KR102628965B1 - 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터 - Google Patents

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KR102628965B1 KR1020230075308A KR20230075308A KR102628965B1 KR 102628965 B1 KR102628965 B1 KR 102628965B1 KR 1020230075308 A KR1020230075308 A KR 1020230075308A KR 20230075308 A KR20230075308 A KR 20230075308A KR 102628965 B1 KR102628965 B1 KR 102628965B1
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이수지
윤지수
오석진
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Abstract

일 실시예에 따른 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터는, 제1 추진제가 배치되고, 제1 추진제가 연소하여 생성된 연소가스가 내부에서 유동하는 제1 부분 및 제1 추진제 및 제2 추진제가 나선형으로 배치되고, 제1 부분의 일단으로부터 연장되어 형성되며, 노즐목 및 노즐목으로부터 연장되어 형성되는 노즐부를 포함하는 제2 부분을 포함하고, 제1 부분 및 제2 부분은 내부가 빈 중공형 형상이고, 제2 추진제는 제1 추진제보다 연소 속도가 느릴 수 있다.

Description

추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터{A BOOSTER WITH SPIRAL ARRANGEMENT OF PROPELLANT GRAIN}
아래의 실시예들은 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터에 관한 것이다.
무노즐 부스터는 추진제 그레인이 노즐 형상을 구현하도록 모델링되어 있다. 노즐목을 구성하는 추진제가 너무 빨리 연소되어버리면 노즐목 면적이 점차 증가하게 되어 연소실 압력이 연소시간에 따라 점점 감소하게 되고 노즐 팽창비 감소 등에 의해 성능이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 무노즐 부스터는 노즐목 형상을 최대한 유지할 수 있는 방안이 필요하다. 하지만 무노즐 부스터에서 생성되는 연소가스의 유동속도가 특정속도를 넘어서면 추진제의 연소속도는 압력뿐만 아니라 유동속도에 영향을 받는 현상인 침식연소가 발생한다. 침식연소는 연소실 축방향 유동속도가 증가하거나 연소실 압력이 높을수록 많이 발생하기 때문에 침식연소가 발생하게 되면 점점 추진제의 연소속도가 가속화되어 의도치 않은 급속한 연소가 발생한다. 추진제의 급속한 연소는 의도치 않은 급격한 압력의 상승을 일으키기 때문에 부스터에 충격을 줄 수 있으며, 노즐목을 구성하는 추진제 또한 의도한 시점보다 빠르게 연소가 이루어져 노즐목이 팽창하게 되고 결국 의도한 성능에 못 미치는 결과를 가져온다. 따라서 침식연소를 막고 노즐목 형상을 최대한 유지하는 방안이 필요하다.
관련 종래 기술에서는 연소속도가 느린 이종의 추진제를 섞어서 그레인을 형성하는 방법, 기존 일렬 배치의 추진제를 다중의 열로 분리배치 및 추진제 내부에 분리 판을 삽입하는 방법, 연소실을 둘로 나누는 방법 등으로 연소속도를 조절하여 침식연소가 발생하지 않도록 하였다.
등록특허 제 10-1494393호에는 이중 추진 로켓 추진기관에 관한 내용이 개시되어 있다.
일 실시예에 따른 목적은 연소속도가 다른 이종의 추진제를 나선형으로 배치하여 내부에 연소가스의 와류 형성을 통한 에어커튼 효과로 침식연소를 방지하고, 이를 통해 노즐목이 확장되는 것을 방지할 수 있는, 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 목적은 침식연소 방지를 통해 연소 초기의 급격한 압력 상승을 차단하여 부스터에 가해지는 충격을 방지할 수 있는, 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터를 제공하는 것이다.
일 실시예에 따른 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터는, 제1 추진제가 배치되고, 제1 추진제가 연소하여 생성된 연소가스가 내부에서 유동하는 제1 부분 및 제1 추진제 및 제2 추진제가 나선형으로 배치되고, 제1 부분의 일단으로부터 연장되어 형성되며, 노즐목 및 노즐목으로부터 연장되어 형성되는 노즐부를 포함하는 제2 부분을 포함하고, 제1 부분 및 제2 부분은 내부가 빈 중공형 형상이고, 제2 추진제는 제1 추진제보다 연소 속도가 느릴 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2 부분의 노즐목에서의 연소 속도는 제1 부분에서의 연소 속도보다 느릴 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1부분은 제1 추진제와 연소 속도가 다른 제3추진제를 더 포함하고, 제1 부분에서, 제1 추진제 및 제3 추진제는 제1 간격으로 나선형으로 배치되며, 제2 부분에서, 제1 추진제 및 제2 추진제는 제2 간격으로 나선형으로 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제3 추진제의 연소 속도는 제1 추진제의 연소 속도보다 빠르거나 느릴 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2부분에서의 제2 간격은 제1부분에서의 제1 간격보다 작을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제2부분에서의 나선형의 제2 피치 값은 제1부분에서의 나선형의 제1 피치 값보다 작을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 부분의 타단으로부터 제2 부분의 노즐목까지 내부의 직경이 점점 작아질 수 있다.
일 실시예에 따른 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터는, 연소속도가 다른 이종의 추진제를 나선형으로 배치하여 내부에 연소가스의 와류 형성을 통한 에어커튼 효과로 침식연소를 방지하고, 이를 통해 노즐목이 확장되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따른 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터는, 침식연소 방지를 통해 연소 초기의 급격한 압력 상승을 차단하여 부스터에 가해지는 충격을 방지할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따라, 제1 부분이 제1 추진제로 구성되는 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터의 전체적인 구조를 나타내는 사시도를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따라, 제1 부분이 제1 추진제 및 제3 추진제로 구성되는 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터의 전체적인 구조를 나타내는 사시도를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터의 A-A선에 따른 단면도를 도시한다.
도 4는 도 2에 도시된 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터의 B-B 선 및 C-C선에 따른 단면도를 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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, 부품 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 실시예가 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.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따라, 제1 부분(100)이 제1 추진제(10)로 구성되는 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터(1)의 전체적인 구조를 나타내는 사시도를 도시한다.
도1을 참조하면, 일 실시예에 따른 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터(1)는, 제1 추진제(10)가 배치되고, 제1 추진제(10)가 연소하여 생성된 연소가스가 내부에서 유동하는 제1 부분(100) 및 제1 추진제(10) 및 제2 추진제(20)가 나선형으로 배치되고, 제1 부분(100)의 일단으로부터 연장되어 형성되며, 노즐목(201) 및 노즐목(201)으로부터 연장되어 형성되는 노즐부(202)를 포함하는 제2 부분(200)을 포함할 수 있다. 이 때, 제1 부분(100) 및 제2 부분(200)은 내부에서 연소가스가 유동될 수 있도록 내부가 빈 중공형 형상일 수 있다.
이 때, 제2 추진제(20)는 제1 추진제(10)보다 연소 속도가 느릴 수 있다. 즉, 제2 부분(200)에서 연소속도가 서로 다른 제1 추진제(10) 및 제2 추진제(20)가 나선형으로 배치됨으로써, 연소속도 차이에 따라 제2 부분(200) 내부에 와류가 형성될 수 있다. 이와 같이 제2 부분(200)에 제1 추진제(10) 및 제1 추진제(10)보다 연소 속도가 더 느린 제2 추진제(20)가 나선형으로 배치됨으로써, 제2 부분(200)의 노즐목(201)에서의 연소 속도는 제1 추진제(10)로만 구성되는 제1 부분(100)에서의 연소 속도보다 느릴 수 있다. 따라서, 제2 부분(200) 내의 노즐목(201) 형상의 유지시간을 증가시킬 수 있고, 압력 유지 및 비추력을 향상시킬 수 있다.
부스터(1) 내부에 형성된 와류는 화염이 제1 추진제(10) 및 제2 추진제(20)에 직접적으로 영향을 주는 것을 차단하는 에어커튼 역할을 하기 때문에 침식연소를 방지할 수 있으며, 이로 인하여 의도치 않은 압력 상승을 피할 수 있기 때문에 안정성을 높일 수 있다. 특히, 와류 유동에 의해 제2 부분(200) 내의 노즐목(201) 형상을 오래 유지함에 따라 부스터(1)의 성능이 증가될 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 연소가스는 내부에서 부스터(1)의 길이방향(X방향)을 따라 유동하게 되고, 연소가스의 유동에 의해 부스터(1)의 중심으로부터 부스터(1)의 외주면으로 진행하는 방향(Y방향)을 따라 제1 추진제(10) 또는 제2 추진제(20)의 형상을 변형시킬 수 있는 침식연소가 발생할 수 있다. 침식연소가 발생하게 되면 추진제의 연소속도가 가속화되어 의도치 않은 급속한 연소가 발생할 수 있다. 이 때, 제1 추진제(10) 및 제2 추진제(20)를 나선형으로 배치하게 되어 발생된 와류가 부스터(1)의 내부에서 제2 부분(200)의 내주면을 감싸는 형상으로 형성되어 에어커튼 역할을 수행하며 연소가스의 유동에 따라 발생될 수 있는 침식연소를 방지할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따라, 제1 부분(110)이 제1 추진제(10) 및 제3 추진제(30)로 구성되는 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터(1)의 전체적인 구조를 나타내는 사시도를 도시한다.
일 실시예에 따르면, 제1부분(110)은 제1 추진제(10)와 연소 속도가 다른 제3추진제(30)를 더 포함하고, 제1 부분(110)에서 제1 추진제(10) 및 제3 추진제(30)는 제1 간격(G1)으로 나선형으로 배치되며, 제2 부분(200)에서 제1 추진제(10) 및 제2 추진제(20)는 제2 간격(G2)으로 나선형으로 배치될 수 있다. 이 때, 후술할 바와 같이, 제2부분(200)에서의 제2 간격(G2)은 제1부분(110)에서의 제1 간격(G1)보다 작을 수 있다.
한편, 제3 추진제(30)의 연소 속도는 제1 추진제(10)의 연소 속도보다 빠르거나 느릴 수 있다. 제3 추진제(30)의 연소 속도가 제1 추진제(10)의 연소 속도보다 빠를 경우, 제1 부분(110)에서의 연소 속도가 전체적으로 빨라지게 되고, 따라서 연소 시간에 따른 압력 강하의 감소를 통해 추력 성능을 향상시킬 수 있다. 이 경우에도 제1 추진제(10) 및 제3 추진제(30)를 동시에 혼합 연소시키기 때문에 부스터(1)에 가해지는 충격을 감소시킬 수 있다. 제3 추진제(30)의 연소 속도가 제1 추진제(10)의 연소 속도보다 느릴 경우, 제1 부분(110)에서의 연소 속도가 전체적으로 느려지게 되고, 따라서 제1 부분(110)의 형상의 유지시간을 증가시킬 수 있고, 압력 유지 및 비추력을 향상시킬 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터(1)의 A-A선에 따른 단면도를 도시한다.
일 실시예에 따르면, 제1 부분(110)의 타단으로부터 제2 부분(200)의 노즐목(201)까지 내부의 직경이 점점 작아질 수 있다. 즉, 제1 부분(110)의 타단에서의 내부의 직경(D1)이 제2 부분(200)의 노즐목(201)에서의 내부의 직경(D2)보다 클 수 있다. 이를 통해 노즐목(201) 면적을 최소로 만들어 연소 중 노즐목(201) 형상을 유지하는 시간을 늘릴 수 있고, 노즐목(201)의 면적이 더 좁아짐에 따라 노즐 팽창비가 증가되어 성능을 향상시킬 수 있다.
도 3에서는 내부의 직경이 일정하게 작아지는 것으로 도시되었지만, 이는 일 실시예에 불과하며 그 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 입장에서 필요에 따라 선택적으로 형상이 변경될 수 있음은 자명하다. 예를 들어, 내부의 직경이 일정하게 유지되고 노즐목(201) 부분에서 급격하게 직경이 감소하는 형상을 지닐 수도 있다.
한편, 일 실시예에 따르면, 제2부분(200)에서의 나선형의 제2 피치 값(P2)은 제1부분(100)에서의 나선형의 제1 피치 값(P1)보다 작을 수 있다. 이 때, 피치 값은 나선형 형태가 한 번 회전했을 때 그 사이의 거리를 의미한다. 제2 피치 값(P2)을 제1 피치 값(P1)보다 작게 함으로써, 제2 부분(200)에서의 와류 형성을 제1 부분(100)에서보다 더 크게 할 수 있고, 따라서 노즐목(201) 부분에서의 침식연소를 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
또는, 상기와 같이 노즐목(201) 부분에서의 침식연소를 더욱 효과적으로 방지하기 위한 목적을 달성하기 위해, 제2 부분(200)에서의 와류의 회전각을 제1 부분(100)에서의 와류의 회전각보다 작게 설정할 수도 있다.
도 4는 도 2에 도시된 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터(1)의 B-B 선 및 C-C선에 따른 단면도를 도시한다.
도 4의 (a)는 제1 부분(110)에 해당하는 B-B선에 따른 단면도를 나타내며, 도 4의 (b)는 제2 부분(200)에 해당하는 C-C선에 따른 단면도를 나타낸다.
일 실시예에 따르면, 제2부분(200)에서의 제2 간격(G2)은 제1부분(110)에서의 제1 간격(G1)보다 작을 수 있다. 즉, 제2 간격(G2)을 제1 간격(G1)에 비해 더 작게 함으로써 제2 부분(200)에서 더 강한 와류를 형성할 수 있기 때문에, 와류의 에어커튼 효과로 침식연소로부터 보호할 수 있어 기존보다 오래 형상을 유지하여 기존의 요구되는 추진 성능을 오래 유지할 수 있다. 한편, 제1 간격(G1) 및 제2 간격(G2)은 요구하는 성능 조건(총 연소시간, 최대압력, 최대추력 등)에 따라 그 간격을 조절하여 원하는 요구조건을 만족시킬 수 있다.
즉, 노즐목(201) 부분에 와류의 피치 값, 회전각, 또는 추진제의 간격 조절을 통한 와류의 강도 조절을 통해 연소시간, 최대압력, 최대추력 및 노즐목(201) 유지 시간 등을 조절할 수 있고, 이를 통해 다양한 성능 요구 조건을 달성할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 일 실시예에 따른 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터(1)는, 연소속도가 다른 이종의 추진제를 나선형으로 배치하여 내부에 연소가스의 와류 형성을 통한 에어커튼 효과로 침식연소를 방지하고, 이를 통해 노즐목(201)이 확장되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따른 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터(1)는, 침식연소 방지를 통해 연소 초기의 급격한 압력 상승을 차단하여 부스터(1)에 가해지는 충격을 방지할 수 있으며, 추가적인 설비나 기존의 부스터의 형상이 크게 변하지 않아 종래의 설계를 사용할 수 있다는 장점이 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.
1 : 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터
10 : 제1 추진제 20 : 제2 추진제
30 : 제3 추진제 100, 110 : 제1 부분
200 : 제2 부분 201 : 노즐목
202 : 노즐부

Claims (7)

  1. 제1 추진제 및 제3 추진제가 배치되고, 상기 제1 추진제가 연소하여 생성된 연소가스가 내부에서 유동하는 제1 부분; 및
    상기 제1 추진제 및 제2 추진제가 배치되고, 상기 제1 부분의 일단으로부터 연장되어 형성되며, 노즐목 및 상기 노즐목으로부터 연장되어 형성되는 노즐부를 포함하는 제2 부분;
    을 포함하고,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 내부가 빈 중공형 형상이고,
    상기 제2 추진제는 상기 제1 추진제보다 연소 속도가 느리고,
    상기 제3 추진제는 상기 제1 추진제와 연소 속도가 다르며,
    상기 제1 부분에서, 상기 제1 추진제 및 상기 제3 추진제는 제1 간격으로 나선형으로 배치되며,
    상기 제2 부분에서, 상기 제1 추진제 및 상기 제2 추진제는 제2 간격으로 나선형으로 배치되는,
    추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 부분의 상기 노즐목에서의 연소 속도는 상기 제1 부분에서의 연소 속도보다 느린, 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제3 추진제의 연소 속도는 상기 제1 추진제의 연소 속도보다 빠르거나 느릴 수 있는, 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 부분에서의 상기 제2 간격은 상기 제1 부분에서의 상기 제1 간격보다 작은, 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2 부분에서의 나선형의 제2 피치 값은 상기 제1 부분에서의 나선형의 제1 피치 값보다 작은, 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터.
  7. 제1 추진제가 배치되고, 상기 제1 추진제가 연소하여 생성된 연소가스가 내부에서 유동하는 제1 부분; 및
    상기 제1 추진제 및 제2 추진제가 나선형으로 배치되고, 상기 제1 부분의 일단으로부터 연장되어 형성되며, 노즐목 및 상기 노즐목으로부터 연장되어 형성되는 노즐부를 포함하는 제2 부분;
    을 포함하고,
    상기 제1 부분 및 상기 제2 부분은 내부가 빈 중공형 형상이고,
    상기 제2 추진제는 상기 제1 추진제보다 연소 속도가 느리고,
    상기 제1 부분의 타단으로부터 상기 제2 부분의 상기 노즐목까지 내부의 직경이 점점 작아지는, 추진제 그레인의 나선형 배치를 갖는 부스터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS63280843A (ja) * 1987-05-08 1988-11-17 モートン　サイオコール，インコーポレイティド 多段ロケット及びその作動を制御する方法
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