KR20020059277A - 로켓 시스템용 유체 급속 개방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로켓 시스템에서 추력 발생 기타의 목적으로 사용되는 유체의 개폐를 제어하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 장치는 특정 형태로 가공한 가동 피스톤 및 이를 구속하는 몸체에 편심되어 조립된 고정 샤프트를 이용하여 실현하며 이를 부착된 부속 구동장치에 의하여 동작시키는 유체 이동 관로의 급속 개방 장치의 구조에 관한 것이다.

이를 위하여 본 발명은, 사용되는 유체의 성질 및 요구되는 유량, 작동 압력 및 개방 타이밍 시간에 따라 먼저 피스톤의 직경과 형상에 따라 유량에 대한 조건을 충족시키며, 고정 샤프트의 크기에 따라 작동 압력의한 부하를 만족시키게 되며, 이를 구동시킬 부속장치로서 동력을 발생시킬 전동기와 감속 기어 박스를 제작하여 개방 타이밍 시간을 조절하며 동시에 샤프트의 역회전을 방지하게 된다. 이들을 모두 조립하여 유체의 이동로에 부착시 상시 닫힘 상태를 유지하게 되는데 이때 장치에서는 관로를 막고 있는 가동 피스톤과 이를 구속시키는 고정 샤프트로써 평소 닫힘 상태가 유지되게 된다.

유체의 누설을 막기 위하여 가동 피스톤에는 씰링처리를 하였으며 몸체에 의하여 지지되는 고정 사프트의 형상은 원형 단면의 막대로서 전체 길이의 일부분은 반원형으로 가공되어 있다.특히 이 부분은 몸체내에 조립될 때 가동피스톤의 이동로상에 돌출하여 구속 시키는 역할을 하며 동시에 개방시에는 부속구동장치에 의하여 풀림 작용을 할 수 있도록 절반가량이 절삭 가공이 되어 있다.

장치에 개방 명령이 내려지는 경우 첫 단계로 구동을 위한 부속장치에 부착된 전동기에 정격전압이 인가되어 전동기가 움직이며 감속기어 박스를 통하여 고정 샤프트에 동력을 공급하게 된다. 두번째 단계로 고정 샤프트가 회전하게 되면 가공을 통해 샤프트의 절삭해놓은 부분이 드러나게 되며 이 공간을 통해 가동 피스톤이 움직이는 경로가 확보되어 구속이 풀린 피스톤이 관로에서 빠져나오게 된다. 마지막 단계로 확대된 직경의 챔버로 이동된 피스톤 몸체에 있는 구멍을 통해 챔버로 들어온 유체가 다음 단계 연결부로 흘러가게 되며 이 모든 단계는 매우 급속하게 이루어지며 개폐의 신뢰성이 매우 높아 장치는 열림 또는 닫힘의 두가지 작동 상태에 한정되는 특성이 있어 시스템의 운용시 장치의 작동 실패로 인한 불안정성을 완전히 제거한 특징이 있다.

Description

로켓 시스템용 유체 급속 개방 장치{High Speed Fluid Coutrol Device for Rocket System}

본 발명은 로켓 시스템에서 추력 발생 및 기타의 목적으로 사용되는 유체의 개폐를 제어하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 유체의 관로를 막아 흐름을 차단하는 가동 피스톤과 이를 고정하고 있는 고정 샤프트 그리고 그구동을 위한 부속장치 및 이들을 장비한 장치 몸체로 구성된 유체의 급속 개방 장치에 관한 것이다.

일반적으로 로켓 시스템은 연료의 성질에 따라 고체연료 로켓 그리고 액체 연료 로켓으로 나누어진다. 그중 액체 즉 유체를 연료로 사용하는 로켓 시스템의 경우 액상의 산화제와 연료를 혼합하여 연소실에서 고온 고압으로 대량 연소시켜 추력을 발생 시키는 특성을 가지며 대형엔진의 경우 수백톤의 연료를 단 몇분에 전량 연소시킬 정도이므로 이 경우의 유체유량은 막대하게된다. 더구나 산화제로서는 보통 영하 백 수십도의 액체 산소가 사용되며 연료서는 액체 수소를 사용할 경우 이보다 더욱 낮은 온도가 시스템에 작용하게 된다. 더불어 악조건에서도 신뢰성에 문제가 있어서는 안되며 만약 작동에 문제가 생긴다고 해도 이로 인해 위험한 상황으로 이어지면 안된다.

이러한 특성을 토대로 대충의 요구조건을 결정하자면 첫째로 극저온 및 높은 부식성등의 여러 가지 극한 조건에 견디어 낼 수 있는 안정된 물리 · 화학적 성질을 가져야만 한다. 둘째로 대량으로 유체가 흘러 갈 수 있도록 장치 및 시스템의 손실 적어야 하며 필요한 유량을 공급 할 수 있어야 한다. 셋째로 장치의 작동 속도가 매우 빨라야 하며 늦어도 0.01 초 이내로 완전 개방되어야만 로켓의 안정된 비행을 어느 정도 기대 할 수 있다. 이는 발사대에서 이륙하는 로켓에서 만약 천천히 추력이 증가한다면 초기 비행 속도가 너무 느려 안정된 비행을 할 수 없기 때문에 가장 중요한 조건중에 하나이다.

넷째로는 경제성으로 이 모든 것을 만족시킨다고 해도 너무 고가이거나 입수가 어렵거나 취급 및 관리가 어려워서는 안되며 로켓 시스템의 특성상 중량 문제는 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 시스템이 간결하여 중량 및 유지 보수 그리고 경제성 측면에서 뛰어나야 한다.

현재 로켓에 사용되는 장치는 몇가지 종류가 있으나 이러한 요구조건을 만족시키는 장치는 크게 볼밸브와 파이로 밸브로 나누어질 수 있다. 볼밸브의 경우 신뢰성에서는 어느정도 만족스러우나 중량이 무겁고 작동속도가 느리며 부피가 커서 대형 로켓을 제외하고는 적용이 힘든 단점이 있다. 또한 파이로 밸브의 경우 볼 밸브의 단점을 어느정도 보완하고는 있지만 밸브의 개폐시 화약을 이용함으로서 그 취급 및 보관, 유지 보수에 난점이 있으며 원리상 사용하기전에 작동 검사를 통한 기기의 신뢰성 확보가 불가능한 단점이 있다. 이외에도 많은 밸브 종류가 있으나 이들은 작동 속도 또는 유체의 압력 손실이 너무 커서 제시된 요구조건에는 부합하지 못하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고정 샤프트의 회전에 따라 일시에 피스톤의 구속이 풀리면서 피스톤 몸체의 구멍을 통하여 대량의 유체를 흘려 보내도록 함으로서 로켓 시스템 내의 유체를 고속으로 개방 시켜주는 장치를 개발하는데 있다.

도 1은 장치의 전체 단면도

도 2는 본 발명에 사용되는 가동 피스톤과 고정 샤프트의 상세도

도 3은 폐쇠 및 개방 상태의 장치 상세도

도 3은 본 발명에 사용되는 부속 구동장치 .

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 장치 몸체 2 : 가동 피스톤

3 : 고정 샤프트 4 : 부속 구동장치

5 : 절삭 가공부분 6 : 유체 통과용 구멍

7 : 확대 챔버 8 : 받침대

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본원 발명의 일 측면에 따르면, 본원 발명에 따른 로켓 시스템용 유체 고속개방장치의 구성을 도시하면 도 1은 관로에 부착할 급속 개방 장치의 전체도로서 몸체(1)과 그 안에 씰링 처리된 가동 피스톤(2)이 위치하여 관로를 폐쇠하고 있으며 가동 피스톤(2)이 움직이지 않도록 구속하고 있는 고정 샤프트(3)이 있다. 여기서 고정 샤프트(3)은 단면도 AA'에서 처럼 이동로의 한쪽에 편심되어 위치하여 그 돌출부에 의하여 가동 피스톤(2)를 지지 함으로서 구속상태를 유지하게 된다. 이 고정 샤프트(3)는 몸체(1)를 한쪽은 관통하고 다른 면에는 일부분만 가공된 구멍을 통하여 조립되어 있다. 이후 개방시에 확장 챔버(7)로 이동한 가동 피스톤(2)은 맨 끝에 위치하는 받침대(8)에 의하여 고정된다.

도 2의 (가)는 위 부분은 두 개의 0-ring에 의하여 씰링 처리된 가동 피스톤(2)으로서 아래 부분에는 유체가 흘러 갈 수 있도록 구멍(6)이 가공되어 있다. (나)는 고정샤프트(3)로서 원형 막대의 형상을 하며 몸체(1)에서의 누설을 차단하기 위하여 관통부에는 0-ring을 이용하여 씰링 처리 하였다.

차후 부속 구동장치(4)에 의하여 회전시 가동 피스톤(2)의 구속을 풀어줄 수 있도록 이동로상에 돌출되는 특정 부위(5)를 반원형으로 가공되어 있다.

또한 본원 발명의 일 측면에 따르면, 본원 발명에 따른 로켓 시스템용 유체를 고속 개방하는 방법을 도시하면 도 3은 폐쇄 상태와 개방 상태를 그린 상세도로서 (다)는 고정 사프트(3)가 단면도 AA'처럼 이동로상에 돌출되어 있어 가동 피스톤(2)이 구속되어 있는 상태로서 작동하기 전에는 상시 닫힘 상태를 유지하게 된다. (라)는 개방후의 모습으로 열림 명령이 주어지게 되면 부속구동장치에 의하여 회전하기 시작한 고정 샤프트(3)는 단면 BB'처럼 이동로상에서 반원으로 절삭 가공된 부위(5)가 나타나게 되어 돌출부가 사라지게 되며 구속이 풀린 가동 피스톤(2)는 몸체(1)내의 확장 챔버(7)로 신속하게 움직여 주위로 유체가 흐르게 된다.

도 4는 부속 구동장치의 그림으로서 동력을 공급하는 전동기와 감속 평기어트레인 및 몸체 박스로 구성되어 있으며 최종 감속기어의 축은 요철형으로 가공되어 고정 샤프트(3)와 연결되어 동력을 전달하게 된다.

상술한 바와같이 본 발명에 의하면, 전원인가만으로 고정 샤프트의 회전시켜 유체관로를 신속하게 개방 시키는 효과를 거둘 수 있다. 또한 기존 밸브들에 비해 소형 , 경량으로 로켓의 크기에 관계없이 사용 할 수 있으며 가격이 저렴하고 간편하게 유지 보수 할 수 있는 효과를 가진다. 더불어 개 · 폐의 두가지 상태에 한정되므로 작동 실패로 인한 시스템의 불안정성을 최소화 할 수있다.

Claims (7)

1. 로켓 시스템용 유체 고속 개방 장치에 있어서, 상기 개방장치는 로켓의 연료탱크와 연소실 챔버 사이의 유동관로에 장착되며 상기 개방장치의 몸체에 편심되어 조립된 고정 사프트, 상기 고정 사프트위에 위치하고, 고정 사프트의 작동전 유체의 흐름을 차단시키는 기능 및 고정 사프트와 고정 사프트를 작동 시켜주는 기능을 가지는 구동장치, 그리고 고정 사프트의 후방에 우치하고, 상기 고정사프트의 작동후 상기 피스톤이 챔버로 빠지는 것을 방지하는 받침대로 구성되는 로켓 시스템용 유체 고속 개방장치
2. 제 1항에 있어서, 상기 고정 샤프트는 반원형으로 절삭 가공된 것을 특징으로 하는, 로켓 시스템용 유체 고속 개방장치
3. 제 1항에 있어서, 유체의 누설을 막는 0 링 (0-ring)이 상기 가동 피스톤의 상부에 장착된 것을 특징으로 하는 로켓 시스템용 유체 고속 개방장치
4. 제 1항에 있어서, 고정 사프트의 작동후 유체가 흐를수 있도록 가공된 구멍이 상기 피스톤의 하부에 존재하는 것을 특징으로 하는, 로켓 시스템용 유체고속 개방장치
5. 제 1항에 있어서, 상기 구동장치는 감속용 평기어 트레인과 전동기로 이루어진 것을 특징으로 하는, 로켓 시스템용 유체 고속 개방장치
6. 제 1항에 있어서, 상기 가동 피스톤 멈춤장치는 그 중심부에 유체가 흐를 수 있는 구멍을 지니며 개방후 피스톤을 지지하는 것을 특징으로 하는 로켓 시스템용 유체 고속 개방장치
7. 로켓 시스템용 유체를 고속 개방하는 방법에 있어서,

   가) 가동 피스톤과 가동 샤프트 및 부속 구동장치가 몸체에 조립되며 가동 사프트의 돌출부로 가동 피스톤은 견고하게 고정시키는 폐쇄 단계와,

   나) 작동 신호의 수신시, 개방을 실시하기 위하여 구동장치에 구동 전원을 인가하는 단계와,

   다) 구동전원 인가후 부속 구동장치는 전동기와 감속기어를 통하여 동력을 고정 사프트에 전달하는 단계와.

   라) 전달된 구동력으로 고정 사프트가 회전하면서 가동 피스톤을 고정하던 돌출부위가 없어지게 되는 단계와,

   마) 가동 피스톤을 고정하는 돌출부가 사라짐에 따라 이동로가 확보된 가동 피스톤은 유체의 압력에 의하여 확장 챔버로 이동하는 단계와,

   사) 최종적으로 가동 피스톤의 이동으로 확보된 유로를 통하여 유체가 흘러가는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 로켓 시스템용 유체를 고속개방하는 방법