KR20000048063A - 액체 연료 엔진용 점화기 및 액체 연료 로켓의 트러스트챔버내의 연료 및 산화제 점화 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연소실내의 연료와 산화제의 혼합물내로 분사되는 수소 연료가 고온 플라즈마로 되도록 에너지를 가하는 점화기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 액체 연료 로켓 엔진용 점화기에 관한 것이며, 특히 다중 점화 발사대에서의 엔진 재점화의 신뢰성이 증가된 점화기에 관한 것이다.
액체 연료 로켓 엔진은 통상 다중 스테이지 발사 본체상의 상부 스테이지 추진 시스템으로서 이용된다. 예를 들면 지구근방 궤도에 위성을 위치시키는 것과 같은 전형적인 발사 동안에, 상부 스테이지 로켓 엔진은 간단히 점화되고, 다음에 활공되고, 다시 점화될 수 있다. 단일 발사 동안에 엔진의 다중 점화는 다중 엔진 재점화될 수 있는 매우 확실한 점화 시스템이 요구된다.
종래 기술의 점화 시스템은 로켓 엔진 연소실내의 연료/산화제 혼합물의 재점화를 위한 적당한 점화를 보장하도록 점화 동안에 엔진 점화기를 둘러싸는 영역에 부가적인 산화제를 제공하도록 보충 산화제 공급 라인을 포함하는 것이 통상적이다. 점화시에 소망하는 연료/산화제 비율을 생성하도록 점화기에 부가적인 산화제를 공급하는 것이 시험되는 동안에, 보충 산화제 공급 라인은 과열을 방지하기 위해서 차단 밸브가 필요하다. 연소 생성물은 엔진의 시동 가압 동안에 다시 밸브내로 유동하여 밸브가 동결 폐쇄되게 된다. 밸브가 다음 재점화 시도를 위해서 동결 폐쇄되면, 엔진은 확실하게 점화되지 않는다. 역류를 수용하거나 및/또는 제거하기 위한 시도는 차단 밸브가 동결되는 것을 방지하는데 효과적인 못한 것으로 증명되었다.
따라서, 엔진의 다중 점화가 요구되는 발사대에서의 엔진 재점화의 신뢰성을 증가시키는 동시에 종래 기술의 점화 시스템에 비해서 제조비용 및 중량이 감소되는 액체 연료 로켓 엔진용 점화 시스템이 필요하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 엔진의 다중 점화가 요구되는 발사대상의 엔진 재점화의 신뢰성을 증가시키는 액체 연료 로켓 엔진용 점화기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액체 연료 로켓 엔진용 점화 시스템의 중량을 감소시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 액체 연료 로켓 엔진용 점화 시스템의 비용을 감소시키는 것이다.
따라서, 로켓 엔진용 점화기는 적어도 하나의 제 1 전극과, 제 1 전극에 대해 이격되어 제 1 전극과의 사이에 갭을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전극을 구비한 것이 개시되어 있다. 점화기는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전류를 선택적으로 제공하기 위한 수단과, 가스 연료를 갭내로 공급하기 위한 수단을 더 포함한다. 점화기를 이용하는 방법이 또한 개시된다.
본 발명의 상술한 그리고 다른 특징 및 장점은 첨부 도면 및 하기 설명으로부터 보다 잘 이해될 수 있다
도 1은 종래 기술의 로켓 엔진의 개략도,
도 2는 도 1의 2-2 선을 따라 취한 종래 기술의 로켓 엔진의 면판의 평면도,
도 3은 인젝터 요소중 하나의 단면도,
도 4는 본 발명의 점화기의 개략도,
도 5는 도 4의 5-5 선을 따라 취한 다중 제 2 전극을 이용하는 다른 설계의 단면도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 액체 연료 로켓 엔진 12 : 트러스트 챔버
16 : 면판 20 : 점화기 포트
22 : 점화기 40 : 제 1 전극
42 : 제 2 전극 46 : 갭
50 : 스위치 58 : 가스 연료 공급원
도 1에 도시된 바와 같이, 전형적인 액체 연료 로켓 엔진(10)은 트러스트 챔버(12)와, 이 트러스트 챔버(12) 상류의 연소실(14)과, 다수의 연료/산화제 인젝터 요소(18)를 포함한 면판(16)과, 점화기 포트(20)를 포함하고 있다. 점화기(22)는 점화기 포트(20)에 장착되며, 연료 공급 라인(24) 및 산화제 공급 라인(26)은 연료 및 산화제를 연료/산화제 인젝터 요소(18)로 공급한다. 보충 산화제 공급 시스템(28)은 점화 동안에 부가적인 산화제를 점화기(22)로 공급하도록 통상 구비되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 로켓 엔진(10)의 면판(16)은 중심에 위치된 점화기 포트(20)를 구비하며, 점화기(22)는 점화기 포트(20)에 장착된다. 인젝터 요소(18)의 몇몇 환형 열은 포트(20)의 반경방향 외측에 있다. 인젝터 요소(18)의 각각은 도 3에 도시된 바와 같이 제 1 유동 영역을 형성하는 제 1 오리피스(34)와, 제 2 유동 영역을 형성하는 제 2 환형 오리피스(36)를 구비하고 있다. 제 2 환형 오리피스(36)는 제 1 오리피스(34)와 동심이며, 제 1 오리피스(34)에 대해서 반경방향 외측에 있다. 바람직하게, 각 인젝터 요소(18)의 제 1 오리피스(34)는 연소실(14)로 산화제를 공급하며, 제 2 환형 오리피스(36)는 연소실(14)로 연료를 공급한다.
본 발명의 점화기(22)가 도 4에 개략적으로 도시되어 있으며, 본 발명의 점화기(22)는 적어도 하나의 제 1 전극(40)과, 상기 제 1 전극(40)으로부터 반경방향 외측에 있는 적어도 하나의 제 2 전극(42)을 포함한다. 제 1 및 제 2 전극(40, 42)은 점화기 본체(44)에 단단하게 고정되어 있고, 제 2 전극(42)은 제 1 전극(40)에 대해서 이격되어 제 1 전극과의 사이에 갭(46)을 형성한다. 제 2 전극(42)은 도 4에 도시된 바와 같이 제 1 전극(40)을 완전히 둘러싸는 단일 전극일 수 있지만, 바람직하게 제 1 전극으로부터 등거리에 위치된 다수의 제 2 전극(42)이 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 전극(40)을 둘러싼다.
다시 도 4를 참조하면, 스위치(50)에 제어되는 발전기 또는 전력원과 같은 전력 장치(48)는 제 1 전극(40)과 제 2 전극(42) 사이에 전류를 선택적으로 제공하여 후술하는 바와 같이 가스 연료에 에너지를 가할 수 있다. 전력 장치(48)는 전극(40, 42)에 적어도 15,000볼트 전압의 전류를 공급할 수 있다. 제 1 전기 회로(52)는 제 1 및 제 2 전극(40, 42)을 통해 전류를 공급한다.
수소와 같은 가스 연료는 점화기 본체(44)를 통해서 연장되는 하나 이상의 통로(54)를 통해서 갭(46)내로 공급된다. 각 통로(54)는 가스 연료 공급원(58)에 연결된 제 1 단부(56)와, 갭(46)에 인접하여 위치된 제 2 단부(60)를 구비한다. 본 명세서에 있어서, "가스 연료(gaseous fuel)"라는 용어는 기화된 수소 또는 기화된 탄화수소를 말하며, 산소와 같은 것으로 수소 또는 탄화수소의 공지된 산화제를 포함하지 않는 것을 의미한다.
엔진 점화 바로 전에, 연료와 산화제는 각기 연료 공급 라인(24) 및 산화제 공급 라인(26)에 의해 인젝터 요소(18) 모두에 공급된다. 인젝터 요소(18)의 제 2 환형 오리피스(36)로부터의 연료 스프레이와, 인젝터 요소(18)의 제 1 오리피스(34)로부터의 산화제 스프레이는 점화기 포트(20)쪽으로 배향되는 혼합물을 형성하며, 이에 의해 연소가능한 연료/산화제 혼합물을 제공한다. 연료 공급원(58)으로부터의 연료는 통로(54)를 통해 갭(46)내로 가스 형태로 유동되며, 이에 의해 산화제의 점화기 본체(44) 및 갭(46)은 깨끗하게 된다. 엔진 점화시에, 스위치(50)는 제 1 전극(40)과 제 2 전극(42) 사이에 고전압 전류가 흐르게 하도록 트리거된다. 전류는 갭(46)내의 가스 연료에 에너지를 가하여, 가스 연료가 고온 플라즈마로 전환되게 한다. 플라즈마의 온도는 연소를 개시하는데 필요한 한계 온도보다 상당히 높지만, 산화제 모두가 통로(54) 및 갭(46)으로부터 제거되기 때문에, 점화기 본체(44) 또는 갭(46)내에서 플라즈마의 산화는 발생하지 않는다. 그 대신, 연료 공급원(58)으로부터의 가스 연료의 연속 유동에 의해 밀려진 고온 플라즈마는 갭(46)을 벗어나 이동되어 연소실(14)내의 연료/산화제 혼합물과 접촉하게 된다. 높게 에너지가 가해진 상태로 인해서, 고온 플라즈마는 연료/산화제 혼합물과 순간적으로 반응하며, 이에 의해 혼합물의 연소가 개시된다.
본 기술 분야에 숙련된 자들이 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 점화기를 구비하는 로켓 엔진은 종래 기술의 보충 산화제 공급 시스템(28)과 관련된 비용 및 점화의 문제점을 해결하는 동시에 로켓 엔진으로부터의 보충 산화제 공급 시스템(28)의 중량을 감소시킨다.
본 발명의 실시예와 관련하여 본 발명을 도시하고 설명하였지만, 본 기술 분야에 숙련된 자들에 의해 특허청구범위의 정신 및 영역을 벗어남이 없이 다양한 수정이 이뤄질 수 있다.
엔진의 다중 점화가 요구되는 발사대에서의 엔진 재점화의 신뢰성을 증가시키는 동시에 종래 기술의 점화 시스템에 비해서 제조비용 및 중량이 감소되는 액체 연료 로켓 엔진용 점화 시스템이 필요하게 되었다.
Claims (11)
- 액체 연료 엔진용 점화기에 있어서,적어도 하나의 제 1 전극과,상기 제 1 전극으로부터 반경방향 외측에 있으며, 상기 제 1 전극에 대해서 이격되어 제 1 전극과의 사이에 갭을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전극과,상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전류를 선택적으로 제공하기 위한 수단과,가스 연료를 상기 갭내로 공급하기 위한 수단을 포함하는액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 1 항에 있어서,상기 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 전류를 선택적으로 제공하기 위한 상기 수단이 제 1 회로를 포함하며, 상기 제 1 회로는 상기 제 1 및 제 2 전극을 통해 전류를 공급하는 전환가능한 전력 공급원을 포함하는액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 2 항에 있어서,상기 전류의 전압이 적어도 15,000 볼트인액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 3 항에 있어서,상기 제 2 전극이 상기 제 1 전극을 둘러싸는액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 4 항에 있어서,점화기 본체를 더 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 전극은 상기 점화기 본체에 단단히 고정되는액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 5 항에 있어서,상기 갭내로 가스 연료를 공급하기 위한 상기 수단이 상기 점화기 본체를 통해 연장되는 통로를 포함하며, 상기 통로는 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하며, 상기 제 1 단부는 가스 연료 공급원에 연결되고, 상기 제 2 단부는 상기 갭에 인접하여 위치된액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 3 항에 있어서,상기 다수의 제 2 전극이 상기 제 1 전극으로부터 등거리에 위치된액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 7 항에 있어서,점화기 본체를 더 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 전극은 상기 점화기 본체에 단단히 고정되는액체 연료 엔진용 점화기.
- 제 8 항에 있어서,상기 갭내로 가스 연료를 공급하기 위한 상기 수단이 상기 점화기 본체를 통해 연장되는 통로를 포함하며, 상기 통로는 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비하며, 상기 제 1 단부는 가스 연료 공급원에 연결되고, 상기 제 2 단부는 상기 갭에 인접하여 위치된액체 연료 엔진용 점화기.
- 액체 연료 로켓의 트러스트 챔버내의 연료 및 산화제를 점화시키는 방법에 있어서,적어도 하나의 제 1 전극과, 상기 제 1 전극으로부터 반경방향 외측에 있으며 상기 제 1 전극에서 이격되어 제 1 전극과의 사이에 갭을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전극을 포함하는 점화기를 제공하는 단계와,상기 연료 및 산화제의 혼합물을 상기 트러스트 챔버내로 도입하는 단계와,가스 형태의 상기 연료를 상기 갭내로 유동시켜서 산화제의 상기 갭을 깨끗하게 하는 단계와,상기 갭내의 상기 가스 연료에 에너지를 가하여 상기 가스 연료를 고온 플라즈마로 전환하는 단계와,상기 고온 플라즈마를 상기 혼합물과 접촉시켜 유동시킴으로써 상기 혼합물의 연소를 개시하는 단계를 포함하는액체 연료 로켓의 트러스트 챔버내의 연료 및 산화제 점화 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 갭내의 상기 가스 연료에 에너지를 가하는 상기 단계가 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 전류를 흐르게 하는 단계를 포함하는액체 연료 로켓의 트러스트 챔버내의 연료 및 산화제 점화 방법.
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