KR102435527B1 - 사각형 주입 형상을 갖는 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치 - Google Patents

사각형 주입 형상을 갖는 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치 Download PDF

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성홍계
강정석
허준영
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국방과학연구소
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Abstract

일 실시 예에 따른 후방의 연소 공간을 향해 연료를 유동하여 분사하는 다기능 핀틀 인젝터는, 상기 연소 공간을 향해 후방 방향으로 돌출 형성되는 핀틀부; 및 상기 핀틀부의 둘레를 따라서 산화제를 후방 방향으로 배출하는 산화제 분사부;를 포함하고, 상기 핀틀부는, 상기 후방 방향으로 돌출되는 단부로 형성되는 핀틀 팁; 상기 핀틀 팁의 전방에 상기 핀틀부의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되는 제 1 분사 홀; 및 상기 핀틀 팁의 전방에 상기 핀틀부의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되고, 상기 복수개의 제 1 분사 홀보다 상대적으로 후방에 형성되는 복수개의 제 2 분사 홀;을 포함할 수 있다.

Description

사각형 주입 형상을 갖는 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치{MULTIFUNCTIONAL PINTLE INJECTOR WITH SQUARE INJECTION SHAPE AND PROPULSION APPARATUS INCLUDING SAME}
이하의 설명은 사각형 주입 형상을 갖는 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치에 관한 것이다.
액체 로켓은 질량유량을 조절해 추력을 제어하는데 기존에 널리 사용되는 동축전단, 동축스월 인젝터는 넓은 범위의 추력 조절이 어렵기 때문에 넓은 범위의 추력 조절이 필요한 경우에는 핀틀 인젝터가 사용된다.
핀틀 인젝터는 연료와 산화제를 다른 각도로 충돌시켜 미립화시킴으로써 추진제를 분열시킨다. 이러한 분열과정에서 주요한 인자로 무차원 수인 Weber 수와 MFR(Momentum Flux Ratio)를 주로 사용한다.
Weber 수는 관성력과 표면장력에 대한 비를 의미하며 MFR는 연료와 산화제의 모멘텀 플럭스 비를 의미한다. 일반적으로 Weber 수가 클수록 표면장력이 상대적으로 작아지므로 분열이 활발히 이루어져 분열특성이 좋아진다.
또한, 기체주입속도가 증가하여 MFR가 커지면 동일하게 분열특성이 좋아진다. 하지만 작동조건이 이미 고정된 경우에는 Weber 수와 MFR 또한 고정되기 때문에 동일한 Weber 수와 MFR 조건에서도 분열특성을 향상시킬 수 있는 기술이 필요하다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예의 목적은 사각형 주입 형상을 갖는 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치를 제공하는 것이다.
일 실시 예에 따른 후방의 연소 공간을 향해 연료를 유동하여 분사하는 다기능 핀틀 인젝터는, 상기 연소 공간을 향해 후방 방향으로 돌출 형성되는 핀틀부; 및 상기 핀틀부의 둘레를 따라서 산화제를 후방 방향으로 배출하는 산화제 분사부;를 포함하고, 상기 핀틀부는, 상기 후방 방향으로 돌출되는 단부로 형성되는 핀틀 팁; 상기 핀틀 팁의 전방에 상기 핀틀부의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되는 제 1 분사 홀; 및 상기 핀틀 팁의 전방에 상기 핀틀부의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되고, 상기 복수개의 제 1 분사 홀보다 상대적으로 후방에 형성되는 복수개의 제 2 분사 홀;을 포함할 수 있다.
상기 제 1 분사 홀 및 상기 제 2 분사 홀은, 상기 후방 방향에 수직한 방향으로 연통되는 사각 형상의 구멍으로 형성될 수 있다.
상기 복수개의 제 1 분사 홀은, 상기 후방 방향에 평행한 길이가 상기 후방 방향에 수직한 폭보다 크게 형성되고, 상기 복수개의 제 2 분사 홀은, 상기 후방 방향에 평행한 길이가 상기 후방 방향에 수직한 폭보다 작게 형성될 수 있다.
상기 복수개의 제 2 분사 홀 각각의 면적의 크기는, 상기 복수개의 제 1 분사 홀 각각의 면적의 크기와 동일할 수 있다.
상기 복수개의 제 2 분사 홀의 개수는 상기 복수개의 제 1 분사 홀의 개수보다 적고, 상기 복수개의 제 2 분사 홀이 상기 핀틀부의 둘레를 따라서 서로 이격되어 있는 간격은, 상기 복수개의 제 1 분사 홀이 상기 핀틀부의 둘레를 따라서 서로 이격되어 있는 간격보다 클 수 있다.
상기 유동 방향을 따라서 상기 핀틀부를 바라볼 때, 상기 복수개의 제 2 분사 홀 각각은, 상기 복수개의 제 1 분사 홀 중 적어도 하나 이상의 분사 홀과 적어도 일부가 오버랩될 수 있다.
일 실시 예에 따른 연소 공간을 갖는 추진 장치는, 후방의 연소 공간을 향해 연료 및 산화제를 유동하고 분사하는 전술한 실시 예에 중 어느 하나의 다기능 핀틀 인젝터;를 포함할 수 있다.
일 실시 예의 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치에 의하면, 후방으로 유동하는 산화제가 1차적으로 유동 방향으로의 세장비가 큰 제 1 분사 홀을 통해 분사되는 연료와 충돌함으로써 연소 효율을 증대시키는 동시에, 상대적으로 후열에 위치한 유동 방향으로의 세장비가 작은 제 2 분사 홀을 통해 분사되는 연료와 충돌함으로써 후방의 핀틀 팁에서는 화염에 노출되지 않도록 하여 열충격의 발생을 방지할 수 있게 된다.
도 1은 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터와 이를 포함하는 추진 장치의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터의 구성을 나타내는 단면도이다
도 3은 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터 각각의 분사 홀에서 분사되는 연료의 분사 형상을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터 각각의 분사 홀에서 분사되는 연료의 분사 형상을 나타내는 도면이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 실시예들의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 실시예에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 일 실시예를 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적으로 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치를 설계하는 방법의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 일 실시예에 따른 다기능 핀틀 인젝터 및 이를 포함하는 추진 장치를 설계하는 방법의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 일 실시예에 따른 핀틀 인젝터를 설계하는 방법의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터와 이를 포함하는 추진 장치의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터의 구성을 나타내는 단면도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터 각각의 분사 홀에서 분사되는 연료의 분사 형상을 나타내는 도면이고, 도 4는 일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터 각각의 분사 홀에서 분사되는 연료의 분사 형상을 나타내는 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 추진 장치(1)는 연료를 연소시킨 연소 가스를 고속으로 분출함으로써 추진력을 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 추진 장치(1)는 연료 및 산화제제가 분사되어 연소가 발생하는 연소 공간(12)과, 연소 공간(12)으로 연료 및 산화제를 유동시켜 분사하는 다기능 핀틀 인젝터(11)와, 연소 공간(12)의 후방으로 연결되는 노즐부(13)를 포함할 수 있다.
다기능 핀틀 인젝터(11)는 연소 가스가 노즐부(13)를 통해 분사되는 방향, 즉 후방 방향을 따라서 연료 및 산화제를 공급받고, 후방으로 연결되는 연소 공간(12)으로 연료와 산화제를 분사할 수 있다.
예를 들어, 다기능 핀틀 인젝터(11)는, 연소 공간(12)을 향해 후방으로 돌출 형성되는 핀틀부(111)와, 핀틀부(111)의 둘레를 따라 환형의 유로 구조를 갖고 핀틀부(111)의 둘레를 따라 후방을 향해 산화제를 분사하는 산화제 분사부(112)를 포함할 수 있다.
핀틀부(111)는, 후방의 연소 공간(12)을 향해 돌출되는 원통형 부재로서 내부로부터 공급되는 연료를 연소 공간(12)으로 분사할 수 있다.
예를 들어, 핀틀부(111)는 연소 공간(12) 중 후방을 향해 돌출된 단부 부분인 핀틀 팁(1113)과, 핀틀 팁(1113)의 전방에서 핀틀부(111)의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되는 복수개의 제 1 분사 홀(1111)과, 핀틀 팁(1113)의 전방에서 핀틀부(111)의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되되 복수개의 제 1 분사 홀(1111)보다 상대적으로 후방에 형성되는 복수개의 제 2 분사 홀(1112)을 포함할 수 있다.
이상의 구조에 의하면 도 2 에 도시되는 바와 같이, 산화제 분사부(112)는 후방을 향해 돌출되는 핀틀부(111)의 외주 부분과, 연소 공간(12)을 마주하는 벽 사이에 형성되는 환형의 간극 형태의 유로를 형성하여 산화제를 후방 방향을 향해 분사할 수 있다.
동시에, 연소 공간(12)을 향해 돌출되는 핀틀부(111)는 전후 방향을 따라서 이격된 부분에 형성된 복수개의 제 2 분사 홀(1112) 및 제 1 분사 홀(1111) 각각은 후방 방향에 수직한 방향, 즉 반경 방향으로 연소 공간(12)에 연통되는 개구 구조를 가질 수 있다.
따라서, 산화제 분사부(112)에서 분사되는 산화제는 핀틀부(111)의 외주를 따라 추진 방향, 즉 후방 방향으로 분사되다가, 복수개의 제 2 분사 홀(1112) 및 복수개의 제 1 분사 홀(1111)을 통해 반경 방향으로 분사되는 연료와 만나 충돌하여 연소 공간(12)을 향해 설정된 분사각을 형성하도록 분열되는 미립화 및 혼합 과정이 이루어진다.
복수개의 제 1 분사 홀(1111) 및 복수개의 제 2 분사 홀(1112)은 사각 형상의 구멍으로 형성될 수 있다.
예를 들어, 복수개의 제 2 분사 홀(1112) 각각의 면적은 복수개의 제 1 분사 홀(1111) 각각의 면적과 동일할 수 있다. 다시 말하면, 작동조건이 이미 고정된 경우에는 Weber 수와 MFR이 고정된 상태에서 면적이 동일하되 다른 형상을 갖는 2열의 사각 형상의 분사 홀(1112, 1111) 구조를 가질 수 있다.
복수개의 제 2 분사 홀(1112)의 후방 방향에 평행한 길이(L2)가 후방 방향에 수직한 폭(W2)보다 작은 직사각 형상을 가질 수 있다.
다시 말하면, 후방 방향을 기준으로 복수개의 제 2 분사 홀의 세장비(L2/W2)는 1보다 작을 수 있다.
이상의 구조에 의하면, 제 2 분사 홀(1112)은 후방 방향, 즉 산화제의 유동 방향으로의 길이(L2)가 폭(W2)보다 작은 직사각형의 홀 구조를 갖게되어, 분열특성은 상대적으로 떨어지지만 후방의 핀틀 팁(1113)에서 화염에 노출되지 않도록 하여 열 충격의 발생을 완화시킬 수 있다.
구체적으로 도 3의(b) 및 도 4의(b)에서 제 2 분사 홀(1112)에서 분사되는 연료가 미립화되는 형상을 참조하면, 분사 형상의 표면 상에서의 surface breakup은 발생하지만 수직 방향으로의 column breakup은 발생하지 않게 됨으로써 결과적으로 분열에 필요한 분열 거리가 길어지게 되고 상대적으로 분열 특성이 낮아지게 되어 핀틀 팁(1113)으로의 열전달을 완화시킬 수 있다.
복수개의 제 1 분사 홀(1111)의 후방 방향에 평행한 길이(L1)가 후방 방향에 수직한 폭(W1)보다 큰 직사각 형상을 가질 수 있다.
다시 말하면, 후방 방향을 기준으로 복수개의 제 1 분사 홀(1111)의 세장비(L1/W1)는 1보다 클 수 있다.
이상의 구조에 의하며, 제 1 분사 홀(1111)은 후방 방향, 즉 산화제의 유동 방향으로의 길이(L1)가 폭(W1)보다 크게 형성된 직사각형의 홀 구조를 갖게 되어 분열 특성이 향상될 수 있다.
구체적으로 도 3의(a) 및 도 4의(a)에서 제 1 분사 홀(1111)에서 분사되는 연료가 미립화되는 형상을 참조하면, 표면에서 column breakup과 surface breakup이 동시에 발생하여 분열이 빠르게 시작될 수 있게되어, 분열에 필요한 거리인 분열거리가 짧아지며 분열특성 또한 향상됨에 따라서, 결과적으로 연소 효율을 크게 향상시킬 수 있게된다.
예를 들어, 복수개의 제 2 분사 홀(1112) 각각의 면적은 복수개의 제 1 분사 홀(1111) 각각의 면적과 동일하되, 복수개의 제 2 분사 홀(1112)의 개수는 복수개의 제 1 분사 홀(1111)의 개수보다 적을 수 있다.
예를 들어, 복수개의 제 2 분사 홀(1112)이 핀틀부(111)의 둘레를 따라서 서로 이격되어 있는 간격은, 복수개의 제 1 분사 홀(1111)이 핀틀부(111)의 둘레를 따라서 서로 이격되어 있는 간격보다 클 수 있다. 예를 들어, 후방 방향을 따라서 핀틀부(111)를 바라볼 때, 복수개의 제 2 분사 홀(1112) 각각은, 복수개의 제 1 분사 홀(1111) 중 적어도 하나 이상의 분사 홀(1111)과 적어도 일부가 오버랩되는 위치에 형성될 수 있다.
일 실시 예에 따른 핀틀부(111)의 구조에 의하면, 산화제 분사부(112)에서 분사되는 산화제가 1차적으로 복수개의 제 1 분사 홀(1111)을 통해 분사되는 연료와 충돌함으로써 연소 효율을 증대시키는 동시에, 상대적으로 후열에 위치한 복수개의 제 2 분사 홀(1112)을 통해 분사되는 연료와 충돌함으로써 후방의 핀틀 팁(1113)에서 화염에 노출되지 않도록 하여 열충격의 발생을 방지할 수 있는 효과를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따른 다기능 핀틀 인젝터(11)에 의하면, 연소효율의 증대를 통해 연소효율이 증대되어 추진제의 소모량을 줄임으로써 더욱 장거리 비행이 가능한 추진 장치를 제공할 수 있게 된다.
또한, 연소 과정에서 핀틀 팁(1113)으로의 열전달을 줄일 수 있어서 구조적 한계를 극복할 수 있고, 종래의 기술에서 별도로 핀틀 팁(1113)의 냉각에 사용되는 연료의 소모 역시 최소화할 수 있는 효과를 얻게 된다.
이상과 같이 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 실시예가 설명되었으나 이는 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1 추진 장치
11 다기능 핀틀 인젝터
12 연소 공간
13 노즐부
111 핀틀부
1111 제 1 분사 홀
1112 제 2 분사 홀
1113 핀틀 팁
112 산화제 분사부

Claims (7)

  1. 후방의 연소 공간을 향해 연료를 유동하여 분사하는 다기능 핀틀 인젝터에 있어서,
    상기 연소 공간을 향해 상기 연료의 유동 방향에 평행한 후방 방향으로 돌출 형성되는 핀틀부; 및
    상기 핀틀부의 둘레를 따라서 산화제를 후방 방향으로 배출하는 산화제 분사부;를 포함하고,
    상기 핀틀부는,
    상기 후방 방향으로 돌출되는 단부로 형성되는 핀틀 팁;
    상기 핀틀 팁의 전방에 상기 핀틀부의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되는 제 1 분사 홀; 및
    상기 핀틀 팁의 전방에 상기 핀틀부의 둘레를 따라 서로 복수개로 이격되어 형성되고, 상기 복수개의 제 1 분사 홀보다 상대적으로 후방에 형성되는 복수개의 제 2 분사 홀;을 포함하고,
    상기 제 1 분사 홀 및 상기 제 2 분사 홀은,
    상기 후방 방향에 수직한 방향으로 연통되는 사각 형상의 구멍으로 형성되고,
    상기 복수개의 제 1 분사 홀은, 상기 유동 방향에 평행한 길이가 상기 유동 방향에 수직한 폭보다 크게 형성되고,
    상기 복수개의 제 2 분사 홀은, 상기 유동 방향에 평행한 길이가 상기 유동 방향에 수직한 폭보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는, 다기능 핀틀 인젝터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 제 2 분사 홀 각각의 면적의 크기는, 상기 복수개의 제 1 분사 홀 각각의 면적의 크기와 동일한 것을 특징으로 하는, 다기능 핀틀 인젝터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수개의 제 2 분사 홀의 개수는 상기 복수개의 제 1 분사 홀의 개수보다 적고,
    상기 복수개의 제 2 분사 홀이 상기 핀틀부의 둘레를 따라서 서로 이격되어 있는 간격은, 상기 복수개의 제 1 분사 홀이 상기 핀틀부의 둘레를 따라서 서로 이격되어 있는 간격보다 큰 것을 특징으로 하는, 다기능 핀틀 인젝터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유동 방향을 따라서 상기 핀틀부를 바라볼 때, 상기 복수개의 제 2 분사 홀 각각은, 상기 복수개의 제 1 분사 홀 중 적어도 하나 이상의 분사 홀과 적어도 일부가 오버랩되는 것을 특징으로 하는, 다기능 핀틀 인젝터.
  7. 연소 공간을 갖는 추진 장치에 있어서,
    후방의 연소 공간을 향해 연료 및 산화제를 유동하고 분사하는 제 1 항에 기재된 다기능 핀틀 인젝터;를 포함하는, 추진 장치.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160070394A (ko) * 2014-12-10 2016-06-20 한국항공우주연구원 추력기용 핀틀 인젝터
KR101884769B1 (ko) * 2017-03-02 2018-08-02 서울대학교산학협력단 핀틀 인젝터

Patent Citations (2)

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