KR20100063199A - 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 추진제인 과산화수소를 공급받는 가스발생기; 상기 가스발생기에서 생성된 가스를 이용하여 동력을 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부에서 발생된 동력을 이용하여 전기와 유압을 발생시키는 전기 발생장치 및 유압 펌프부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명에 따른 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치는 하이드라진(hydrazine)을 대체하는 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추진제로 사용하여 발암성 물질을 이용한 개발과정에서 인적 및 재산적 위험요소를 제거하고 시험 및 개발 비용 절감으로 경제적이며 환경오염 예방에 도움이 되는 추진제를 이용한 항공기 비상동력장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.
과산화수소, 비상동력, EPS, EPU, 가스발생기, 단일추진제, 촉매, 터빈
Description
본 발명은 친환경 추진제인 과산화수소(hydrogen peroxide)를 이용한 것으로 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기로 주입하여 펠렛(pellet), 그레인(grain) 또는 스크린(screen)형태의 촉매와 반응시켜 이를 스팀과 산소로 분해시키고 이를 터빈으로 전달하여 동력을 발생시켜 비상시에 엔진을 대신하여 전기와 유압을 공급해주는 과산화수소(hydrogen peroxide)를 이용한 항공기 비상동력장치에 관한 것이다.
고정익 또는 회전익 항공기의 동력 장치에서 엔진의 신뢰도가 높더라도 비행 상황에 따라서 엔진의 오작동 또는 파손에 의해 엔진이 꺼지거나(shut down) 동력 전달이 안되는 경우가 생길 수 있다. 이러한 상황에서 엔진의 재시동 또는 활공을 통한 비상 착륙을 할 때까지 조종이 가능하도록 전기와 유압을 공급할 수 있는 비상동력장치를 사용하게 된다. 이는 EPU(Emergency Power Unit) 또는 EPS(Emergency Power System)으로 불리기도 한다.
종래의 항공기 비상동력장치의 가스발생기에서는 추진제로 하이드라진(hydrazine)을 사용하였으나 이는 동물에게 백혈병 등과 같은 치명적인 해악을 끼칠 수 있는 매우 강한 발암성 물질을 함유하고 있고 이를 항공기의 비상동력장치의 추진제로 사용할 경우 심각한 환경오염을 초래할 수 있다는 문제점이 있다.
최근에 이를 해결하기 위한 대안으로,
제 1 안, 추진제를 무독성으로 교체하여 사용하는 가스발생기 및 터빈을 활용하는 기술,
제 2 안, 써멀 배터리를 구비하여 이를 비상동력 장치로 활용하는 기술,
제 3 안, 드라이 에어 공급으로 하이드라진(hydrazine)을 대체하는 기술 등이 보고되고 있다.
제 2 안의 경우에는 터빈을 사용하지 않으므로 F-16 항공기와 같은 하이드라진(hydrazine) 비상동력장치를 사용하던 기존 항공기에 장착하기 위해서는 가스발생기, 터빈, 제네레이터(generator)를 모두 교체해야 하는 단점이 있다.
도 1 은 종래의 드라이 에어 공급을 통한 항공기 비상동력장치의 구성을 나타내는 블록도를 나타낸다. 도 1 을 참조하면 공기를 저압으로 압축하는 기능을 수행하는 회전식 압축기(11)와 압축된 공기를 건조시켜 드라이 에어로 생성하는 에어 드라이어(12), 생성된 드라이 에어를 저장하는 저압 저장부(13), 저장된 드라이 에어를 전달받아 펌핑하여 승압시키고 고압으로 승압된 드라이에어를 방출하는 부스터 인터페이스부(14), 승압되는 드라이 에어를 고압으로 저장하는 고압 저장부(15), 상기 부스터 인터페이스부(14)에서 방출되는 드라이 에어를 항공기 비상동 력장치(20)로 전달 공급하는 드라이 에어 전달부(16)로 구성된다.
따라서, 제 3 안은 드라이 에어를 산화제로 공급하는 경우 연료와 산화제를 별도로 사용하여 배관이나 밸브 등이 이원적으로 구성되어야 하므로 시스템이 복잡해지는 단점이 있다. 또는 드라이 에어만을 이용하여 터빈을 구동시키는 경우 공기를 압축하여 6000 psi의 고압으로 가압하여 사용해야 하므로 공기 저장탱크, 배관, 밸브 등의 두께가 두꺼워져 고중량 및 고비용 문제를 가중시키는 단점이 있다.
그러므로, 인체에 위험이 적고 환경오염 문제가 발생하지 않으며 항공기의 경량화에 효율적이고 저렴한 추진제를 사용한 항공기 비상동력장치의 개발이 시급한 실정이다.
본 발명은 무독성 물질인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추진제로 사용함으로써 개발과정에서의 인적 및 재산적 위험요소를 제거하고 환경오염을 유발하지 않으며 항공기의 경량화에 기여하는 추진제를 이용한 가스발생기가 구비된 항공기 비상동력장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 추진제인 과산화수소를 공급받는 가스발생기(1100); 상기 가스발생기(1100)에서 생성된 가스(1136)를 이용하여 동력을 발생시키는 터빈부(1200); 상기 터빈부(1200)에서 발생된 동력을 이용하여 전기와 유압을 발생시키는 전기 발생장치 및 유압 펌프부(1300); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 가스발생기(1100)는 과산화수소와 반응하는 활성 물질(1111b)이 포함된 촉매(1111)가 내부에 충전되는 반응기(1110); 상기 반응기(1110)에 추진제인 과산화수소를 공급하는 추진제 공급부(1120); 상기 반응기(1110)로부터 발생된 가스(1111)를 상기 터빈부(1200)에 분사시키는 분사부(1130); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 상기 촉매(1111)는 펠렛 또는 그레인 형상의 마이크로비드로 이루어진 촉매 지지체(1111a)와 상기 촉매 지지체(1111a)의 표면에 도포된 상기 활성 물질(1111b)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매(1111)는 다공성의 펠렛 형태의 마이크로비드로 이루어진 촉매 지지체(1111a)와 상기 촉매 지지체(1111a)의 표면에 도포된 상기 활성 물질(1111b)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 활성 물질(1111b)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매 지지체(1111a)는 무기 산화물인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매 지지체(1111a)의 직경은 300 ~ 5000 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 상기 촉매(1111)는 상기 반응기(1110) 내부의 횡단면 상에 얇은 막의 형상으로 순차적으로 적층된 스크린 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 적층된 스크린은 귀금속 스크린(1111c)인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 촉매(1111)는 비활성 물질로 이루어진 스크린 형태의 촉매 지지체(1111a)에 무기 산화물층(1111d)을 코팅하고 그 표면에 활성 물질(1111b)을 도포하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 활성 물질(1111b)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 추진제 공급부(1120)는 추진제가 주입되는 공급 입구(1121)와 추진제를 상기 반응기(1110)로 균일하게 전달하는 분사기(1123)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 분사기(1123)는 얇은 평판에 다수개의 오리피스(1124)가 균 일하게 분포되어 가공되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 오리피스(1124) 직경은 10 ~ 2000 마이크로미터인 것을 특징으로 하기도 한다.
본 발명은 상기 분사부(1130)는 상기 반응기(1110)로 부터 유출되는 가스(1136)의 흐름을 균일하게 유지하는 분배기(1131); 상기 가스(1136)를 균일하게 분사해주는 멀티 노즐(1133); 상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133)이 상호 이격되도록 상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133) 사이에 설치되는 분배기 지지대(1132); 상기 분배기(1131), 분배기 지지대(1132) 및 멀티 노즐(1133)을 상기 반응기(1110)에 체결시키는 출구 마개(1135); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 하이드라진(hydrazine)을 대체하여 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 추진제로 사용하여 발암성 물질을 이용한 개발과정에서 인적 및 재산적 위험요소를 제거하고 시험 및 개발 비용의 절감으로 경제적이며 환경오염 예방에 도움이 되는 추진제를 이용한 항공기 비상동력장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도 2 는 본 발명에 의한 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치의 사시도를, 도 3 은 본 발명에 의한 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 중 가스발생기의 분해 결합도를, 도 4 는 본 발명에 의한 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 중 가스발생기의 단면도를, 도 5 는 본 발명에 의한 다수개의 오리피스(orifice)가 가공된 분사기의 평면도를, 도 6 은 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도를, 도 7 은 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도를, 도 8a 는 본 발명에 의한 적층된 스크린 형태 촉매의 결합도를, 도 8b 는 본 발명에 의한 스크린 형태 촉매의 부분 확대도를 나타낸다.
도 2 를 참조하면 항공기 비상동력장치(1000)는 크게 가스발생기(1100), 터빈부(1200), 전기발생장치 및 유압 펌프부(1300)로 구분된다.
저속으로 비행하는 소형 항공기는 각종 조종면이 조종간에 기계적으로 연결되어 있어 인력으로 조종이 가능하다. 그러나, 항공기의 크기가 증가하거나 비행속도가 빠른 경우 조종면을 움직이기 위해서는 큰 힘을 필요로 하므로 조종면을 유압으로 구동시키는 것이 일반적이다. 또한, 항공기가 공력적으로 불안정한 형태인 경우에는 인간의 감각에 의존하는 제어로 비행하는 것이 불가능하므로 FBW(Fly-by-Wire)와 같은 방법으로 조종면을 컴퓨터가 제어하게 된다. 이러한 FBW를 사용하는 항공기에서는 전기 공급 장치 및 유압 장치가 지속적으로 정상 작동해야만 항공기를 제어할 수 있으며, 전기 및 유압의 공급이 중단될 경우 항공기의 비행은 불가능하다.
고정익 또는 회전익 항공기 동력장치의 경우 엔진의 신뢰도가 높더라도 비행 상황에 따라서 엔진의 오작동 또는 파손에 의해 엔진이 꺼지거나(shut down) 동력 전달이 안되는 경우가 생길 수 있다. 이러한 상황에서 엔진의 재시동 또는 활공을 통한 비상 착륙을 할 때까지 조종이 가능하도록 전기와 유압을 공급할 수 있는 비상동력장치를 사용하게 되는데, 이를 EPU(Emergency Power Unit) 또는 EPS(Emergency Power System)이라 하며 비상동력장치를 지칭한다.
상기 가스발생기(1100)는 회오리 형태의 원형관의 입구 부위에 위치하며 엔진의 이상 신호를 감지하면 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 촉매 분해시켜 고온의 가스를 생성시킨다. 이에 대한 보다 상세한 설명은 후술하기로 한다.
상기 터빈부(1200)는 원반 형상으로 이루어져 원주 방향으로 회오리 형태의 원형관이 연결되어 있으며 그 원형관의 끝단은 상기 가스발생기(1100)와 연결되고 원반 형상의 중심 부분을 통해 상기 가스발생기(1100)에서 생성된 가스(1136)가 터빈으로 유입되어 터빈을 구동한다.
상기 전기발생장치 및 유압 펌프부(1300)는 상기 터빈부(1200)와 축으로 연결되어 있으며 터빈을 구동함으로써 비상시 비행에 필요한 전기 및 유압을 발생시킨다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 가스발생기(1100)는 크게 반응기(1110), 추진제 공급부(1120), 분사부(1130)로 구분된다. 상기 반응기(1110)에는 촉매(1111)가 충전되어 있고 상기 촉매(1111)는 촉매 지지체(1111a)와 활성 물질(1111b)로 형 성되거나 얇은 막의 활성 물질(1111b)이 적층된 상태로 형성될 수 있다. 상기 추진제 공급부(1120)는 공급 입구(1121), 분사기(1123)를 포함하며 상기 분사기(1123)에는 오리피스(1124)가 형성될 수 있고 상기 공급 입구(1121)와 상기 분사기(1123) 사이에는 입구 가스켓(1122)이 형성될 수 있다. 상기 분사부(1130)는 분배기(1131), 분배기 지지대(1132), 멀티 노즐(1133), 출구 마개(1135)를 포함하며 상기 멀티 노즐(1133)과 상기 출구 마개(1135) 사이에는 출구 가스켓(1134)이 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 촉매(1111)는 상기 반응기(1110) 내부에서 상기 분사기(1123)와 상기 분배기(1131) 사이에 충전된다. 충전되는 상기 촉매(1111)의 형태는 이하 서술할 실시예 1 내지 실시예 3 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
실시예 1
도 6 을 참조하면 상기 촉매(1111)의 실시예 1 은 상기 촉매 지지체(1111a)를 구성하는 넓은 표면적을 지닌 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드 표면에 상기 활성 물질(1111b)을 코팅시켜 형성될 수 있다.
도 6 을 참조하면 상기 활성 물질(1111b)은 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하는 물질이다. 상기 활성 물질(1111b)은 백금(platinum), 은(silver), 파라듐( palladium) 등과 같은 귀금속 계열 금속이거나 산화망 간(manganese oxide), 산화철(oxidized iron) 등과 같은 전이금속(transition metal)의 산화물중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합이 될 수 있다. 상기 활성 물질(1111b)은 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하여 가스(1136) 즉, 기체 상태의 수증기와 산소를 발생시킨다.
도 6 을 참조하면 기존의 모노리스(monolith) 형태의 촉매에 비하여 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 상기 촉매(1111)를 사용하면 입자들 사이로의 기질의 이동이 용이하여 추진제의 분해속도가 빨라진다. 또한, 은 스크린(silver screen) 형태 촉매의 경우 촉매 표면적을 증가시키는데 한계가 있으나 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 상기 촉매(1111)를 사용하면 월등한 촉매 표면적을 가질 수 있어 추진제의 분해 속도가 빨라지므로 보다 작은 크기를 가지는 고성능 가스발생기(1100)를 구현할 수 있다.
도 7 을 참조하면 펠렛(pellet) 형태의 상기 촉매(1111)는 다공성(多孔性)일 수 있다. 상기 촉매 지지체(1111a)를 구성하는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드는 다수개의 구멍이 뚫려 있고 천공된 부위를 포함하여 표면에 상기 활성 물질(1111b)을 코팅시켜 형성된다. 따라서, 공극이 최대가 되고 과산화수소(hydrogen peroxide)와 그레인(grain) 형태의 상기 활성 물질(1111b) 입자간 접촉 면적도 극대화되어 반응속도가 빨라질 수 있다. 이에 따라, 추진제 분해가 활발해져 상기 가스발생기(1100)의 효율을 높일 수 있다.
도 6 을 참조하면 상기 촉매 지지체(1111a)는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드일 수 있다. 상기 촉매 지지체(1111a)의 구직경은 추진제의 분해 효율에 큰 영향을 미치며 300 ~ 5000 마이크로미터인 것이 바람직하다. 다수의 펠렛(pellet)의 직경을 실질적으로 동일하게 함으로써 펠렛(pellet)의 생산비를 절감할 수 있다. 반면에, 서로 직경이 다르고 수가 동일한 2종류의 펠렛(pellet)을 사용함으로써 입자상 물질의 포집율의 면에서 우수한 결과를 얻을 수도 있다. 상기 촉매 지지체(1111a)는 물리화학적 특성이 우수해야 하며, 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하지 않아야 하므로 알루미나(aluminum oxide), 실리카(silicon dioxide), 티타니아(titania) 등과 같은 무기 산화물인 것이 바람직하다.
실시예 2
도 8a 를 참조하면 상기 촉매(1111)의 실시예 2 는 상기 반응기(1110) 내부의 횡단면 상에 얇은 막의 형상의 스크린(screen)이 순차적으로 적층되어 형성될 수 있다. 이러한 스크린(screen) 형태의 상기 촉매(1111)는 유체가 통과할 수 있는 메쉬(mesh) 형태의 투과성 막이므로 상기 활성 물질(1111b)로 구성된 스크린(screen)이 직접 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하여 상기 가스(1136) 즉, 기체 상태의 수증기와 산소를 발생시킨다. 상기 촉매(1111)에서 스크린(screen)의 조밀도는 10 ~ 30 mesh 의 범위인 것이 반응효과를 내는데 최적의 범위이며, 스크린(screen)을 구성하는 와이어(도면번호 미부여)의 두께는 0.2 ~ 1.0 mm인 것이 바람직하다. 실시예 2 에서 상기 활성 물질(1111b)은 은 스크린(silver screen), 백금 스크린(platinum screen) 등과 같은 귀금속 계열의 귀금속 스크 린(1111c)인 것이 바람직하다.
실시예 3
도 8b 를 참조하면 상기 촉매(1111)의 실시예 3 은 상기 반응기(1110) 내부의 횡단면 상에 얇은 막의 스크린(screen) 형태의 촉매 지지체(1111a)가 형성되고 상기 촉매 지지체(1111a)의 표면에 얇은 막의 스크린(screen) 형태로 무기 산화물층(1111d) 및 활성물질(1111b)이 적층되어 형성될 수 있다. 실시예 2 에서와 같이 상기 촉매(1111)에서 스크린(screen)의 조밀도는 10 ~ 30 mesh 인 것이 반응효과를 내는데 최적의 범위가 된다. 이러한 스크린(screen) 형태의 촉매는 과산화수소(hydrogen peroxide)가 상기 활성 물질(1111b)과 반응하여 상기 가스(1136) 형태로 상기 무기 산화물층(1111d)과 상기 촉매 지지체(1111a)를 통과하고 상기 촉매(1111)와 반응하지 못한 잔존의 과산화수소(hydrogen peroxide)는 다음 상기 활성 물질(1111b)을 통과하면서 반응하여 상기 가스(1136)를 배출하게 된다.
실시예 3 에서 상기 촉매 지지체(1111a)는 물리화학적 특성이 우수해야 하며 비활성 물질인 것이 바람직하고 상기 무기 산화물층(1111d)은 실시예 1 에서와 같이 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하지 않아야 하므로 알루미나(aluminum oxide), 실리카(silicon dioxide), 티타니아(titania) 등인 것이 바람직하다. 또한, 실시예 2 에서와 같이 상기 촉매 지지체(1111a)의 두께는 0.2 ~ 1.0 mm 인 것이 바람직하다. 상기 활성 물질(1111b)은 실시예 1 에서와 같이 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하는 백금(platinum), 은(silver), 파라 듐(palladium) 등과 같은 귀금속 계열 금속이거나 산화망간(manganese oxide), 산화철(oxidized steel) 등과 같은 전이금속(transition metal)의 산화물중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 반응기(1110)의 중공된 일측면에 상기 추진제 공급부(1120)가 형성될 수 있고, 상기 반응기(1110)의 대응되는 타측면에 상기 분사부(1130)가 형성될 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 추진제 공급부(1120)는 상기 공급 입구(1121)로 부터 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 주입되고 상기 분사기(1123)를 통과하여 상기 반응기(1110)로 전달되는 구조를 갖고 있다. 이하 상세히 살펴본다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 공급 입구(1121)는 본 발명의 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 상기 분사기(1123)로 전달할 수 있도록 주입구가 상기 반응기(1110)의 내부로 일부 삽입되어 상기 분사기(1123)의 일측면과 맞닿아 있으며 상기 반응기(1110)의 중공된 일측면을 봉쇄하여 상기 반응기(1110)의 마개 역할도 겸하고 있다. 따라서, 상기 공급 입구(1121)의 원주 방향을 따라 상기 반응기(1110)와 체결구에 의해 결합시킬 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 입구 가스켓(1122)은 상기 공급 입구(1121) 가 상기 반응기(1110)의 내부로 일부 삽입된 부분의 끝단에 결합될 수 있다. 따라서, 상기 공급 입구(1121)와 상기 반응기(1110)의 사이에 위치하게 되며 주입되는 과산화수소(hydrogen peroxide)가 외부로 유출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 특히, 본 발명의 경우 고농도의 과산화수소(hydrogen peroxide)로 대기압보다 높은 압력을 가해 주입되므로 압력 차이로 인한 유출 위험이 따르게 되며 상기 입구 가스켓(1122)이 이를 방지한다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 분사기(1123)는 일측면이 상기 공급 입구(1121)의 주입구와 맞닿아 있으며 타측면은 상기 촉매(1111)들이 이탈하지 않도록 마개 역할을 겸하고 있다. 상기 분사기(1123)는 고농도의 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기 내부로 균일하게 공급해 주는 역할을 한다.
도 5 를 참조하면 상기 분사기(1123)는 얇은 평판에 샤워 헤드(shower head)형태로 다수개의 상기 오리피스(1124)가 균일하게 분포되어 가공되어 있는 형상일 수 있다. 상기 공급 입구(1121)로부터 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 불규칙하게 불연속적으로 주입되더라도 상기 분사기(1123)에서 분량을 조절하여 반응기 내부로 균일하게 공급해야 하므로 상기 오리피스(1124)는 상기 분사기(1123)상에 균일한 분포로 가공되어야 한다. 또한, 상기 분사기(1123)를 통해 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)는 상기 촉매(1111)와 반응하기 쉬운 기체 상태로 변환되어야 하며 상기 촉매(1111)와 반응을 극대화하여야 한다. 이를 위해 상기 오리피스(1124)의 직경은 10 ~ 2000 마이크로미터인 것이 바람직하다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 분배기(1131)는 상기 촉매(1111)들이 이탈하지 않도록 마개 역할을 하며 상기 반응기(1110) 내부의 횡단면 상에 삽입되어 있다. 이는 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)가 분해되면서 발생된 기체 상태의 수증기와 산소로 구성된 상기 가스(1136)를 상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133) 사이의 이격된 공간에 균일하게 전달해주는 역할을 한다. 이 공간은 상기 가스(1136)가 균일하게 섞이도록 하기 위한 챔버(chamber)가 될 수 있다. 도 3 을 참조하면 상기 분배기(1131)에도 상기 분사기(1123)와 같이 다수개의 오리피스(도면부호 미부여)가 균일하게 분포되어 가공되어 있다. 다만, 상기 분사기(1123)에서의 오리피스(1124)와 달리 상기 분배기(1131)에서의 오리피스(도면부호 미부여)의 직경은 상기 촉매(1111)의 직경을 초과하지 않는 범위 내에서 상당히 클 수 있으며 이는 이미 분해된 기체 상태의 수증기와 산소로 구성된 상기 가스(1136)를 상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133) 사이의 이격된 공간에 전달하기 때문이다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 분배기 지지대(1132)는 중공된 원기둥 형상으로 원반 형상의 상기 분배기(1131)와 원형 컵 형상의 상기 멀티 노즐(1133) 사이에 위치한다. 이는 첫째, 상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133) 사이에 이격된 공간을 형성하여 상기 가스(1136)가 균일하게 섞이도록 하는 챔버(chamber)역할을 한다. 둘째, 상기 멀티 노즐(1133)은 원형 컵 형태로 형성되어 원주 방향을 지지할 수 있으나 중심부에서는 상기 분배기(1131)에서 분사되는 상기 가스(1136)의 압력으로 인해 상기 분배기(1131)가 휘어질 수 있으므로 이를 지지해주는 역할도 겸하고 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 멀티 노즐(1133)은 원형 컵 형상으로 상면은 상기 분배기(1131)와 원주 방향으로 밀착되어 상기 반응기(1110) 내부의 횡단면 상에 삽입되어 있다. 상기 분배기(1131)에서 분사된 상기 가스(1136)는 상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133) 사이의 이격된 공간에서 균일하게 섞여 체류되어 있다가 상기 멀티 노즐(1133)을 통해 분사되어 상기 터빈부(1200)로 전달되며 터빈을 동작시키기 위한 동력원이 된다. 따라서, 상기 멀티 노즐(1133)에는 다수개의 오리피스(도면번호 미부여)가 균일하게 분포될 수 있다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 출구 가스켓(1134)은 상기 출구 마개(1135)와 상기 반응기(1110)의 사이에 위치하여 분사되는 상기 가스(1136)가 다른 방향으로 외부로 유출되지 않도록 막아주는 역할을 한다. 특히, 분사하는 상기 가스(1136)의 압력이 큰 경우 압력 차이로 인한 유출 위험이 따르게 되며 상기 출구 가스켓(1134)이 이를 방지한다.
도 3 및 도 4 를 참조하면 상기 출구 마개(1135)는 중공된 원기둥 형상으로 내부의 중공부분의 직경은 상기 반응기(1110)의 중공부분의 직경보다 작게 형성되어 있다. 특히, 상기 반응기(1110) 내에서 발생한 상기 가스(1136)의 압력이 높을 경우 상기 반응기(1110)의 내부로 삽입되어 형성된 상기 분배기(1131), 분배기 지지대(1132), 멀티 노즐(1133)이 상기 반응기(1110)에서 분리되거나 유동하지 않도록 고정해주는 역할을 한다. 따라서, 상기 출구 마개(1135)의 원주 방향을 따라 상기 반응기(1110)와 체결구에 의해 결합시킬 수 있다.
종래에 항공기 비상동력장치의 가스발생기에서는 추진제로 하이드라진(hydrazine)을 사용하였다. 이를 분해하는 촉매로는 이리듐(iridium) 촉매가 사용된다. 하이드라진(hydrazine)은 액체 화학물질로 암모니아와 비슷한 냄새가 나고, 상태 변화와 밀도의 성질은 물과 유사하다. 발연성이 높아 로켓의 연료로 사용되기도 하나 인체 발암성이 높고 호흡기나 피부 등에 영향을 미칠 수 있는 유독성의 물질이다. 또한, 동물에게 백혈병 등과 같은 치명적인 해악을 끼칠 수 있는 물질로 보고되고 있다. 따라서, 개발과정에서의 인적 위험요소가 내재하고 있고 시험 및 개발에 고가의 비용이 소요되며 이를 사용시 심각한 환경오염을 초래하는 문제점을 내재하고 있다.
본 발명에 의한 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 상기 가스발생기(1100)의 추진제로 사용하는 경우 이는 무독성 물질이므로 위험 요소가 없으며 시험 및 개발에도 저렴한 비용이 소요되고 환경오염을 방지하게 된다. 또한, 하이드라진(hydrazine)의 구조적 성질은 비스듬하게 어긋난 형태를 보여주며 회전 장벽값이 높은 기체 상태의 과산화수소(hydrogen peroxide)의 구조적 성질과 유사하므로 대체하여 사용가능하다.
종래에 써멀 배터리를 구비하여 활용하는 경우 터빈을 사용하지 않으므로 하이드라진(hydrazine) 비상동력장치를 사용하던 기존 항공기에 장착하기 위해서는 가스발생기, 터빈, 제네레이터(generator)를 모두 교체해야 하므로 장비 교체 시간과 비용이 과다하게 소모되는 문제점이 있다. 본 발명에 의한 과산화수소(hydrogen peroxide)를 이용한 항공기 비상동력장치(1000)의 경우 하이드라진(hydrazine) 가스발생기만 과산화수소(hydrogen peroxide) 가스발생기(1100)로 교체하고 터빈과 제네레이터(generator)는 그대로 활용할 수 있으므로 장비 교체를 위한 시간이 단축되고 비용이 절감되므로 경제적이다. 특히, 현재 사용 중인 F - 16 전투기와 동급 전투기 기종은 하이드라진(hydrazine) 가스발생기를 사용하는 것이 대부분이므로 비상동력장치 교체시 본 발명에 의한 과산화수소(hydrogen peroxide)를 이용한 항공기 비상동력장치(1000)로 교체하는 것이 유리하다.
도 1 을 참조하면 종래에 드라이 에어 공급을 이용하는 경우는 드라이 에어를 산화제로 공급하는 방법과 드라이 에어를 이용하여 터빈을 구동시키는 방법을 생각할 수 있다. 전자의 경우 연료와 산화제를 별도로 사용하여 배관이나 밸브 등이 이원적으로 구성되어야 하므로 시스템이 복잡해지는 단점이 있다. 후자의 경우 공기를 압축하여 6000psi로 가압하여 사용해야 하므로 공기 저장탱크, 배관, 밸브 등의 두께가 두꺼워져 고중량 및 고비용의 문제가 있다. 본 발명에 의한 과산화수소(hydrogen peroxide)를 이용한 항공기 비상동력장치(1000)의 경우 상대적으로 시스템이 단순하며 500 psi 내외의 압력으로 구현 가능하므로 추진제 가압가스 탱크 및 추진제 탱크, 배관, 밸브 등의 부품이 두꺼워질 필요가 없어 항공기의 경량화와 비용 절감에 유리하다.
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
도 1 은 종래의 드라이 에어 공급을 통한 항공기 비상동력장치의 구성을 나타내는 블록도.
도 2 는 본 발명에 의한 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치의 사시도.
도 3 은 본 발명에 의한 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 중 가스발생기의 분해 결합도.
도 4 는 본 발명에 의한 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 중 가스발생기의 단면도.
도 5 는 본 발명에 의한 다수개의 오리피스(orifice)가 가공된 분사기의 평면도.
도 6 은 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.
도 7 은 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.
도 8a 는 본 발명에 의한 적층된 스크린 형태 촉매의 결합도.
도 8b 는 본 발명에 의한 스크린 형태 촉매의 부분 확대도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 드라이 에어 공급장치 11 : 회전식 압축기
12 : 에어 드라이어 13 : 저압 저장부
14 : 부스터 인터페이스부 15 : 고압 저장부
16 : 드라이 에어 전달부
20 : 항공기 비상동력장치
1000 : 항공기 비상동력장치 1100 : 가스 발생기
1110 : 반응기 1111 : 촉매
1111a : 촉매 지지체 1111b : 활성 물질
1111c : 귀금속 스크린 1111d : 무기 산화물층
1120 : 추진제 공급부 1121 : 공급 입구
1122 : 입구 가스켓 1123 : 분사기
1124 : 오리피스
1130 : 분사부 1131 : 분배기
1132 : 분배기 지지대 1133 : 멀티 노즐
1134 : 출구 가스켓 1135 : 출구 마개
1136 : 가스
1200 : 터빈부 1300 : 전기 발생 장치 및 유압 펌프부
Claims (15)
- 추진제인 과산화수소를 공급받는 가스발생기(1100);상기 가스발생기(1100)에서 생성된 가스(1136)를 이용하여 동력을 발생시키는 터빈부(1200);상기 터빈부(1200)에서 발생된 동력을 이용하여 전기와 유압을 발생시키는 전기 발생장치 및 유압 펌프부(1300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 1 항에 있어서,상기 가스발생기(1100)는,과산화수소와 반응하는 활성 물질(1111b)이 포함된 촉매(1111)가 내부에 충전되는 반응기(1110);상기 반응기(1110)에 추진제인 과산화수소를 공급하는 추진제 공급부(1120);상기 반응기(1110)로부터 발생된 가스(1136)를 상기 터빈부(1200)에 분사시키는 분사부(1130);를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 촉매(1111)는 펠렛 또는 그레인 형상의 마이크로비드로 이루어진 촉매 지지체(1111a)와 상기 촉매 지지체(1111a)의 표면에 도포된 상기 활성 물질(1111b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 촉매(1111)는 다공성의 펠렛 형태의 마이크로비드로 이루어진 촉매 지지체(1111a)와 상기 촉매 지지체(1111a)의 표면에 도포된 상기 활성 물질(1111b)을 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 활성 물질(1111b)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 촉매 지지체(1111a)는 무기 산화물인 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 6 항에 있어서,상기 촉매 지지체(1111a)의 구직경은 300 ~ 5000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 촉매(1111)는 상기 반응기(1110) 내부의 횡단면 상에 얇은 막의 형상으로 순차적으로 적층된 스크린 형태인 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 8 항에 있어서,적층된 스크린은 귀금속 스크린(1111c)인 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 촉매(1111)는 비활성 물질로 이루어진 스크린 형태의 촉매 지지체(1111a)에 무기 산화물층(1111d)을 코팅하고 그 표면에 활성 물질(1111b)을 도포하는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 10 항에 있어서,상기 활성 물질(1111b)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 추진제 공급부(1120)는 추진제가 주입되는 공급 입구(1121)와 추진제를 상기 반응기(1110)로 균일하게 전달하는 분사기(1123)를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 12 항에 있어서,상기 분사기(1123)는 얇은 평판에 샤워헤드 형태의 다수개의 오리피스(1124)가 균일하게 분포되어 가공되어 있는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항 공기 비상동력장치.
- 제 13 항에 있어서,상기 오리피스(1124) 직경은 10 ~ 2000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
- 제 2 항에 있어서,상기 분사부(1130)는,상기 반응기(1110)로 부터 유출되는 가스(1136)의 흐름을 균일하게 유지하는 분배기(1131);상기 가스(1136)를 균일하게 분사해주는 멀티 노즐(1133);상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133)이 상호 이격되도록 상기 분배기(1131)와 상기 멀티 노즐(1133) 사이에 설치되는 분배기 지지대(1132); 및상기 분배기(1131), 분배기 지지대(1132) 및 멀티 노즐(1133)을 상기 반응기(1110)에 체결시키는 출구 마개(1135);를 포함하는 것을 특징으로 하는 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020080121599A KR101061190B1 (ko) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080121599A KR101061190B1 (ko) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
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| KR20100063199A true KR20100063199A (ko) | 2010-06-11 |
| KR101061190B1 KR101061190B1 (ko) | 2011-09-01 |
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ID=42363181
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020080121599A KR101061190B1 (ko) | 2008-12-03 | 2008-12-03 | 과산화수소를 이용한 항공기 비상동력장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR101061190B1 (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101110809B1 (ko) * | 2009-12-17 | 2012-02-24 | 한국과학기술원 | 초소형 가스 터빈 |
| KR101314085B1 (ko) * | 2011-10-13 | 2013-10-02 | 한국과학기술원 | 인젝터를 포함하는 일원추진체 기반 공압 발생 장치 |
| CN113202631A (zh) * | 2021-04-26 | 2021-08-03 | 于力 | 一种涡轮轴及涡轮螺旋桨发动机用补氧装置及其工作方法 |
-
2008
- 2008-12-03 KR KR1020080121599A patent/KR101061190B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR101061190B1 (ko) | 2011-09-01 |
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