KR102469946B1 - 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로켓엔진의 터보펌프가 연소기 헤드와 일체로 형성된 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진에 관한 것으로, 산화제가 이송되는 산화제 공급 배관부와, 연료가 이송되는 연료 공급 배관부와, 상기 산화제 공급 배관부로부터 기화된 산화제를 공급받는 산화제 매니폴드와, 상기 연료 공급 배관부로부터 기화된 연료를 공급받는 연료 매니폴드와, 상기 산화제 매니폴드 전단부에 마련되며, 기화된 상기 산화제에 의해 회전하는 산화제 터빈과, 상기 연료 매니폴드 전단부에 마련되며, 기화된 상기 연료에 의해 회전하는 연료 터빈과, 상기 산화제 공급 배관부 내부에 마련되며, 회전축이 상기 산화제 터빈의 회전축과 연결되어 함께 회전하여 상기 산화제 공급 배관부 내부의 산화제를 상기 산화제 매니폴드로 공급시키는 산화제 펌프 및 상기 연료 공급 배관부 내부에 마련되며, 회전축이 상기 연료 터빈의 회전축과 연결되어 함께 회전하여 상기 연료 공급 배관부 내부의 연료를 상기 연료 매니폴드로 공급시키는 연료 펌프를 포함하는 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진이 개시된다.

Description

연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진{A Rocket Engine With Integrated Combustor Head And Turbopump}
본 발명은 로켓 엔진에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로켓엔진의 터보펌프가 연소기 헤드와 일체로 형성된 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진에 관한 것이다.
로켓엔진은 연소기에 추진제(propellant)인 산화제와 연료를 분사하고 연소시켜 추진력을 얻는 장치이다.
일반적인 가스발생기형 로켓엔진은 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 주연소기(10)와 터보펌프(20), 가스발생기(30)로 이루어진다. 주연소기(thrust chamber)(10)는 앞서 설명한 산화제와 연료가 분사되고 연소되어 로켓으로 하여금 추진력을 발휘하도록 하는 역할을 한다. 가스발생기(gas generator)(30)는 산화제와 연료를 주연소기(10)에 공급하기 위한 장치인 터보펌프에 동력을 전달하기 위한 것으로, 산화제와 연료를 일부 공급받아 이를 태워서 터빈을 돌리고, 이에 따라 가스발생기에 공급되지 않은 연료와 산화제는 주연소기로 보내어져서 추력을 발생시킨다.
이때, 수소 엔진이나 메탄 엔진과 같이 연료가 재생냉각채널에서 가열될 때 기화가 되어 팽창식 사이클이 가능한 형태의 엔진을 사용하는 경우에는 가스발생기가 필요하지 않게 되고 따라서 시스템이 더 간단해지고 엔진효율(비추력)이 증가하는 장점이 있다.
그러나 이러한 종래 터보펌프는 산화제탱크 및 연료탱크에서 터보펌프를 연결하는 배관과, 터보펌프와 주연소기의 연소기 헤드부에 위치한 분사기 매니폴드를 연결하는 배관이 필요하여 부피와 중량이 증가하며, 제작이 복잡하며, 유체의 유출을 예방하기 위한 관리의 번거로움 등의 아쉬움이 있었다.
또한, 산화제 펌프와 연료 펌프가 한 축으로 움직임에 따라 두 추진제가 섞일 수 있는 가능성을 차단시키기 위한 시스템, 예를 들어 IPS 퍼지 시스템 등이 추가로 요구되는 문제가 있었다.
따라서 로켓엔진을 보다 경량화 할 수 있는 형태의 터보펌프의 개발이 시급한 실정이다.
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.
1. 한국등록특허 제10-1310736호("다단 연소사이클 액체메탄 로켓엔진 시스템") 2. 한국등록특허 제10-0925540호("수직 분리판 및 수평 분리판을 구비하는 액체로켓엔진용연소기 헤드") 3. 한국등록특허 제10-0667033호("흡열냉각 방식의 조립 가능한 복합재료 액체로켓엔진 연소기")
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 터보펌프의 무게와 부피를 최소화하고 관리의 편의성을 높일 수 있는 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진을 제공함에 있다.
한편, 본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진은 산화제가 이송되는 산화제 공급 배관부; 연료가 이송되는 연료 공급 배관부; 상기 산화제 공급 배관부로부터 재생냉각채널을 통해 기화된 산화제를 공급받는 산화제 매니폴드; 상기 연료 공급 배관부로부터 재생냉각채널을 통해 기화된 연료를 공급받는 연료 매니폴드; 상기 산화제 매니폴드 전단에 마련되며, 기화된 상기 산화제에 의해 회전하는 산화제 터빈; 상기 연료 매니폴드 전단에 마련되며, 기화된 상기 연료에 의해 회전하는 연료 터빈; 상기 산화제 공급 배관부 내부에 마련되며, 회전축이 상기 산화제 터빈의 회전축과 연결되어 함께 회전하여 상기 산화제 공급 배관부 내부의 산화제를 상기 산화제 매니폴드로 공급시키는 산화제 펌프; 및 상기 연료 공급 배관부 내부에 마련되며, 회전축이 상기 연료 터빈의 회전축과 연결되어 함께 회전하여 상기 연료 공급 배관부 내부의 연료를 상기 연료 매니폴드로 공급시키는 연료 펌프;를 포함한다.
또한, 상기 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진은, 상기 산화제 매니폴드와 연료 매니폴드 하측에 위치하여 기화된 산화제와 기화된 연료를 하측으로 분사시키는 분사기; 상기 분사기로부터 기화된 산화제와 연료를 공급받고, 상기 산화제와 상기 연료가 연소되는 연소기;를 더 포함한다.
그리고 상기 산화제 펌프의 회전축과 산화제 터빈의 회전축은 동일한 하나의 회전축인 제1회전축이고, 상기 연료 펌프의 회전축과 연료 터빈의 회전축은 동일한 하나의 회전축인 제2회전축인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1회전축과 제2회전축은 기어를 통해 서로 연결되어, 서로에 대한 회전 속도의 비가 일정한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 연소기는, 연소실벽에 연소기의 하단에서 상단을 연결하는 냉각채널이 다수 개 형성되고, 상기 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진은, 상기 냉각채널 중 교번적으로 선택된 냉각채널인 제1냉각채널과 상기 산화제공급 배관부를 서로 연결하는 산화제 유입 매니폴드와, 상기 냉각채널 중 상기 제1냉각채널을 제외한 냉각채널인 제2냉각채널과 상기 연료 공급 배관부를 서로 연결하는 연료 유입 매니폴드를 포함하는 유입 매니폴드;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 유입 매니폴드는 상기 연소기의 둘레를 따라 형성되며, 상기 제1냉각채널은 상기 산화제 매니폴드와 연통되고, 상기 제2냉각채널은 상기 연료 매니폴드와 연통되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진은 터보펌프 케이싱이 연소기 헤드부의 추력지지부를 겸하여 연소기 헤드부의 중량이 감소되는 효과가 있으며, 터보펌프와 연소기를 최근접 배치함으로 연결 배관의 무게와 부피를 최소화하고, 종래 연소기에서 터빈을 구동하기 위한 배관과 터빈에서 연소기 혼합 헤드로 유입되는 배관을 연소기 헤드부와 일체형으로 제작하는 것을 통해 제작비가 감소하고 연결부의 누설이 발생하지 않으며 추가적인 조립을 위한 노력이 절감되어 신뢰성이 높아지고 조립비가 절감되며 제작 속도가 빨리지는 효과가 있다.
또한, 제1회전축과 제2회전축을 연결하는 기어를 통해 연소혼합비율을 일정하게 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 제 1회전축과 제2회전축의 속도를 기어비를 통해 조절함으로 터보펌프의 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 산화제와 연료가 냉각채널을 유동함에 따라 이들이 가열되므로, 연소기에 별도의 열교환기를 구비하지 않아도 되는 효과가 있다.
또한, 산화제와 연료가 기체상태로 연소실 내부에 분사하여 연소됨으로 연소 효율이 극대화되는 효과가 있다.
또한, 터보펌프 조립체를 연소기 옆에 붙이지 않아도 되기 때문에, 엔진 조립체의 부피가 최소화 되어 다수의 엔진을 함께 사용하는 클러스트링 엔진 조립체의 배치 및 보수가 유리해지는 효과가 있다.
도 1은 종래의 로켓엔진을 도시한 정면도이다.
도 2는 종래의 로켓엔진을 도시한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진의 측단면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진의 연소기 재생냉각채널을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진의 연소기 내부로 산화제와 연료가 분사되는 모습을 도시한 측단면도이다.
본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진의 단면을 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진은, 산화제 공급 배관부(210), 연료 공급 배관부(310), 산화제 매니폴드(250), 연료 매니폴드(350), 산화제 터빈(270), 연료 터빈(370), 산화제 펌프(230), 연료 펌프(330), 분사기(120), 연소기 헤드(110) 및 연소기(100)를 포함할 수 있다.
본 발명에서 연소기(100)는 산화제와 연료가 서로 함께 공급되어 연소되는 부분이다. 연소기(100) 내부는 산화제와 연료가 서로 연소됨에 따라, 상당히 높은 온도가 형성된다.
산화제 공급 배관부(210)는 산화제 탱크가 연결되어 산화제가 이송되는 유로를 형성한다. 산화제 공급 배관부(210)는 크게 세 부분으로 나뉘는데, 연소기 헤드(110) 일측에 접하여 형성되며 두 개의 포트를 가지는 산화제 펌프 케이싱(211)과, 산화제 펌프 케이싱(211)에 형성된 하나의 포트와 산화제 탱크를 서로 연결하는 제1 산화제 공급 배관(212)과, 산화제 펌프 케이싱(211)의 나머지 하나의 포트와 후술할 산화제 유입 매니폴드(141)를 연결하는 제2산화제 공급 배관(213)이다.
참고로, 상기 산화제 펌프 케이싱(211)은 연소기 헤드(110)의 내부 공간과는 연통되지 않고 별도로 형성됨이 바람직하다.
연료 공급 배관부(310)는 연료 탱크가 연결되어 연료가 이송되는 유로를 형성한다. 연료 공급 배관부(310) 역시 연료 펌프 케이싱(311)과, 제1 연료 공급 배관(312)과, 제2 연료 공급 배관(313)의 세 부분으로 나뉘며, 각 부분들의 형상은 앞서 설명한 산화제 공급 배관부(210)와 동일하되, 제1 연료 공급 배관(312)의 일단은 연료탱크와 연결되고 타단은 연료 펌프 케이싱(311)에 형성된 하나의 포트에 연결되며, 제2 연료 공급 배관(313)의 일단은 연료 펌프 케이싱(311)에 형성된 다른 하나의 포트에 연결되고 타단은 후술할 연료 유입 매니폴드(142)와 연결된다.
산화제 펌프(230)는 상기 산화제 펌프 케이싱(211) 내부에 마련된다. 이때, 산화제 펌프(230)의 회전축은 산화제 펌프 케이싱(211)에 형성된 포트 중 제1 산화제 공급 배관(212)이 연결된 포트와 수평한 방향으로 배열되고, 다른 하나의 포트와는 수직을 이루어, 제1 산화제 공급 배관(212)이 연결된 포트를 통해 유입되는 산화제는 산화제 펌프(230)에 포함된 펌프 날개에 대하여 수직으로 유입되고 제2 산화제 공급 배관(213)이 연결된 포트를 통해 배출되는 산화제는 펌프(230)의 날개의 원심력에 의해 원활히 배출되도록 함이 바람직하다.
연료 펌프(330) 역시 상기 연료 펌프 케이싱(311)에 마련되며, 연료 펌프(330)의 회전축은 연료 펌프 케이싱(311)에 형성된 포트 중 제1 연료 공급 배관(312)이 연결된 포트와 수평한 방향으로 배열되고, 다른 하나의 포트와는 수직을 이루어, 연료 펌프(330)가 회전함에 따라 제1 연료 공급 배관(312)이 연결된 포트를 통해 연료를 유입시키고 다른 하나의 포트를 통해서는 연료를 배출시키도록 함이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진의 연소기 재생냉각채널을 도시한 사시도이고, 도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진의 연소기 내부로 산화제와 연료가 분사되는 모습을 도시한 측단면도이다.
잠시 도 4와 도 5를 참고로 연소기(100)에 대해 설명하도록 한다.
연소기(100)는 앞서 설명한 바와 같이 연소실 내부로 산화제와 연료가 공급되어 연소되는 부분이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진(1000)의 연소기(100)는 일반적인 연소기(100)와 달리 연소실 냉각을 극대화하기 위한 구성인 냉각채널(130)과, 유입 매니폴드(140)를 이중으로 포함한다.
냉각채널(130)은 산화제 공급 배관부(210)와 연료 공급 배관부(310)로부터 공급된 연료를 연소기 헤드(110) 측으로 이송하도록 하여 연소기를 냉각시키는 역할을 한다. 이를 위해 냉각채널(130)은 연소실벽을 따라 연소기(100)의 하단에서 상단으로 연장된 형태이며, 연소기(100) 둘레를 따라 다수개가 마련된다.
유입 매니폴드(140)는 앞서 설명한 산화제 공급 배관부(210)와 연료 공급 배관부(310)를 냉각채널(130)과 연결시키기 위한 구성이다. 유입 매니폴드(140)는 연소기의 하단에 연소기의 둘레를 따라 형성되며, 그 내부 공간은 산화제 유입 매니폴드(141)와 연료 유입 매니폴드(142)로 구획되어있다.
산화제 유입 매니폴드(141)는 유입 매니폴드(140) 내부에서 상기 냉각채널 중 교번적으로 선택된 냉각채널인 제1냉각채널(131)과, 제2 산화제 공급 배관(213)을 서로 연결하도록 형성된다. 즉, 상기 제2산화제 공급 배관(213)이 유입 매니폴드(140)에 연결되어있으며, 이를 통해 제2산화제 공급 배관(213)과 산화제 유입 매니폴드(141)는 서로 연통하도록 형성되고 산화제 유입 매니폴드(141)는 다시 제1냉각채널(131)과 연통되어있는 것이다. 그리고 연료 유입 매니폴드(142)는 상기 냉각채널 중 상기 제1냉각채널을 제외한 냉각채널인 제2냉각채널(132)과, 제2 연료 공급 배관(313)을 서로 연결하도록 형성된다. 이에 따라 제2 연료 공급 배관(313)과 연료 유입 매니폴드(142)와 제2냉각채널(132)은 서로 연통됨은 물론이다.
이때, 상기 제2산화제 공급 배관(213)과 제2 연료 공급 배관(313)각각이 유입 매니폴드(140)와 연결된 부위에는 별도의 밸브가 마련되어 산화제와 연료의 흐름을 제한할 수 있다. 참고로 도 3은 밸브가 폐쇄된 경우를 나타내고 있고, 도 5는 밸브가 개방된 모습을 나타내고 있다. 그리고 도 5에서 산화제의 흐름경로는 파랑색으로, 연료의 흐름경로는 붉은 색으로 도시하였다.
즉, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진(1000)의 유입 매니폴드(140)는 제2 산화제 공급 배관(213)과 제2 연료 공급 배관(313)으로부터 유입된 산화제 및 연료를 산화제 유입 매니폴드(141)와 연료 유입 매니폴드(142)를 통해 공급받고 다시 제1냉각채널(131)과 제2냉각채널(132) 각각으로 이송시켜 연소기(100)를 냉각시키는 것이다. 이때, 산화제는 제1냉각채널(131)을 통해 유통되고 연료는 제2냉각채널(132)을 통해 유통되어 산화제와 연료가 교번적으로 배치되어 유동하게 되는데 이는 1종의 추진제를 사용했을 때보다 냉각성능이 충분하여 막냉각을 사용할 필요가 없고, 재생냉각채널 중간에 추진제 입출구부가 없어 특정 부위가 과열되는 것을 예방할 수 있으며, 산화제와 연료 모두 냉각채널(130)을 유동하면서 기체상태 혹은 기체가 되기 쉽도록 가열 및 가압되어 엔진 연소 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 산화제와 연료 각각에 대해 별도로 열교환기를 사용하지 않아도 되기 때문에 엔진의 무게를 크게 줄일 수 있으며, 교번적으로 연소실벽 전체에 걸쳐 냉각채널이 형성되어있으므로 연소실 벽의 특정 부분에 산화제 또는 연료가 집중되지 않아 균일하게 분포되어 유동할 수 있고 이는 곧 균일한 냉각효과를 발휘할 수 있다.
상기 냉각채널(130)을 통과한 산화제 및 연료는 연소실 내부의 열에 의해 기화되어 연소기(100) 상측에 위치한 연소기 헤드(110)의 산화제 매니폴드(250)와 연료 매니폴드(350)로 각각 공급된다.
한편, 연소기 헤드(110) 내측 하단부에는 분사기(120)가 마련된다. 분사기(120)는 산화제 매니폴드(250)와 연료 매니폴드(350) 하측에 위치하여 기화된 산화제와 기화된 연료를 하측으로 분사시킨다. 참고로 산화제 매니폴드(250)와 연결된 분사기는 산화제 분사기(120a)이고, 연료 매니폴드(350)와 연결된 분사기는 연료 분사기(120b)이다.
다시 도 3을 참고로, 산화제 매니폴드(250)는 앞서 설명한 바와 같이 제1냉각채널(131)로부터 산화제를 공급받고 냉각채널을 따라 이동하는 산화제는 연소기(100)와 열교환을 통해 뜨거워지면서 기화되며, 기화된 산화제는 산화제 터빈(270)으로 이동하는데, 기화된 산화제는 산화제 터빈(270)을 구동시킨 후 산화제 매니폴드(250)로 공급된다.
연료 매니폴드(350) 역시 앞서 설명한 바와 같이 제2냉각채널(132)로부터 연료를 공급받고 제2냉각채널(132)을 따라 이동하는 연료는 연소기(100)와 열교환을 통해 뜨거워지면서 기화되며, 기화된 연료는 연료 터빈(370)으로 이동한다. 기화된 연료 역시 연료 터빈(370)을 구동시킨 후 연료 매니폴드(350)로 공급된다.
참고로, 산화제 매니폴드(250)와 연료 매니폴드(350) 각각은 연소기 헤드(110) 즉, 연소기(100) 내부에서 분사기(120) 상측에 위치함이 바람직하며, 각각은 분사기(120)에 형성된 분사구를 통해 연소기(100) 내부로 분사되도록 마련된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상술한 산화제 매니폴드(250)와 연료 매니폴드(350)는 서로 구획되어 있다. 이는 산화제와 연료가 서로 섞이면 연소가 일어나 분리해야할 필요가 있기 때문이며, 상술했듯 산화제와 연료는 연소기(100) 내부의 연소실에서 서로 섞이며 연소되어, 발사체의 추진동력으로 사용된다.
산화제 터빈(270)은 상기 산화제 매니폴드(250)의 전단부, 더욱 정확하게는 제1냉각채널(131)과 산화제 매니폴드(250) 사이에 마련되며, 제1냉각채널(131)을 통과하여 기화된 산화제에 의해 회전한다. 산화제 터빈(270)의 회전축은 상술했던 산화제 펌프 케이싱(211)측을 향하도록 설치될 수 있다.
연료 터빈(370)은 상기 연료 매니폴드(350)의 전단부, 더욱 정확하게는 제2냉각채널(132)과 연료 매니폴드(350) 사이에 마련되며, 제2냉각채널(132)을 통과하여 기화된 연료에 의해 회전한다. 연료 터빈(370)의 회전축은 상술했던 연료 펌프 케이싱(311)측을 향하도록 설치될 수 있다.
산화제 공급 배관부(210) 내부에 마련된 산화제 펌프(230)는 회전축이 상기 산화제 터빈(270)의 회전축과 연결되어 산화제 터빈(270)과 함께 회전한다. 산화제 펌프(230)를 통해 산화제 탱크에 저장된 산화제는 산화제 공급 배관부(210)와 제1냉각채널(131)과 산화제 터빈(270)을 거쳐 산화제 매니폴드(250)로 공급된다.
연료 펌프(330) 역시 연료 공급 배관부(310) 내부에 마련되며, 회전축이 상기 연료 터빈(370)의 회전축과 연결되어 연료 터빈(370)과 함께 회전한다. 연료 펌프(330)를 통해 연료 탱크에 저장된 연료는 연료 공급 배관부(310)와 연료 터빈(370)과 제2냉각채널(132)을 거쳐 연료 매니폴드(350)로 공급된다.
본 발명은 산화제 펌프(230)와 연료 펌프(330)를 각각 산화제 터빈(270)과 연료 터빈(370)과 연동시키고, 산화제 공급 배관부(210) 및 연료 공급 배관부(310) 내에 위치시킴으로써 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진(1000)을 소형화시키고 종래의 터보 펌프로 들어가는 배관과, 터보 펌프에서 나와서 연소기 헤드부에 있는 분사기(120)로 들어가는 배관을 삭제시킴으로서 터보펌프 제작을 단순화시키고 무게를 절감하는 구조를 만들 수 있다.
설명의 편의상 상기 산화제 펌프(230)의 회전축과 산화제 터빈의 회전축은 동일한 하나의 회전축인 제1회전축이고, 상기 연료 펌프(330)의 회전축(331)과 연료 터빈(370)의 회전축은 동일한 하나의 회전축인 제2회전축이라 한다. 제1회전축(231)과 제2회전축(331)은 기어(232, 332)를 통해 연소기 헤드(110) 내부에서 서로 연결될 수 있다. 여기서 기어(232, 332)는 벨벳기어와 같이 서로 다른 두 방향으로 연장된 회전체가 특정 기어비로 회전하도록 제1회전축(231)과 제2회전축(331)을 연결하는 기어일 수 있다. 본 발명은 제1회전축(231)과 제2회전축(331)을 서로 연결하는 기어(232, 332) 구조를 통해 서로에 대한 회전 속도의 비가 일정하도록 하여 산화제와 연료의 연소 혼합비를 유지시키고, 이를 통해 산화제 터빈(270)과 연료 터빈(370) 중 어느 한 측에 산화제 또는 연료가 과공급되어 연소기(100)가 녹거나 본 발명의 구동에 있어서 불안정한 상황이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 산화제 펌프(230)와 연료 펌프(330)를 완전히 분리시켜 산화제 펌프(230)와 연료 펌프(330)가 한 축에서 움직이는 일반적인 터보펌프에 비해 IPS 퍼지 시스템 등 산화제와 연료가 서로 섞일 수 있는 가능성을 차단시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진(1000)은 전체 혹은 적어도 연소기(100)와, 냉각채널(130)과, 연소기 헤드(110)와 분사기(120)부분이 적층 제조에 의해 일체로 형성될 수 있다.
보다 구체적으로, 종래의 기계 가공에서는 연소기의 내피(inner wall)를 밀링 가공하여 채널을 구획한 다음, 외피(outer jacket)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 발명의 바람직한 실시예에 따른 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진(1000)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, 원주방향으로 교대로 배치되는 복잡한 형상의 냉각 채널을 구현 할 수 있다.
그리고 이를 통해 종래 연료 펌프와 산화제 펌프를 동일한 터빈에 복잡하게 기구적으로 연결되어 있었던 것과 달리 각각의 펌프가 서로 다른 터빈을 사용하는 팽창식 사이클을 구성할 수 있다. 이에 따라, 펌프와 터빈의 연결구성을 단순화할 수 있다. 또한, 연료 탱크에 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.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100: 연소기
110: 연소기 헤드 120: 분사기
130: 냉각채널
131: 제1냉각채널 132: 제2냉각채널
140: 유입 매니폴드
141: 산화제 유입 매니폴드 142: 연료 유입 매니폴드
210: 산화제 공급 배관부 211: 산화제 펌프 케이싱
212: 제1 산화제 공급 배관 213: 제2 산화제 공급 배관
230: 산화제 펌프
231: 제1회전축 232: 기어
250: 산화제 매니폴드
270: 산화제 터빈
310: 연료 공급 배관부 311: 연료 펌프 케이싱
312: 제1 연료 공급 배관 313: 제2 연료 공급 배관
330: 연료 펌프
331: 제2회전축 332: 기어
350: 연료 매니폴드
370: 연료 터빈

Claims (6)

  1. 산화제가 이송되는 산화제 공급 배관부;
    연료가 이송되는 연료 공급 배관부;
    상기 산화제 공급 배관부로부터 기화된 산화제를 공급받는 산화제 매니폴드;
    상기 연료 공급 배관부로부터 기화된 연료를 공급받는 연료 매니폴드;
    상기 산화제 매니폴드 전단부에 마련되며, 기화된 상기 산화제에 의해 회전하는 산화제 터빈;
    상기 연료 매니폴드 전단부에 마련되며, 기화된 상기 연료에 의해 회전하는 연료 터빈;
    상기 산화제 공급 배관부 내부에 마련되며, 회전축이 상기 산화제 터빈의 회전축과 연결되어 함께 회전하여 상기 산화제 공급 배관부 내부의 산화제를 상기 산화제 매니폴드로 공급시키는 산화제 펌프;
    상기 연료 공급 배관부 내부에 마련되며, 회전축이 상기 연료 터빈의 회전축과 연결되어 함께 회전하여 상기 연료 공급 배관부 내부의 연료를 상기 연료 매니폴드로 공급시키는 연료 펌프;
    상기 산화제 매니폴드와 연료 매니폴드 각각의 하측에 위치하여 기화된 산화제와 기화된 연료를 하측으로 분사시키는 분사기; 및
    상기 분사기로부터 기화된 산화제와 연료를 공급받고, 상기 산화제와 상기 연료가 연소되는 연소기;를 포함하되,
    상기 연소기는,
    연소실벽에 연소기의 하단에서 상단을 연결하는 냉각채널이 다수 개 형성되고,
    상기 냉각채널 중 교번적으로 선택된 냉각채널인 제1냉각채널과 상기 산화제공급 배관부를 서로 연결하는 산화제 유입 매니폴드와,
    상기 냉각채널 중 상기 제1냉각채널을 제외한 냉각채널인 제2냉각채널과 상기 연료 공급 배관부를 서로 연결하는 연료 유입 매니폴드를 포함하는 유입 매니폴드;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 산화제 펌프의 회전축과 산화제 터빈의 회전축은 동일한 하나의 회전축인 제1회전축이고,
    상기 연료 펌프의 회전축과 연료 터빈의 회전축은 동일한 하나의 회전축인 제2회전축인 것을 특징으로 하는 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1회전축과 제2회전축은 기어를 통해 서로 연결되어, 서로에 대한 회전 속도의 비가 일정한 것을 특징으로 하는 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유입 매니폴드는 상기 연소기의 둘레를 따라 형성되며,
    상기 제1냉각채널은 상기 산화제 매니폴드와 연통되고,
    상기 제2냉각채널은 상기 연료 매니폴드와 연통되는 것을 특징으로 하는 연소기 헤드-터보펌프 일체형 로켓엔진.
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