가 유동하는 제1 냉각 채널(111)과, 제2 배관(400)에서 공급된 산화제가 유동하는 제2 냉각 채널(112)을 포함할 수 있다.

도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 냉각 채널(111)은 이너 월(100)의 일측에 배치되며, 제1 배관(300)과 연결되어 연료를 공급받는다. 제1 배관(300)에서 공급된 연료는 제1 냉각 채널(111) 상에서 이너 월(100)의 일단, 즉 입구측 방향으로 이동한다.

제2 냉각 채널(112)은 이너 월(100)의 타측에 배치되며, 제2 배관(400)과 연결되어 산화제를 공급받는다. 제2 배관(400)에서 공급된 산화제의 일부는 제2 냉각 채널(112) 상에서 이너 월(100)의 일단, 즉 입구측 방향으로 이동한다. 또한, 나머지 산화제는 제2 냉각 채널(112) 상에서 이너 월(100)의 타단, 즉 출구측 방향으로 이동한다.

일 실시예로, 제2 냉각 채널(112)의 일단은 산화제 유로(600)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 제2 냉각 채널(112)을 따라 입구측으로 이동하는 산화제는 산화제 유로(600)를 통해 외부로 이동할 수 있다. 일 실시예로, 산화제는 산화제 유로(600)의 출구에서 재생 냉각 추력실(10)의 분사면으로 분사될 수 있다.

일 실시예로, 제1 냉각 채널(111)과 제2 냉각 채널(112)은 원주 방향을 따라 교대로 배치될 수 있다. 따라서 산화제 또는 연료가 이너 월(100)의 특정 부분에 국소적으로 집중되는 것이 아니라 이너 월(100) 상에 균일하게 분포되어 유동할 수 있다.

이러한 구성을 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실(10)은 산화제와 연료를 모두 이용해 재생 냉각 추력실(10)을 균일하게 냉각할 수 있다.

특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실(10)에서 냉각 채널(110)은 재생 냉각 추력실(10)의 길이 방향으로 일단과 타단 사이에 연장 배치될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 재생 냉각 추력실(10)에서 산화제와 연료가 유동하는 냉각 채널(110)은 원주 방향을 따라 교대로 배치될 수 있다. 이에 따라, 산화제와 연료가 재생 냉각 추력실(10)의 길이 방향을 따라 부분적으로 배치되는 종래의 재생 냉각 추력실에 비해, 냉매(산화제 및 연료)의 열전달률 차이에 따른 국소적인 온도 차이를 완화할 수 있다. 또한, 재생 냉각 추력실(10)의 수명을 증가시킬 수 있다.

일 실시예로, 도면에는 나타내지 않았으나, 냉각 채널(110)은 제1 배관(300)에서 유입되어 출구측 방향으로 이동 후 다시 입구측 방향으로 이동하는 산화제를 가이드하는 제1 추력실 냉각 채널(도면 부호 미도시)을 포함할 수 있다.

일 실시예로, 도면 부호 미도시, 냉각 채널(110)은 제2 배관(400)에서 유입되어 출구측 방향으로 이동 후 다시 입구측 방향으로 이동하는 산화제를 가이드하는 제2 추력실 냉각 채널(도면 부호 미도시)을 포함할 수 있다.

일 실시예로, 이너 월(100)은 길이 방향으로 입구부(100a)와, 출구부(100c)와, 콜렉터부(100b)를 포함할 수 있다.

입구부(100a)는 이너 월(100)의 일단부, 즉 입구측 단부에 배치될 수 있다. 출구부(100c)는 이너 월(100)의 타단부, 즉 출구측 단부에 배치될 수 있다. 콜렉터부(100b)는 입구부(100a)와 출구부(100c)의 사이에 배치될 수 있다.

일 실시예로, 입구부(100a)는 원기둥 형상을 가지며, 길이 방향에 따라 직경이 일정할 수 있다. 일 실시예로, 출구부(100c)는 원뿔대(truncated cone) 형상을 가지며, 출구 방향을 향해 직경이 커질 수 있다. 일 실시예로, 콜렉터부(100b)는 길이 방향을 따라 직경의 변곡점을 적어도 1개 이상 구비할 수 있다. 또한, 상기 변곡점은 재생 냉각 추력실(10)의 목(throat)에 대응될 수 있다.

일 실시예로, 콜렉터부(100b)는 제1 냉각 채널(111)을 따라 유동하는 연료와, 제2 냉각 채널(112)을 따라 유동하는 산화제가 각각 혼합되었다가 분기되는 영역일 수 있다. 즉, 제1 냉각 채널(111)로 유입되어 입구측 단부를 향해 유동하는 산화제 채널이 합쳐졌다가 다시 나뉘는 과정에서 입구측 단부를 향해 유동하는 산화제가 혼합되는 영역일 수 있다.

또한, 콜렉터부(100b)는 제2 냉각 채널(112)로 유입되어 입구측 단부를 향해 유동하는 연료 채널이 합쳐졌다가 다시 나뉘는 과정에서 입구측 단부를 향해 유동하는 연료가 혼합되는 영역일 수 있다.

즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 콜렉터부(100b)는 복수 개의 제1 냉각 채널(111)을 따라 유동하는 산화제가 합쳐진 후 다시 복수 개의 제1 냉각 채널(111)을 따라 분기되는 영역일 수 있다. 또한, 콜렉터부(100b)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 복수 개의 제2 냉각 채널(112)을 따라 유동하는 연료가 합쳐진 후 다시 복수 개의 제2 냉각 채널(112)을 따라 분기되는 영역일 수 있다. 도 4에는 각각 2개의 제1 냉각 채널(111) 및 제2 냉각 채널(112)이 콜렉터부(100b)에서 하나로 합쳐지는 것으로 나타냈으나 그 개수는 특별히 한정하지 않는다.

아우터 자켓(200)은 이너 월(100)의 외측면을 커버하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 아우터 자켓(200)은 이너 월(100)에 대응되는 형상을 가지며, 이너 월(100)의 외측면에서 소정의 간격만큼 이격하여 배치되고, 이너 월(100)을 감싸도록 배치된다. 일 실시예로, 아우터 자켓(200)은 내측면이 이너 월(100)의 리브(R) 상면과 접촉하도록 배치되어, 냉각 채널(110)을 커버할 수 있다. 적층 제조 시 아우터 자켓(200)과 이너 월(100)은 일체형으로 제작할 수 있다

제1 배관(300)은 아우터 자켓(200)의 일측에 배치되며, 연료를 냉각 채널(110)로 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 배관(300)은 아우터 자켓(200)의 외주면의 적어도 일부를 감싸도록 배치되며, 제1 밸브(V1)를 통과한 연료를 공급받아 이를 제1 냉각 채널(111)로 공급할 수 있다. 이를 위해, 제1 배관(300)은 아우터 자켓(200)을 관통하는 연결공(미도시)을 통해 복수 개의 제1 냉각 채널(111) 중 적어도 어느 하나와 연결될 수 있다.

제2 배관(400)은 아우터 자켓(200)의 타측에 배치되며, 산화제를 냉각 채널(110)로 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 배관(400)은 아우터 자켓(200)의 외주면의 적어도 일부를 감싸도록 배치되며, 제3 밸브(V3)를 통과한 산화제를 공급받아 이를 제2 냉각 채널(112)로 공급할 수 있다. 이를 위해, 제2 배관(400)은 아우터 자켓(200)을 관통하는 연결공(미도시)을 통해 복수 개의 제2 냉각 채널(112) 중 적어도 어느 하나와 연결될 수 있다.

일 실시예로, 제1 배관(300)과 제2 배관(400)은 아우터 자켓(200)의 길이 방향 중심에 대해 일측에 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 배관(300)과 제2 배관(400) 모두 아우터 자켓(200)의 출구 측 단부에 근접하여 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 배관(300)과 제2 배관(400)에서 공급된 연료 및 산화제 각각은 냉각 채널(110)의 출구 측 단부에서 입구 측 단부까지 이동하면서 재생 냉각 추력실(10)을 균일하게 냉각할 수 있다.

일 실시예로, 공급 배관(500)을 더 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 공급 배관(500)은 아우터 자켓(200)의 외주면을 따라 배치될 수 있다.

일 실시예로, 제1 배관(300)과 제2 배관(400)은 격벽(510)에 의해 구획된 공급 배관(500)의 서로 다른 영역일 수 있다. 보다 구체적으로, 도 3 및 도 5에 나타낸 바와 같이, 공급 배관(500)은 그 내부에 길이 방향으로 연장되는 격벽(510)을 구비할 수 있다. 격벽(510)은 공급 배관(500)의 내벽에 배치되어, 공급 배관(500)의 내부 공간을 두 개의 분리된 영역으로 분리할 수 있다. 그리고 격벽(510)에 의해 분리된 공급 배관(500)의 영역이 각각 제1 배관(300)과 제2 배관(400)일 수 있다.

일 실시예로, 공급 배관(500)은 연료가 유입되며 제1 배관(300)과 연결되는 제1 유입구(520)와, 산화제가 유입되며 제2 배관(400)과 연결되는 제2 유입구(530)를 구비할 수 있다. 여기서, 제1 유입구(520)와 제2 유입구(530)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 아우터 자켓(200)의 외주면 상에서 길이 방향으로 동일한 위치에 배치될 수 있다. 즉, 제1 유입구(520)와 제2 유입구(530)는 재생 냉각 추력실(10)의 중심축 Ax을 중심으로 대칭되는 위치에 배치될 수 있다.

일 실시예로, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 유입구(520)와 제2 유입구(530)는 축 Ax2에 대해 동축으로 배치될 수 있다.

일 실시예로, 본 발명에 따른 재생 냉각 추력실(10)은 적층 제조에 의해 일체로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 종래의 기계 가공에서는 내피(이너 월)를 밀링 가공하여 채널을 구획한 다음, 외피(아우터 자켓)를 씌우고 브레이징(brazing)을 실시하였으나, 이 과정에서 내피와 외피의 위치가 정확히 일치해야 하기 때문에 제조하기가 매우 까다로웠다. 이러한 상황에서 연료뿐만 아니라 산화제가 유입 및 유동하는 냉각 채널을 추가로 형성하는 것은 기술적으로 큰 어려움이 있었다.

본 발명에 따른 재생 냉각 추력실(10)은 3D 프린팅 기술을 이용해 일체로 적층 제조된 것일 수 있다. 이에 따라, 종래의 기계 가공에서는 구현할 수 없었던 서로 다른 냉매(산화제 및 연료)가 길이 방향으로 연장되어 배치되고, 원주 방향으로 교대로 배치되는 복잡한 형상의 냉각 채널을 구현할 수 있다.

다시 도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로켓(1)은 연료 펌프(20) 및 산화제 펌프(40)가 각각 연료 터빈(30) 및 산화제 터빈(50)과 연결될 수 있다. 즉, 연료 펌프와 산화제 펌프를 동일한 터빈에 복잡하게 기구적으로 연결되어 있었던 종래와 달리, 본 발명에 따른 로켓(1)은 각각의 펌프가 서로 다른 터빈을 사용하는 팽창식 사이클을 구성할 수 있다. 이에 따라, 펌프와 터빈의 연결 구성을 단순화할 수 있다. 또한, 연료 탱크(4)에 가압을 위한 가열된 기체 추진제를 공급하여 자가 증기 가압을 실시하여, 엔진의 열교환기를 사용하지 않아도 되기 때문에 엔진의 무게를 크게 줄일 수 있고 장치 전체의 신뢰성을 높일 수 있다.

이와 같이 도면에 도시된 실시예를 참고로 본 발명을 설명하였으나, 이는 예시에 불과하다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 실시예로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 충분히 이해할 수 있다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위에 기초하여 정해져야 한다.

실시예에서 설명하는 특정 기술 내용은 일 실시예들로서, 실시예의 기술 범위를 한정하는 것은 아니다. 발명의 설명을 간결하고 명확하게 기재하기 위해, 종래의 일반적인 기술과 구성에 대한 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재는 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로 표현될 수 있다. 또한, "필수적인", "중요하게" 등과 같이 구체적인 언급이 없다면 본 발명의 적용을 위하여 반드시 필요한 구성 요소가 아닐 수 있다.

발명의 설명 및 청구범위에 기재된 "상기" 또는 이와 유사한 지시어는 특별히 한정하지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 지칭할 수 있다. 또한, 실시 예에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다. 또한, 실시예에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 실시예들이 한정되는 것은 아니다. 실시예에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 실시예를 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상, 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 실시예의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 통상의 기술자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.

1: 로켓
10: 재생 냉각 추력실

Claims (16)

1. 냉각 채널을 포함하는 이너 월;
   상기 이너 월의 외측면을 커버하도록 배치되는 아우터 자켓;
   상기 아우터 자켓의 일측에 배치되며, 연료를 상기 냉각 채널로 공급하는 제1 배관; 및
   상기 아우터 자켓의 타측에 배치되며, 산화제를 상기 냉각 채널로 공급하는 제2 배관;을 포함하고,
   상기 냉각 채널은
   상기 제1 배관에서 공급된 연료가 유동하는 제1 냉각 채널; 및
   상기 제2 배관에서 공급된 산화제가 유동하는 제2 냉각 채널;을 포함하고,
   상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널은 상기 이너 월의 외측면 상에 원주 방향으로 복수 개가 교대로 배치되고,
   상기 이너 월은 길이 방향으로 입구부, 출구부 및 상기 입구부와 상기 출구부 사이에 배치되는 콜렉터부를 구비하고,
   상기 제1 냉각 채널을 따라 유동하는 연료는 상기 콜렉터부에서 혼합 후 상기 입구부로 분기되어 유동하고,
   상기 제2 냉각 채널을 따라 유동하는 산화제는 상기 콜렉터부에서 혼합 후 상기 입구부로 분기되어 유동하고,
   상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널은 길이 방향을 따라 상기 이너 월에 형성되는 리브에 의해 서로 분리되어 서로 연결되지 않는, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실.
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 냉각 채널을 따라 유동하는 연료는 상기 제1 냉각 채널의 일단에 배치된 연료 출구를 통해 상기 이너 월의 내부로 유입되고,
   상기 제2 냉각 채널을 따라 유동하는 산화제는 상기 제2 냉각 채널의 일단과 연결된 산화제 유로를 통해 이동하는, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 냉각 채널은
   상기 제1 배관 및 상기 제2 배관에서 유입된 연료 및 산화제가, 상기 입구부를 향해 유동하는 추력실 냉각 채널을 포함하고,
   상기 콜렉터부는
   상기 추력실 냉각 채널을 따라 유동하는 연료 및 산화제를 각각 혼합하는, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 배관 및 상기 제2 배관은 상기 아우터 자켓의 길이 방향 중심에 대해 일측에 배치되는, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 아우터 자켓의 외주면을 따라 배치되며, 연료와 산화제가 유동하는 공급 배관을 더 포함하고,
   상기 제1 배관과 상기 제2 배관은 격벽에 의해 구획된 상기 공급 배관의 서로 다른 영역인, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 공급 배관은
   상기 연료가 유입되며 상기 제1 배관과 연결되는 제1 유입구와, 상기 산화제가 유입되며 상기 제2 배관과 연결되는 제2 유입구를 구비하고,
   상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구는 상기 아우터 자켓의 외주면 상에 길이 방향으로 동일한 위치에 배치되는, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실.
8. 제1 항, 제3 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 기재된 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실은 적층 제조에 의해 일체로 형성된, 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실.
9. 산화제가 저장되는 산화제 탱크와, 연료가 저장되는 연료 탱크와, 재생 냉각 추력실을 구비하는 연소기를 포함하는 로켓으로서,
   상기 재생 냉각 추력실은
   냉각 채널을 포함하는 이너 월;
   상기 이너 월의 외측면을 커버하도록 배치되는 아우터 자켓;
   상기 아우터 자켓의 일측에 배치되며, 연료를 상기 냉각 채널로 공급하는 제1 배관; 및
   상기 아우터 자켓의 타측에 배치되며, 산화제를 상기 냉각 채널로 공급하는 제2 배관;을 포함하고,
   상기 냉각 채널은
   상기 제1 배관에서 공급된 연료가 유동하는 제1 냉각 채널; 및
   상기 제2 배관에서 공급된 산화제가 유동하는 제2 냉각 채널;을 포함하고,
   상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널은 상기 이너 월의 외측면 상에 원주 방향으로 복수 개가 교대로 배치되고,
   상기 이너 월은 길이 방향으로 입구부, 출구부 및 상기 입구부와 상기 출구부 사이에 배치되는 콜렉터부를 구비하고,
   상기 제1 냉각 채널을 따라 유동하는 연료는 상기 콜렉터부에서 혼합 후 상기 입구부로 분기되어 유동하고,
   상기 제2 냉각 채널을 따라 유동하는 산화제는 상기 콜렉터부에서 혼합 후 상기 입구부로 분기되어 유동하고,
   상기 제1 냉각 채널 및 상기 제2 냉각 채널은 길이 방향을 따라 상기 이너 월에 형성되는 리브에 의해 서로 분리되어 서로 연결되지 않는, 로켓.
10. 삭제
11. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 냉각 채널을 따라 유동하는 연료는 상기 제1 냉각 채널의 일단에 배치된 연료 출구를 통해 상기 이너 월의 내부로 유입되고,
    상기 제2 냉각 채널을 따라 유동하는 산화제는 상기 제2 냉각 채널의 일단에 배치된 산화제 출구를 통해 외부로 배출되는, 로켓.
12. 제9 항에 있어서,
    상기 냉각 채널은
    상기 제1 배관 및 상기 제2 배관에서 유입된 연료 및 산화제가, 상기 출구부를 향해 유동하는 추력실 냉각 채널을 포함하고,
    상기 콜렉터부는
    상기 추력실 냉각 채널을 따라 유동하는 연료 및 산화제를 각각를 혼합하는, 로켓.
13. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 배관 및 상기 제2 배관은 상기 아우터 자켓의 길이 방향 중심에 대해 일측에 배치되는, 로켓.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 아우터 자켓의 외주면을 따라 배치되며, 연료와 산화제를 공급받는 고리 형상의 공급 배관을 더 포함하고,
    상기 제1 배관과 상기 제2 배관은 격벽에 의해 구획된 상기 공급 배관의 서로 다른 영역인, 로켓.
15. 제14 항에 있어서,
    상기 공급 배관은
    상기 연료가 유입되며 상기 제1 배관과 연결되는 제1 유입구와, 상기 산화제가 유입되며 상기 제2 배관과 연결되는 제2 유입구를 구비하고,
    상기 제1 유입구와 상기 제2 유입구는 상기 아우터 자켓의 외주면 상에 길이 방향으로 동일한 위치에 배치되는, 로켓.
16. 제9 항, 제11 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 기재된 로켓 엔진 연소기의 재생 냉각 추력실은 적층 제조에 의해 일체로 형성된, 로켓.

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