KR20090073334A - 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실 - Google Patents

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KR20090073334A
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Abstract

본 발명은 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 냉각채널이 가공된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피와 결합하는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 있어서, 일측에 연료가 유입되도록 마련된 연료 입구 배관과; 연료 입구 배관을 통하여 유입된 연료를 냉각채널로 균일하게 공급하는 연료 링과; 연료 링에서 공급받은 연료를 연료 입구 배관을 기준으로 헤드방향 냉각채널 또는 노즐방향 냉각채널로 유도하는 오리피스와; 노즐방향 냉각채널로 공급된 연료를 노즐의 끝단에서 헤드방향으로 되돌려 유도하는 반환 냉각채널을 구비한다.
본 발명에 의하면, 연소기의 팽창비 변화에 관계없이 연소실 전 구간을 재생냉각할 수 있으며, 신뢰성이 향상된다는 장점이 있다.
재생냉각, 연소기, 연료균일성평가, 양방향

Description

액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실{Two-direction regenerative cooling combustion chamber for liquid propellant rocket engine}
본 발명은 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 연소기의 팽창비에 관계없이 연소실 전 구간이 효율적으로 재생 냉각될 수 있도록 개선된 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 관한 것이다.
로켓은 고온 고압의 연료가스를 발생하고 이것을 분출시켜 그 반동력으로 전진하는 비행체로, 추진제를 연소시키는 연소기와 상기 연소기에서 만들어진 가스를 가속하여 방향성을 갖게 하기 위한 노즐로 구성된다.
상기 추진제는 고열을 발하는 열 에너지원이어야 함과 동시에 열에너지를 운동에너지로 바꾸는 작용을 하는 것이어야 하므로, 연료인 동시에 연소하는데 필요한 산소를 함유하고, 또한 가스가 되어 팽창하는 정도가 큰 것을 추진제로 선택하게 되는데, 크게 고체 상과 액체 상으로 구분된다.
이 중 액체상태의 추진제를 사용하는 액체로켓은 위성 발사 및 우주 수송에 많이 사용되며, 추진제 탱크(산화제와 연료), 공급장치 및 연소기로 구성된다.
이러한 로켓의 연소실 안에서 발생한 고온고압의 연소가스는 연소실 벽면으 로 흐르면서 매우 큰 열전달이 일어나 벽을 보호하기 위해서는 충분한 냉각이 필요하며, 특히, 국부적인 연소실 벽면에서의 냉각 감소는 바로 치명적인 손상을 가져오기 때문에 균일한 냉각이 필수적이다.
즉, 우주발사체에 사용되는 고성능 액체로켓엔진 연소기는 큰 추력에 의해 높은 열이 발생하기 때문에 이와 같은 고열로부터 연소실 벽면을 보호하기 위해 다양한 방법이 적용되고 있다.
이러한 방법들로는 재생냉각, 막 냉각, 융제재료(ablative material)를 이용한 냉각, 배출냉각, 침투냉각, 복사냉각, 코팅(coating)을 이용한 열 차폐 방법 등이 있다.
상기 방법들은 단독 또는 복합적으로 활용되고 있는데, 이 중에서도 재생냉각방법은 연소실 벽면을 보호할 수 있는 가장 효과적이고 정교한 냉각방식으로서, 우주발사체 선진국에서는 막 냉각 및 열 차폐 코팅과 병합하여 상기 재생냉각방식을 사용하고 있다.
재생냉각은 연소실의 냉각에 사용된 추진제를 다시 연소에 참여시키는 것으로 연소기의 팽창비가 증가할수록 재생냉각 설계는 더 정교해져야 하며, 이 경우 제작상에 많은 어려움이 있다.
액체로켓엔진 연소기의 팽창비는 발사체의 임무에 따라 결정되므로 이러한 팽창비의 변화에 영향을 받지 않고, 재생냉각방식을 구현하기 위해서는 일반적인 재생냉각방식의 연료입구 형상 및 냉각채널에 대한 설계를 개선하여야 할 필요성이 커지고 있다.
본 발명은 상술한 필요성을 충족시키기 위하여 창출된 것으로서, 연소기의 팽창비의 변화와 관계없이 연소실 전 구간을 냉각하며, 설계상의 문제점을 개선하고, 검증을 통하여 신뢰성을 향상시킨 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실은 냉각채널이 가공된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피와 결합하는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 있어서, 일측에 연료가 유입되도록 마련된 연료 입구 배관과; 상기 연료 입구 배관을 통하여 유입된 연료를 냉각채널로 균일하게 공급하는 연료 링과; 상기 연료 링에서 공급받은 연료를 상기 연료 입구 배관을 기준으로 헤드방향 냉각채널 또는 노즐방향 냉각채널로 유도하는 오리피스와; 상기 노즐방향 냉각채널로 공급된 연료를 노즐의 끝단에서 헤드방향으로 되돌려 유도하는 반환 냉각채널을 구비한다.
또한, 상기 헤드방향 냉각채널로 유입된 연료와 상기 반환 냉각채널로 유입된 연료를 혼합하는 콜렉터를 더 구비할 수 있다.
여기서, 상기 콜렉터는 혼합된 연료가 노즐의 목을 냉각할 수 있도록 상기 노즐의 목과 연료 링 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 오리피스는 연료를 헤드방향 냉각채널로 유도하는 제1오리피스와 노즐방향 냉각채널로 유도하는 제2오리피스로 이루어지고, 상기 제1오리피스와 제2오리피스의 면적비는 열 해석을 통하여 얻어진 노즐 팽창부의 냉각조건을 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유입된 연료의 방향성이 결정되도록 상기 헤드방향 냉각채널과 노즐방향 냉각채널을 구분하는 격벽을 더 구비할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실은 회전력을 제공하는 모터와, 상기 냉각채널의 출구에 마련되어 냉각채널 내의 연료 유속을 측정하는 튜브와, 상기 모터의 회전축에 연장되도록 형성된 축 연결대와, 상기 축 연결대의 일단에 결합되어 상기 튜브를 지지하는 튜브 받침대와, 상기 모터의 회전축이 상기 냉각채널의 중심부와 일치하도록 상기 노즐의 끝단에 마련된 플렌지가 구비되어 상기 냉각채널의 출구 유속을 측정하는 연료균일성 평가장치를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 모터는 회전수가 1~2Hz인 것이 바람직하다.
아울러, 상기 튜브는 상기 냉각채널 출구의 단면적을 기준으로 45~80%가 되도록 설계된 것이 바람직하다.
뿐만 아니라, 본 발명의 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실은 모사 냉각채널이 가공된 내피와, 상기 내피와 결합하는 외피와, 연료가 유입되는 모사 연료 유입구와, 상기 모사 연료 유입구를 기준으로 유입된 연료를 모사 노즐방향 냉각채널 또는 모사 헤드방향 냉각채널로 유도하는 모사 오리피스와, 상기 모사 노즐방향 냉각채널로 공급된 연료를 모사 노즐의 끝단에서 되돌려 모사 헤드방향으로 유도하는 모사 반환 냉각채널이 구비되어 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 재생냉각방식을 검증하는 평판 형태의 모사시험 장치를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 모사 냉각채널은 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실에 사용되는 연료 유량의 3~5중량%의 유량이 흐르도록 구비된 것이 바람직하다.
아울러, 상기 평판 형태의 모사시험 장치는 상기 모사 헤드방향 냉각채널과 모사 노즐방향 냉각채널에 유입된 연료의 방향성이 결정되도록 상기 모사 헤드방향 냉각채널과 모사 노즐방향 냉각채널을 구분하는 모사 격벽이 더 구비된 것이 바람직하다.
또한, 상기 모사 오리피스는 연료를 모사 헤드방향 냉각채널로 유도하는 제1모사 오리피스와 모사 노즐방향 냉각채널로 유도하는 제2모사 오리피스로 이루어진 것이 바람직하다.
게다가, 상기 평판 형태의 모사시험 장치는, 모사 냉각채널 내의 연료 유속을 측정하는 모사 튜브와, 상기 모사 튜브를 지지하는 홀더와, 상기 모사 튜브가 모사 냉각채널을 따라 직선 왕복운동을 할 수 있도록 상기 홀더가 이동되는 레일과, 상기 레일을 고정해주는 고정판이 더 구비된 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 본 발명의 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실은,
첫째, 우주발사체 임무에 따라 변경되는 액체로켓엔진 연소기의 팽창비의 변화에 관계없이 전 구간의 재생냉각이 가능한 연소실을 설계 및 제작할 수 있는 장점이 있다.
둘째, 2개 이상의 연소기를 조합해야 하는 경우에 연료 입구 배관이 노즐의 일단과 헤드 사이에 위치하여 연료가 양방향으로 흐르도록 구비됨으로써 엔진의 최외곽 직경을 줄일 수 있고, 발사체 설계의 폭을 넓혀줄 수 있다.
셋째, 냉각채널 내의 연료균일성평가 장치가 구비되어 냉각채널의 가공성과 설계에 대한 검증을 수행할 수 있어 액체로켓엔진 연소기의 신뢰성을 증대시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 제1실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 부분 단면도에서 연료가 흐르는 경로를 나타낸 개략도이고, 도 2는 도 1에 나타 낸 K부분을 나타낸 부분 확대도이고, 도 3은 도 1에 나타낸 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 양방향 냉각채널을 나타낸 개략도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(100)은 연료 입구 배관(110), 연료 링(120), 오리피스(130), 냉각채널(140), 콜렉터(150) 및 격벽(160)을 구비한다.
본 발명의 제1실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(100)은 상기 냉각채널(140)이 가공된 연소실 내피(170)와, 상기 연소실 내피(150)와 결합하는 연소실 외피(180)를 구비하고, 일단에는 노즐이 형성되고 상기 냉각채널(140)의 출구가 형성된 타단이 연소기 헤드와 결합된다.
여기서, 상기 연소실 내피(170)는 동, 동합금 또는 스테인리스 스틸 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 연소실 외피(180)는 스테인리스 스틸 재질로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 연소실 내피(170) 및 연소실 외피(180)가 상기 재질로 이루어지는 경우 냉각채널 가공의 편의성과 브레이징 접합 효율 증가로 인한 구조물의 사용조건 하에서 신뢰성이 증대된다는 장점이 있다.
상기 연소실 내피(170)와 연소실 외피(180)는 연료가 냉각채널(140)로 흐를 때 이웃하는 채널로의 이동이 없도록 견고하게 접합하며, 이로 인하여 냉각채널(140) 내의 압력으로부터 구조물을 지탱해주는 역할까지 수행한다.
상기 연료 입구 배관(110)은 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(100)에 연료가 유입되도록 마련된 것으로, 상기 연료가 노즐의 끝단으로 유입되 지 않고, 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(100)의 일측으로 유입되어 상기 오리피스(130)에 의하여 노즐방향 및 헤드방향으로 분기되어 공급되도록 한다.
이때, 상기 연료 링(120)은 상기 연료 입구 배관(110)을 통하여 유입된 연료를 냉각채널로 균일하게 공급하는 역할을 하는 것으로, 도 2에 나타난 바와 같이 상기 연료 입구 배관(110)의 끝단에 구비되어 연료를 상기 냉각채널(140)로 균일하게 공급해준다.
또한, 상기 오리피스(130)는 상기 연료 링(120)에서 공급받은 연료를 상기 연료 입구 배관(110)을 기준으로 헤드방향으로 향하도록 형성된 헤드방향 냉각채널(141) 또는 노즐방향으로 향하도록 형성된 노즐방향 냉각채널(143)로 유도한다.
여기서, 상기 오리피스(130)는 연료를 헤드방향 냉각채널(141)로 유도하는 제1오리피스(131)와 노즐방향 냉각채널(143)로 유도하는 제2오리피스(133)로 이루어지고, 상기 제1오리피스(131)와 제2오리피스(133)의 면적비는 냉각해석 결과에 따라 결정되는데, 이것은 노즐방향 냉각채널(143)의 길이에 따라 유동적이다.
상기 제1오리피스(131)와 제2오리피스(133)의 면적비를 임의로 선정하는 경우 노즐 방향 냉각채널의 냉각이 이루어지지 않아 노즐 팽창부가 높은 화염으로부터 손상되며 이것은 전체 하드웨어의 폭발을 발생시킬 수 있다는 문제점이 있다.
도 3을 참고하면, 상기 냉각채널(140)은 헤드방향 냉각채널(141), 노즐방향 냉각채널(143) 및 반환 냉각채널(145)을 포함한다.
여기서, 상기 반환 냉각채널(145)은 상기 노즐방향 냉각채널(143)로 공급된 연료를 상기 노즐의 끝단에서 헤드방향으로 되돌려 유도한다.
즉, 상기 제2오리피스(133)에 의하여 상기 노즐방향 냉각채널(143)로 공급된 연료는 노즐의 끝단까지 흘러간 후에 상기 반환 냉각채널(145)에 의하여 다시 헤드방향으로 유도되어 상기 제1오리피스(131)에 의하여 상기 헤드방향 냉각채널(141)로 공급된 연료와 혼합된다.
도 1에 나타난 바와 같이, 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(100)에서 상기 헤드방향 냉각채널(141)로 유입된 연료는 바로 ①의 유동방향을 따라 흐르고, 상기 노즐방향 냉각채널(143)로 유입된 연료는 순차적으로 ② 및 ③의 유동방향을 따라 흐른 후에, 상기 반환 냉각채널(145)로 유도되어 ④, ⑤ 및 ⑥의 유동방향을 따라 흐르게 된다.
상기 콜렉터(150)는 상기 반환 냉각채널(145)에 의해 되돌아오면서 온도가 상승된 연료와 상기 헤드방향 냉각채널(141)에 흐르는 상온의 연료를 혼합한다.
여기서, 상기 콜렉터(150)는 혼합된 연료가 상기 노즐의 목(190)을 냉각할 수 있도록 상기 노즐의 목(190)과 연료 링(120) 사이에 위치하는 것이 바람직하다.
즉, 상기 노즐방향 냉각채널(143)로 유입된 연료는 노즐의 끝단까지 흐르는 동안 온도가 상승하고, 이후에 상기 반환 냉각채널(145)로 되돌려 유도되므로 상기 반환 냉각채널(145)에 흐르는 고온의 연료가 상기 헤드방향 냉각채널(141)에 흐르는 상온의 연료와 혼합되는데, 이 경우에 온도상승으로 인하여 열 유속이 가장 심한 노즐의 목(190)에서 냉각성능의 저하가 발생하지 않도록 상기 콜렉터(150)가 상기 노즐의 목(190)과 연료 링(120)의 사이에 위치하도록 한다.
따라서 도 1에 나타난 바와 같이, 상기 콜렉터(150)에서 혼합된 연료는 순차적으로 ⑦, ⑧ 및 ⑨의 유동방향을 따라 연소기 헤드방향으로 흐르게 된다.
또한, 상기 격벽(160)은 유입된 연료의 방향성이 결정되도록 상기 헤드방향 냉각채널(141)과 노즐방향 냉각채널(143)을 구분한다.
도 3에 나타난 바와 같이, 상기 격벽(160)은 상기 헤드방향 냉각채널(141)과 노즐방향 냉각채널(143)의 사이를 구분하며, 상기 반환 냉각채널(145)에는 영향을 미치지 않는다.
이하, 도 4 및 도 5를 참고하여 본 발명의 다른 바람직한 일 실시예로서 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(200)을 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 전체 단면을 나타낸 개략도이고, 도 5는 도 4에 나타낸 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실에 구비된 연료균일성 평가장치를 나타낸 정면도이다.
상기 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(200)은 본 발명의 제1실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(100)이 구비하는 모든 구성요소를 포함하고 있으므로 이에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(200)은 연료균일성 평가장치(210)를 더 구비한다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 상기 연료균일성 평가장치(210)는 상기 냉각채널(140)의 출구 유속을 측정하는 것으로, 모터(211), 튜브(212), 축 연결대(213), 튜브 받침대(214) 및 플렌지(215)를 구비한다.
여기서, 상기 모터(211)는 상기 튜브(212)에 회전력을 제공하는 것으로서, 상기 모터의 동력에 의해 상기 튜브(212)가 회전하면서 회전수가 1~2Hz인 것이 바람직하다.
상기 모터(211)의 회전수가 1~2Hz를 벗어나는 경우 냉각채널 출구에서의 유속을 정확하게 측정할 수 없으며 결과적으로 설계 검증을 할 수 없게 된다는 문제가 있다.
또한, 상기 튜브(212)는 상기 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(200)의 타단에서 원주방향을 따라 나열된 상기 냉각채널(140)의 출구에 마련되어 냉각채널(140) 내의 연료 유속을 측정한다.
상기 튜브(212)는 사각형 또는 원형으로서, 상기 냉각채널(140) 출구의 단면적을 기준으로 45~80%가 되도록 설계된 것이 바람직하다.
상기 튜브(212)의 단면적이 상기 냉각채널(140) 출구 단면적과 비교하여 45~80%를 벗어나도록 설계되는 경우 냉각채널 출구에서의 평균 유속을 계산하는데 정확성이 떨어진다는 문제가 있다.
상기 축 연결대(213)는 모터(211)의 회전축에 연장되도록 형성되고, 360도 회전할 수 있도록 구비된 상기 튜브 받침대(214)가 상기 축 연결대(213)의 일단에 결합되어 상기 튜브(212)를 지지한다.
따라서 상기 모터(211)에 의해 발생된 회전력은 상기 축 연결대(213) 및 상기 튜브 받침대(214)를 통하여 상기 튜브(212)에 전달된다.
상기 플렌지(215)는 상기 모터(211)의 회전축이 상기 냉각채널(140)의 중심부와 일치하도록 상기 노즐의 끝단에 마련된다.
이와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(200)은 상기 연료균일성 평가장치(210)를 더 구비함으로써 상기 냉각채널(140) 출구에서의 채널별 유속을 측정할 수 있다.
즉, 측정된 유속은 정량적인 값으로 사용하는 것보다는 냉각채널별 상대적인 비교를 위한 값으로서, 상기 연료균일성 평가장치(210)를 이용한 시험으로부터 얻은 최소 유속값을 최대 유속값으로 나눈 값에 100을 곱한 퍼센트(%) 값을 구하여 상기 퍼센트 값이 기준 값보다 작은 경우 설계 및 제작방식에 대한 검토가 필요한 것이다.
이하, 도 6을 참고하여 상기 설계 및 제작방식에 대한 검토가 필요한 경우를 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 6은 도 4에 나타낸 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 연료균일성 평가장치를 작동하는 시험 압력 설정 조건 및 냉각채널 출구에서의 동압 분포도이다.
즉, 시험으로부터 얻은 냉각채널에서의 유속은 상기 튜브(212)를 사용할 경우, 도 6과 같이 나타난다.
도 6을 참고하면, 붉은 색으로 표시된 A선은 튜브가 냉각채널 출구를 지나면서 변화되는 유속을 보여주는 것으로 냉각채널의 중앙부에서 최대값을 나타낸다.
여기서, 각 채널의 최대값을 기준으로 0.2초 동안 얻어진 값을 평균하여 그 채널에서의 대표값으로 사용하고, 이렇게 계산된 대표값은 냉각채널 개수만큼 존재하는데, 이 중에서 최대값을 최대 유속값으로 하고, 최소값을 최소 유속값으로 하여 상술한 바와 같이 퍼센트 값을 계산한다.
따라서 계산된 결과가 설계조건으로 기 설정해놓은 기준값과 다른 경우 재제작을 수행하거나 제작 공정에 문제가 없는지 검토해야 한다.
이와 같이 설계 및 제작 공정을 다시 수행하여야 하는지에 대하여 검증을 하기 때문에 상기 냉각채널(140)의 가공성과 설계에 대한 검증을 수행할 수 있어 액체로켓엔진 연소기의 신뢰성을 증대시킬 수 있다.
이하, 도 7을 참고하여 본 발명의 또 다른 바람직한 일 실시예로서 제3실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(300)을 설명하도록 한다.
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실에 구비된 평판 형태의 모사시험 장치의 단면을 나타낸 개략도이다.
상기 본 발명의 제3실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(300)은 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(200)이 구비하는 모든 구성요소를 포함하고 있으므로 이에 대한 반복적인 설명은 생략하도록 한다.
상기 본 발명의 제3실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(300)은 평판 형태의 모사시험 장치(310)를 더 구비한다.
도 7을 참고하면, 상기 모사시험 장치(310)는 내피(311), 외피(312), 모사 연료 유입구(313), 모사 오리피스(314), 모사 냉각채널(315), 모사 격벽(316), 모 사 튜브(317), 홀더(318), 고정판(319) 및 레일(320)을 구비한다.
상기 내피(311)에는 모사 냉각채널(315)이 가공되고, 상기 외피(312)는 상기 내피(311)와 결합된다.
상기 모사 연료 유입구(313)를 통하여 연료가 유입되고, 상기 모사 오리피스(314)에 의해 상기 모사 연료 유입구(313)를 기준으로 유입된 연료를 모사 노즐방향 냉각채널(미도시) 또는 모사 헤드방향 냉각채널(미도시)로 유도한다.
또한, 모사 반환 냉각채널(미도시)은 상기 모사 노즐방향 냉각채널로 공급된 연료를 모사 노즐의 끝단에서 되돌려 모사 헤드방향으로 유도한다.
아울러, 상기 모사 반환 냉각채널에 의해 유도된 연료와 상기 모사 헤드방향 냉각채널을 혼합하는 콜렉터부(미도시)가 더 구비될 수 있다.
이러한 모사시험 장치(310)는 상기 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(200)의 연료균일성 평가장치(210)로 인한 최종적인 검증 전에 설계 개념과 제작비용을 절감하기 위하여 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(300)의 재생냉각방식을 미리 검증할 수 있도록 구비된 것이다.
따라서 제작비용의 절감을 위하여 상기 모사 냉각채널(315)은 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(300)에 사용되는 연료 유량의 3~5중량%의 유량이 흐르도록 구비된 것이 바람직하다.
상기 모사 냉각채널(315)에 흐르는 유량이 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(300)에 사용되는 연료 유량의 3중량% 미만인 경우에는 비교할 냉각채널의 수가 작아 설계 및 제작검토의 신뢰성이 떨어지며, 5중량%를 초과하는 경우에 는 적은 비용으로 예비적인 검증을 하기 위한 모사시험 장치(310)의 목적에 맞지 않게 제작비용이 크게 부담된다는 문제점이 있다.
아울러, 상기 모사 연료 유입구(313)의 크기도 이에 따라 결정되는 것이 바람직하다.
상기 모사 격벽(316)은 상기 모사 헤드방향 냉각채널과 모사 노즐방향 냉각채널에 유입된 연료의 방향성이 결정되도록 상기 모사 헤드방향 냉각채널과 모사 노즐방향 냉각채널을 구분하고, 상기 반환 냉각채널에는 영향을 미치지 않는다.
또한, 상기 모사 오리피스(314)는 연료를 모사 헤드방향 냉각채널로 유도하는 제1모사 오리피스(314a)와 모사 노즐방향 냉각채널로 유도하는 제2모사 오리피스(314b)로 이루어진 것이 바람직하다.
아울러, 상기 모사 튜브(317)는 모사 냉각채널(315) 내의 연료 유속을 측정한다. 상기 모사 튜브(317)는 상기 홀더(318)에 의해 지지된다.
상기 레일(320)은 상기 모사 튜브(317)가 모사 냉각채널(315)을 따라 직선 왕복운동을 할 수 있도록 상기 홀더(318)를 이동시키고, 상기 레일(320)은 상기 고정판(319)에 의하여 고정된다.
이러한 평판 형태의 모사시험 장치(310)가 더 구비됨으로써 보다 간편하고 적은 비용으로 연료의 유량 및 유속을 미리 측정할 수 있다.
즉, 상기 평판 형태의 모사시험 장치(310)는 상기 모사 튜브(3170, 모사 홀더(318), 고정판(319) 및 레일(320)이 구비됨으로써, 직선 형태로 배열된 모사 냉각채널(315)의 특성상 유속 측정을 위한 직선 왕복운동을 할 수 있는 튜브 이송장 치로서 기능할 수 있다.
또한, 상기 평판 형태의 모사시험 장치(310)의 길이는 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실(300)의 길이와 동일하게 설계되어 냉각채널에서 발생할 수 있는 압력손실에 따른 유속의 차이를 최소화하도록 한 것이 바람직하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 부분 단면도에서 연료가 흐르는 경로를 나타낸 개략도,
도 2는 도 1에 나타낸 K부분을 나타낸 부분 확대도,
도 3은 도 1에 나타낸 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 양방향 냉각채널을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 전체 단면을 나타낸 개략도,
도 5는 도 4에 나타낸 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실에 구비된 연료균일성평가 장치를 나타낸 정면도,
도 6은 도 4에 나타낸 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 연료균일성평가 장치를 작동하는 시험 압력 설정 조건 및 냉각채널 출구에서의 동압 분포도,
도 7은 본 발명의 제3실시예에 따른 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실에 구비된 평판 형태의 모사시험 장치의 단면을 나타낸 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100, 200, 300 : 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실
110 : 연료 입구 배관 120 : 연료 링
130 : 오리피스 131 : 제1오리피스
133 : 제2오리피스 140 : 냉각채널
141 : 헤드방향 냉각채널 143 : 노즐방향 냉각채널
145 : 반환 냉각채널 150 : 콜렉터
160 : 격벽 170 : 연소실 내피
180 : 연소실 외피 190 : 노즐의 목
210 : 연료균일성평가 장치
211 : 모터 212 : 튜브
213 : 축 연결대 214 : 튜브 받침대
215 : 플렌지
310 : 모사시험 장치
311 : 내피 312 : 외피
313 : 모사 연료 유입구 314 : 모사 오리피스
314a : 제1모사 오리피스 314b : 제2모사 오리피스
315 : 모사 냉각채널 316 : 모사 격벽
317 : 모사 튜브 318 : 홀더
319 : 고정판 320 : 레일

Claims (13)

  1. 냉각채널이 가공된 연소실 내피와, 상기 연소실 내피와 결합하는 연소실 외피를 구비하는 액체로켓엔진용 재생냉각 연소실에 있어서,
    일측에 연료가 유입되도록 마련된 연료 입구 배관과;
    상기 연료 입구 배관을 통하여 유입된 연료를 냉각채널로 균일하게 공급하는 연료 링과;
    상기 연료 링에서 공급받은 연료를 상기 연료 입구 배관을 기준으로 헤드방향 냉각채널 또는 노즐방향 냉각채널로 유도하는 오리피스와;
    상기 노즐방향 냉각채널로 공급된 연료를 노즐의 끝단에서 헤드방향으로 되돌려 유도하는 반환 냉각채널을 구비하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 헤드방향 냉각채널로 유입된 연료와 상기 반환 냉각채널로 유입된 연료를 혼합하는 콜렉터를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 콜렉터는, 혼합된 연료가 노즐의 목을 냉각할 수 있도록 상기 노즐의 목과 연료 링 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉 각 연소실.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 오리피스는 연료를 헤드방향 냉각채널로 유도하는 제1오리피스와 노즐방향 냉각채널로 유도하는 제2오리피스로 이루어지고,
    상기 제1오리피스와 제2오리피스의 면적비는 열 해석을 통하여 얻어진 노즐 팽창부의 냉각조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 유입된 연료의 방향성이 결정되도록 상기 헤드방향 냉각채널과 노즐방향 냉각채널을 구분하는 격벽을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  6. 제 1항에 있어서,
    회전력을 제공하는 모터와,
    상기 냉각채널의 출구에 마련되어 냉각채널 내의 연료유속을 측정하는 튜브와,
    상기 모터의 회전축에 연장되도록 형성된 축 연결대와,
    상기 축 연결대의 일단에 결합되어 상기 튜브를 지지하는 튜브 받침대와,
    상기 모터의 회전축이 상기 냉각채널의 중심부와 일치하도록 상기 노즐의 끝단에 마련된 플렌지가 구비되어 상기 냉각채널의 출구유속을 측정하는 연료균일성평가 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 모터는 회전수가 1~2Hz인 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 튜브는 상기 냉각채널 출구의 단면적을 기준으로 45~80%가 되도록 설계된 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    모사 냉각채널이 가공된 내피와,
    상기 내피와 결합하는 외피와,
    연료가 유입되는 모사 연료 유입구와,
    상기 모사 연료 유입구를 기준으로 유입된 연료를 모사 노즐방향 냉각채널 또는 모사 헤드방향 냉각채널로 유도하는 모사 오리피스와,
    상기 모사 노즐방향 냉각채널로 공급된 연료를 모사 노즐의 끝단에서 되돌려 모사 헤드방향으로 유도하는 모사 반환 냉각채널이 구비되어 상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실의 재생냉각방식을 검증하는 평판 형태의 모사시험 장치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 모사 냉각채널은,
    상기 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실에 사용되는 연료 유량의 3~5중량%의 유량이 흐르도록 구비된 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 평판 형태의 모사시험 장치는,
    상기 모사 헤드방향 냉각채널과 모사 노즐방향 냉각채널에 유입된 연료의 방향성이 결정되도록 상기 모사 헤드방향 냉각채널과 모사 노즐방향 냉각채널을 구분하는 모사 격벽이 더 구비된 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 모사 오리피스는 연료를 모사 헤드방향 냉각채널로 유도하는 제1모사 오리피스와 모사 노즐방향 냉각채널로 유도하는 제2모사 오리피스로 이루어진 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 평판 형태의 모사시험 장치는,
    모사 냉각채널 내의 연료유속을 측정하는 모사 튜브와,
    상기 모사 튜브를 지지하는 홀더와,
    상기 모사 튜브가 모사 냉각채널을 따라 직선 왕복운동을 할 수 있도록 상기 홀더가 이동되는 레일과,
    상기 레일을 고정해주는 고정판이 더 구비된 것을 특징으로 하는 액체로켓엔진용 양방향 재생냉각 연소실.
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