KR20010001558A - 재생 냉각형 로켓 엔진 연소실 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저렴한 대기 플라즈마 스프레이 방법을 사용하여 고가인 저압 플라즈마 스프레이 공법을 대체하는 열차폐 효과를 낼 수 있는 연소실 벽을 제작할 수 있도록 하는 것이다.

이러한 본 발명은 연소실에 세라믹 100% 코팅층과 세라믹/금속코팅층을 형성시키고 그 위에 전주성형층을 형성시킴에 있어서, 세라믹 100% 코팅층 위에 대기 플라즈마 스프레이 공법으로 다층의 경사기능 재료층을 형성시키고 그 위에 전주성형층을 형성시킴으로써 이루어진다.

Description

재생 냉각형 로켓 엔진 연소실{Recycle cooling type rocket engine combustor}

본 발명은 재생 냉각형 로켓엔진 연소실에 관한 것으로, 열차폐성이 좋은 세라믹(지르코니아)을 연소실 벽면에 배치하고 냉각액이 흐르는 반대면에 금속재를 배치함에 있어서, 세라믹과 금속모재 사이의 결합력을 높이고 열차폐성을 키우도록 하는 것이다.

로켓엔진은 그 냉각방식으로서 연료 혹은 산화제를 냉각액으로 활용하는 재생냉각시스템을 많이 채택하고 있다.

기존에는 로켓엔진 재료로서 동(Cu) 혹은 니켈(Ni)과 같이 단일 금속재료를 주로 사용하고 있으나 이 경우, 재료의 열전도가 커서 흡열량을 작게하기 위해 냉각유량을 많게 하고 연소실의 두께를 두껍게 하는 것이 필요하고 이에 따라 엔진이 무거워지며 성능이 저하되는 경향이 있다.

이 때문에 열차폐성이 높은 지르코니아(ZrO2) 같은 재료로 열차단 코팅을 해서 연소실 벽면으로의 열전달 량을 줄이는 것이 효과적인데, 지르코니아가 금속모재와의 밀착성이 작기때문에 금속과 지르코니아 경계면의 파괴현상이 발생한다.

따라서 열차폐 재료를 연소실 면에 배치하고 냉각액이 지나는 면은 기계가공이 용이하고 열전도도가 큰 금속재로 배치하며 그 중간조성은 순차적으로 변화시키는 경사기능재료층을 형성하여 사용하는 방법이 최근 제시되고 있다.

이 경우 경사기능재료층의 결합력과 열차폐 특성이 효율적인 로켓엔진의 연소실 재료로서의 관건이 된다.

이를 해결하기 위한 기존의 방법은 도 1 에 도시된 바와 같이 연소실(1)에 단일의 저압 플라즈마 스프레이(low pressure plasma spray)공법을 이용하여 세라믹 100% 코팅층(2)을 형성하고 그 위에 세라믹/금속코팅층(3)을 형성한다.

그리고 전주공법을 사용하여 그 위에 세라믹 25% + 금속 75%에서 세라믹 0%+금속 100%의 경사기능재료층(4)을 형성시키고 그 위에 금속 100%층(5)과, 냉각액통로(6) 및 대기(8)와 접하는 금속 100%층(7)을 형성시키게 된다.

여기서 세라믹 100% 코팅층(2)과 세라믹/금속코팅층(3)을 형성시키기 위한 저압 플라즈마 스프레이 방법은 대기 플라즈마 스프레이(atmosphere plasma spray)방법에 비해 조직이 치밀하여 결합력이 뛰어난 반면 저압을 유지시킬 수 있는 장치가 필요하고 이에 따라 저압플라즈마 스프레이방법 이용시 가공에 따른 비용이 많이드는 문제점이 있었다.

본 발명은 저렴한 대기 플라즈마 스프레이 방법을 사용하여 고가인 저압 플라즈마 스프레이 공법을 대체하는 열차폐 효과를 낼 수 있는 연소실 벽을 제작할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 최근의 플라즈마 스프레이에 관한 연구에 의해 하나의 두꺼운 플라즈마 스프레이 층 보다는 얇은 플라즈마 스프레이 층을 다수 적층시키며 조성을 변화시켜서 경사기능재료층을 구성하는 것이 결합력과 열차폐 특성에 있어서 뛰어나다는 것이 밝혀져 이를 이용한 것이다.

즉 본 발명은 단일 고가인 저압 플라즈마 스프레이 공법을 대신해서 저가의 대기 플라즈마 스프레이 공법으로 경사기능 재료층을 형성시킨 후 그 위에 전주성형기법으로 2차 경사기능재료층을 형성시킴으로써 이루어진다.

이러한 본 발명은 연소실에 세라믹 100% 코팅층과 세라믹/금속코팅층을 형성시키고 그 위에 전주성형층을 형성시킴에 있어서, 세라믹 100% 코팅층 위에 대기 플라즈마 스프레이 공법으로 다층의 경사기능 재료층을 형성시키고 그 위에 전주성형층을 형성시킴으로써 이루어지는 것으로 경사기능 재료층은 세라믹을 낮추고 금속을 높이는 체적변화로 코팅시키되 10㎛∼200㎛의 두께로 3-7층으로 형성시킨다.

도 1 은 기존 로켓엔진의 연소실 단면도

도 2 는 본 발명 로켓엔진의 연소실 단면도

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

1 : 연소실 2 : 세라믹 100% 코팅층

3 : 세라믹/금속코팅층 6 : 냉각액통로

5,7 : 금속 100% 코팅층 11 : 세라믹 75% + 금속 25% 코팅층

12 : 세라믹 50% + 금속 50% 코팅층 13 : 세라믹 25% + 금속 75% 코팅층

본 발명은 연소실(1)에 세라믹 100% 코팅층(2)을 형성시킨 후 세라믹과 금속재를 혼합하여 다층의 경사기능재료층을 형성시키되 상기 경사기능 재료층은 세라믹 농도를 낮추고 금속은 높여가며 다층으로 코팅층을 형성시킨 후 그 위에 통상의 전주성형층을 형성시킴으로써 이루어진다.

여기서 경사기능 재료층은 대기 플라즈마 스프레이 공법을 이용하여 형성시킨다.

지르코니아 같은 세라믹 재료를 니켈과 같은 금속재에 열차폐 코팅을 하는 경우 문제가 되는 것은 서로 다른 이종 물질이 만나는 계면에서 열전도도와 같은 열적 특성이 다른데 따른 파괴 문제가 발생한다는 것이다.

본 발명은 이를 방지하기 위하여 플라즈마 스프레이 공정시 여러층으로 경사기능층을 형성시킨다.

즉 대기 플라즈마 스프레이 공법을 이용하여 연소실(1)에 분무되는 용액의 농도를 100% 세라믹 재료(주로 지르코니아 계열 재료)로 하여 세라믹 100% 코팅층(2)을 형성하고, 다음에는 세라믹 75% + 금속(니켈)25%를 재료로 하여 코팅층(11)을 형성시키고, 그 위에 세라믹 50% + 금속 50%를 재료로 하여 코팅층(12)을 형성시키고, 그 위에 세라믹 25% + 금속 75%를 재료로 하여 코팅층(13)을 형성시킴으로써 1차 경사기능재료층을 형성시킨다.

그리고 상기된 1차 경사기능재료층 위에 2차 경사기능재료층을 형성시키되 2차 경사기능재료층은 크기 1미크론 정도의 미세한 세라믹 분말을 금속용액에 함유시킨 후 전주성형(electro forming)기법에 의해 제작하며 1차 경사기능재료층과 닿는 면에서 세라믹 25%를 함유하고 냉각액통로(6)쪽으로 세라믹 0%의 금속 100% 코팅층(5)을 형성시킨다.

이같이 2중 경사기능재료층으로 열차폐층을 형성하면 우선 세라믹재료와 금속재료 사이의 결합력과 같은 기계적 특성을 높일 수 있고 열차폐 특성도 크게 할 수가 있다.

이는 더 작은 두께의 연소실 두께로 연소실 내부의 온도를 차단할 수 있다는 것을 의미하므로 우주발사체와 같은 무게가 중요 인자인 경우 경량화, 고성능화를 기할 수 있다.

또한 열을 가하는 공정이 없으므로 잔류 열응력을 무시할 수 있는 것이다.

본 발명은 대기 플라즈마 스프레이 공법에 의한 1차 경사기능재료층과 전주성형기법에 의한 2차 경사기능재료층을 형성하므로써 2중 경사기능재료층에 의해 세라믹과 금속모재 사이의 결합력을 높이고 열차폐성을 높이는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 연소실에 대기 플라즈마 스프레이 공법을 이용하여 연소실에서 외측으로 금속함량은 높이고 세라믹 함량을 줄여가며 다층으로 1차 경사기능재료층을 형성시키고, 상기된 1차 경사기능재료층 위에 전주성형공법으로 2차 경사기능재료층을 형성시키는 것을 특징으로 하는 재생 냉각형 로켓 엔진 연소실.
2. 제 1 항에서, 1차 경사기능재료층은 3∼7층으로 이루어지고 각층의 두께는 10㎛∼200㎛인 것을 특징으로 하는 재생 냉각형 로켓 엔진 연소실.
3. 제 1 항에서, 1차 경사기능재료층에 사용되는 세라믹 재료는 지르코니아 계열 또는 대기 플라즈마 스프레이 공정이 가능한 세라믹 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 재생 냉각형 로켓 엔진 연소실.