KR20100110941A - Hydrogen-oxygen bipropellant rocket engine and propulsion method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 친환경 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)를 반응기로 주입하여 촉매와의 반응을 통해 스팀과 산소로 분해시키고 스팀은 다시 물로 응축시켜 전기분해한 후 수소와 산소를 생성하여 산소를 산화제로 이용하고 수소를 연소시켜 추진력을 얻는 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진에 관한 것이다.The present invention injects high concentration hydrogen peroxide, an eco-friendly propellant, into the reactor to decompose it into steam and oxygen through reaction with a catalyst, and condenses it back into water to electrolyze and produce hydrogen and oxygen to use oxygen as the oxidant. And a hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine which obtains propulsion by burning hydrogen.
로켓 엔진은 설계한 추력을 발생시키는 장치로서 추력기를 포함하는 개념이며 로켓 발사체 또는 인공위성에 부착되어 설정한 비행 궤도를 따라 비행하도록 해주는 장치이다. 로켓 엔진은 하나의 추진제만으로 구동하는 단일추진제 로켓 엔진과 산화제를 이용하여 연료를 연소시키는 이원추진제 로켓 엔진으로 나누어 질 수 있다.The rocket engine is a device that generates thrust and is designed to include a thruster. The rocket engine is a device that allows the rocket engine to fly along a flight trajectory that is attached to a rocket projectile or satellite. Rocket engines can be divided into single-propellant rocket engines driven by a single propellant and binary-propellant rocket engines that burn fuel using oxidants.
종래의 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진의 경우,In the case of a conventional hydrogen-oxygen binary rocket engine,
첫째, 수소와 산소를 로켓 엔진의 추진제로 사용하기 위해 극저온 상태에서 액체 수소와 액체 산소로 보관해야 하므로 단열을 요하며 이를 위해 탱크 벽이 두 꺼워져 고중량에 따른 고비용의 문제가 있다.First, in order to use hydrogen and oxygen as a propellant of a rocket engine, liquid hydrogen and liquid oxygen must be stored in cryogenic conditions, and thus heat insulation is required.
둘째, 액체 수소와 액체 산소를 저장하기 위해 큰 부피의 저장탱크를 두 개 운용해야하므로 역시 중량과 부피가 커져 비용 소모가 심하다는 단점이 있다.Second, since two large storage tanks must be operated to store liquid hydrogen and liquid oxygen, they are also disadvantageous in that they are costly due to their weight and volume.
셋째, 수소와 산소는 저장성 추진제가 아니므로 극저온 상태에서 액화시켜 보관해야 하며 단열 처리를 하더라도 지속적으로 추진제가 기화되어 장기간 보관이 어려워 우주 탐사와 같은 장기간이 소요되는 우주선의 추진제로 사용되지 못하고 짧은 시간이 소요되는 로켓 엔진에서 사용할 수밖에 없는 문제가 있다.Third, since hydrogen and oxygen are not storage propellants, they should be stored in liquid form in cryogenic conditions. Even though adiabatic treatments are carried out, propellants are continuously vaporized, making them difficult to store for a long time. There is a problem that can only be used in this rocket engine.
따라서, 수소와 산소를 이원추진제로 활용하되 단열이 불필요하고 작고 가벼운 탱크에 보관 가능하여 전체 시스템의 부피와 중량을 줄이며 상온 상태에서 장기간 보관할 수 있는 경제적인 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진의 개발이 요구된다.Therefore, it is necessary to develop an economical hydrogen-oxygen binary rocket engine that utilizes hydrogen and oxygen as a binary propellant but does not require insulation and can be stored in a small and light tank, reducing the volume and weight of the entire system and storing it for a long time at room temperature. do.
본 발명은 수소와 산소를 이원추진제로 사용하되 단열 장치가 불필요하고 탱크 벽이 두꺼울 필요가 없어 전체 시스템의 경량화에 기여할 수 있는 이원추진제 로켓 엔진을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a two-propellant rocket engine that can use hydrogen and oxygen as a binary propellant, but do not need a heat insulation device and do not need to have a thick tank wall to contribute to the weight reduction of the entire system.
본 발명은 과산화수소 분해 반응과 물의 전기 분해 반응을 이용한 이원추진제 로켓 엔진과 그 추진 방법을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a binary propulsion rocket engine and a propulsion method using hydrogen peroxide decomposition reaction and water electrolysis reaction.
본 발명은 로켓 엔진 점화를 위한 점화기를 별도로 구비할 필요 없어 시스템의 경량화에 기여하며 점화의 신뢰성이 높은 이원추진제 로켓 엔진을 제공하고자 한다.The present invention does not need to provide a separate igniter for ignition of the rocket engine to contribute to the weight reduction of the system and to provide a two-propellant rocket engine with high ignition reliability.
본 발명은 과산화수소 저장탱크(110); 상기 과산화수소 저장탱크(110)에 연결되며 과산화수소 분해 반응이 일어나는 반응기(120); 상기 반응기(120)에 연결되며 상기 반응기(120)에서 분해 반응에 의해 발생한 물을 수소와 산소로 분해하는 전기 분해 장치(130); 상기 전기 분해 장치(130)에 연결되며 상기 전기 분해 장치(130)에서 분해된 수소와 산소를 각각 분리하여 포집하는 수소-산소 분리장치(140); 상기 수소-산소 분리장치(140)에 연결되며 분리된 수소를 저장하는 수소 저장탱크(150); 상기 반응기(120) 또는 수소-산소 분리장치(140) 중 적어도 하나에 연결되어 발생된 산소를 저장하는 산소 저장탱크(160); 및 산소를 산화제로 이용하 여 수소를 연소시켜 추진력을 얻기 위하여 상기 수소 저장탱크(150) 및 산소 저장탱크(160)에 연결되는 로켓 엔진(170); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention is a hydrogen peroxide storage tank (110); A
본 발명은 상기 반응기(120)는 내부에 과산화수소와 반응하는 활성 물질(121b)이 도포된 촉매(121)가 충전되는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that the
또한, 본 발명은 상기 촉매(121)는 펠렛 또는 그레인 형상의 마이크로비드인 지지체(121a)에 상기 활성 물질(121b)이 도포되는 것을 특징으로 한다.In addition, the
본 발명은 상기 촉매(121)의 지지체(121a)는 다공성의 펠렛 형태의 마이크로비드인 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that the
본 발명은 상기 촉매(121)의 지지체(121a)의 직경은 300 ~ 5000 마이크로미터인 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that the diameter of the support (121a) of the
또한, 본 발명은 상기 촉매(121)의 활성 물질(121b)은 귀금속 계열 또는 전이금속 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that the
본 발명은 상기 촉매(121)의 지지체(121a)는 무기 산화물인 것을 특징으로 한다.The
한편, 본 발명은 과산화수소를 가압하기 위한 가압가스 저장탱크(210); 및 상기 가압가스 저장탱크(210)로부터 공급되는 가압가스를 설정된 압력으로 제어하기 위해 상기 가압가스가 상기 가압가스 저장탱크(210)로부터 상기 과산화수소 저장탱크(110)로 이동하는 경로에 형성되는 압력 조절기(215); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the present invention is a pressurized
본 발명은 상기 반응기(120)로 공급되는 과산화수소의 양을 조절하기 위해 상기 과산화수소가 상기 과산화수소 저장탱크(110)로부터 상기 반응기(120)로 이동하는 경로에 형성되는 제 1 밸브(221); 상기 전기 분해 장치(130)로 공급되는 물의 양을 조절하기 위해 상기 물이 상기 반응기(120)로부터 상기 전기 분해 장치(130)로 이동하는 경로에 형성되는 제 2 밸브(222); 상기 산소 저장탱크(160)로 공급되는 산소의 양을 조절하기 위해 상기 산소가 상기 반응기(120) 및 수소-산소 분리장치(140)로부터 상기 산소 저장탱크(160)로 이동하는 경로에 형성되는 제 3 밸브(223); 상기 수소 저장탱크(150)로 공급되는 수소의 양을 조절하기 위해 상기 수소가 상기 수소-산소 분리장치(140)로부터 상기 수소 저장탱크(150)로 이동하는 경로에 형성되는 제 4 밸브(224); 상기 로켓 엔진(170)으로 공급되는 수소의 양을 조절하기 위해 상기 수소가 상기 수소 저장탱크(150)로부터 상기 로켓 엔진(170)으로 이동하는 경로에 형성되는 제 5 밸브(225); 상기 로켓 엔진(170)으로 공급되는 산소의 양을 조절하기 위해 상기 산소가 상기 산소 저장탱크(160)로부터 상기 로켓 엔진(170)으로 이동하는 경로에 형성되는 제 6 밸브(226); 중 선택되는 적어도 하나 이상의 밸브(220)를 포함하고 상기 밸브(220)의 개폐를 제어하기 위한 밸브 구동장치(230)가 구비되는 것을 특징으로 한다.The present invention is the
또한, 본 발명은 상기 반응기(120)에서 발생한 물이 상기 전기 분해 장치(130)로 이동하는 경로에는 상기 반응기(120)에서 과산화수소 분해 반응시 발생하는 기체 상태의 물을 액체 상태로 변환하는 응축기(240)가 포함되는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a condenser for converting the water in the gaseous state generated during the hydrogen peroxide decomposition reaction in the
본 발명은 (a) 압력 조절기(215)를 이용하여 설정된 압력으로 가압가스가 과 산화수소 저장탱크(110)에 있는 과산화수소를 가압하여 반응기(120)로 주입하는 단계; (b) 상기 반응기(120)에서 촉매(121)를 이용하여 과산화수소를 수소와 산소로 분해시키는 과산화수소 분해 단계; (c) 상기 (b)단계에서 분해된 산소는 산소 저장탱크(160)로 이동시켜 저장하고 기체 상태의 물은 응축기(240)에서 액체 상태의 물로 변환하는 단계; (d) 상기 (c)단계에서 변환된 물을 수소와 산소로 전기분해하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 분해된 수소와 산소를 분리하여 포집한 후 포집된 수소는 수소 저장탱크(150)로 이동시켜 저장하고 산소는 산소 저장탱크(160)로 이동시켜 저장하는 단계; 및 (f) 상기 산소 저장탱크(160)에 저장된 산소를 산화제로 이용하여 상기 수소 저장탱크(150)에 저장된 수소를 연료로 연소시켜 추진력을 발생시키는 단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention includes the steps of: (a) pressurizing the hydrogen peroxide in the hydrogen
또한, 본 발명은 상기 (f)단계의 수행시 고온의 산소에 수소를 분사하여 로켓 엔진을 점화시켜 추진력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that to generate a propulsion force by igniting the rocket engine by injecting hydrogen to high temperature oxygen during the step (f).
본 발명에 의한 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진은,Hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine according to the present invention,
첫째, 과산화수소 분해 반응을 통해 수소와 산소가 생성되므로 극저온 상태로 수소와 산소를 보관하기 위한 단열장치나 두꺼운 벽을 가진 탱크가 불필요하여 시스템의 단순화, 경량화에 기여하며 운용시 비용 절감의 효과가 있다.First, since hydrogen and oxygen are generated through the decomposition of hydrogen peroxide, it is not necessary to insulate the hydrogen and oxygen in cryogenic conditions or to have a tank with a thick wall. .
둘째, 시스템 전체의 탱크 중량 면에서 크고 두꺼운 연료 탱크와 산화제 탱크 대신 하나의 추진제 탱크와 임시로 연료와 산화제를 보관하는 작은 탱크를 구비 하면 되므로 전체 시스템의 경량화와 비용 측면에서 경제적이라는 장점이 있다.Second, in terms of the tank weight of the whole system, it is advantageous in terms of weight and cost of the entire system because only one propellant tank and a small tank for temporarily storing fuel and oxidant may be provided instead of a large and thick fuel tank and an oxidant tank.
셋째, 저장성 추진제인 과산화수소만을 보관하게 되므로 기화로 인한 추진제의 손실이 거의 없고 장기간 보관할 수 있어 우주 탐사와 같은 장기간이 소요되는 시스템에 적용이 가능하다는 장점이 있다.Third, since only hydrogen peroxide, which is a storage propellant, is stored, there is almost no loss of propellant due to vaporization and it can be stored for a long time.
또한, 본 발명은 과산화수소 분해 반응시 생성되는 산소가 고온의 상태이므로 고온의 산소에 수소를 분사시켜 직접 로켓 엔진 점화가 가능하여 별도의 점화 장치를 구비할 필요 없어 시스템의 경량화에 기여하고 점화의 신뢰성을 높일 수 있다는 장점이 있다.In addition, in the present invention, since the oxygen produced during the hydrogen peroxide decomposition reaction is a high temperature state, it is possible to ignite the rocket engine by directly injecting hydrogen to high temperature oxygen, so that it is not necessary to provide a separate ignition device, which contributes to the weight reduction of the system and reliability of ignition. There is an advantage that can be increased.
일반적으로 로켓은 연료를 태워서 만드는 고압가스를 내뿜어 추진력을 얻는 장치이며 이와 같은 방식의 엔진을 로켓 엔진 이라한다. 로켓 엔진은 크기에 비해 가장 큰 힘을 내는 엔진으로서, 같은 크기의 자동차 엔진보다 3,000배 이상의 힘을 낸다. 로켓은 매우 큰 힘을 내는 만큼 연료가 빨리 연소되므로 짧은 시간동안 많은 연료를 소모하고, 높은 온도를 발생시킨다. 따라서, 로켓 기관은 높은 온도와 높은 압력, 그리고 강한 힘에 견디면서도 가벼워야 하기 때문에 매우 복잡하고 어려운 기술이 필요하다.In general, a rocket is a device that obtains propulsion by exhaling high-pressure gas produced by burning fuel, and such an engine is called a rocket engine. Rocket engines are the most powerful engines of their size, producing more than 3,000 times the power of car engines of the same size. The rocket burns fast because of its high power, consuming a lot of fuel in a short time and generating high temperatures. Therefore, rocket engines need to be very complex and difficult because they have to withstand high temperatures, high pressures, and strong forces.
로켓의 작동 원리는 작용-반작용의 법칙으로, 물체에 어떤 힘이 가해져서 작용이 생기면 크기는 같지만 방향이 반대인 반작용이 생기는 것을 이용하여 강력한 로켓이 앞으로 나아갈 수 있도록 하는 것이다. 로켓의 연소실에서 추진제가 연소되 면 매우 빠르게 팽창하는 가스가 생성되며, 이 팽창 가스의 압력은 로켓 안의 모든 방향으로 균일하게 작용하고, 어떤 한 방향으로 가해지는 압력은 그 반대 방향으로 가해지는 압력과 균형을 이룬다. 하지만 로켓 뒤쪽으로 흐르는 가스는 노즐을 통해 내뿜어져 로켓 앞쪽의 압력과 균형을 이루지 못하게 되어 발생하는 압력차로 로켓이 앞으로 나아간다. 노즐을 통해 내뿜어지는 가스가 뉴턴의 운동 법칙에서 말하는 '작용'에 해당하고, 내뿜어지는 가스의 반대쪽인 진행 방향으로 로켓을 미는 추진력이 '반작용'에 해당한다.The working principle of a rocket is the law of action-reaction, which allows a powerful rocket to move forward by using reactions of the same magnitude but opposite direction when a force is applied to an object. The propellant burns in the rocket's combustion chamber, creating a gas that expands very rapidly, and the pressure of the expanding gas acts uniformly in all directions within the rocket, and the pressure exerted in one direction is equal to the pressure applied in the opposite direction. Balance However, the gas flowing behind the rocket is blown out through the nozzle and out of balance with the pressure in front of the rocket, causing the rocket to move forward. The gas exhaled through the nozzle corresponds to Newton's law of motion, and the propulsion to push the rocket toward the opposite direction of the exhaled gas corresponds to the reaction.
로켓은 추진 방식에 따라 액체 연료에 의한 방법과 고체 연료에 의한 방법 크게 두 가지로 나뉜다. 액체 연료에 의한 추진 방법은, 기체 내에 채워져 있는 연료와 산화제의 연소에 의해서 발생한 가스를 분출하면서 생성되는 가스를 기체 후방으로 고속 분출시켜 그 반동력으로 전진을 하며, 고체 연료에 의한 추진 방법은, 기체 내에 채워져 있는 고체연료의 연소에 의해서 그 추진력을 이용하여 전진하게 된다. 상기 두 가지 추진 방법 중 단위 질량의 추진제로 낼 수 있는 추력을 정의하는 비추력은 고체 연료 로켓보다 액체 연료 로켓이 크고 추력 조절이 용이하므로 우주 산업에서는 액체 연료를 추진제로 사용하는 경우가 많다.There are two main types of rockets, liquid fuel and solid fuel. The propulsion method using liquid fuel is a high velocity jet of gas generated at the rear of the gas while the gas generated by the combustion of the fuel and the oxidant filled in the gas is advanced at the reaction force, and the propulsion method using the solid fuel is a gas. Combustion of the solid fuel contained in the chamber allows the engine to move forward using its propulsion force. Of the two propulsion methods, the non-thrust defining the thrust that can be produced by the unit mass propellant is larger than the solid fuel rocket, and the liquid fuel rocket is larger than the solid fuel rocket.
또한, 액체 연료에 의한 추진 방법에서도 하나의 추진제만으로 추력을 얻는 단일추진제 방식과 연료와 산화제의 두 개의 추진제를 구비하여 산화제를 이용하여 연료를 연소시켜 추력을 얻는 이원추진제 방식이 있다. 단일추진제 방식의 경우 시스템의 간소화, 경량화 면에서 우수하나 추진제 단위 질량당 생성되는 비추력이 상대적으로 적은 반면 이원추진제 방식의 경우 시스템이 복잡해질 수 있으나 단일추 진제 방식에 비해 비추력이 2배 가량 높아 효율적이다.In addition, there is a single propellant method of obtaining a thrust using only one propellant, and a two-propellant method of burning a fuel using an oxidant to obtain a thrust. The single-propellant method is superior in terms of system simplification and light weight, but the non-thrust generated per unit mass of the propellant is relatively small, while the dual-propellant method can complicate the system, but the non-thrust is twice as efficient as the single-propellant method. to be.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1 은 본 발명에 의한 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진의 시스템 구조도를, 도 2 는 본 발명에 의한 반응기의 단면도를, 도 3 은 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도를, 도 4 는 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도를, 도 5 는 본 발명에 의한 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진의 추진 방법을 나타내는 블록선도를 나타낸다.1 is a system structural diagram of a hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view of a reactor according to the present invention, and FIG. 3 is an enlarged sectional view of a pellet catalyst according to the present invention. 4 is an enlarged cross-sectional view of a porous pellet-type catalyst according to the present invention, Figure 5 is a block diagram showing the propulsion method of the hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine according to the present invention.
도 1 을 참조하면 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진(170)은 과산화수소 저장 탱크(110), 반응기(120), 전기 분해 장치(130), 수소-산소 분리장치(140), 수소 저장탱크(150), 산소 저장탱크(160), 로켓 엔진(170)을 포함할 수 있다. 또한, 가압가스 저장탱크(210), 압력 조절기(215), 밸브(220), 밸브 구동장치(230), 응축기(240)를 선택적으로 포함할 수 있다. 이하 구체적으로 살펴본다.Referring to FIG. 1, a hydrogen-oxygen binary
도 1 을 참조하면 상기 과산화수소 저장탱크(110)는 과산화수소(hydrogen peroxide)를 보관하고 있는 저장용 탱크이며 도 1 은 구조도 이므로 저장 탱크의 형상은 구 형태 뿐 아니라 원기둥 등 다양한 형상으로 이루어 질 수 있다. 종래의 추진제 저장탱크의 경우 높은 압력에서 견디도록 두꺼운 탱크 벽을 구성해야 하므로 고강도 금속재질로 하였으나 상기 과산화수소 저장탱크(110)는 탱크 벽의 내면을 금속 재질로 구성하고 외면을 복합 소재로 구성하는 것 또한 가능하다. 탱크 벽 내면을 구성하는 금속 재질은 추진제인 과산화수소(hydrogen peroxide)와 호환성을 지니는 금속 재료의 범위 내에서 다양할 수 있으며, 탱크 벽의 외면을 구성하는 복합 소재는 유리 섬유, 탄소 섬유, 케블라 등으로 경량화에 기여하면서 높은 압력에서 견딜 수 있는 재료의 범위 내에서 다양한 소재일 수 있다.Referring to FIG. 1, the hydrogen
도 1 을 참조하면 상기 가압가스 저장탱크(210)는 상기 과산화수소 저장탱크(110)에 연결되어 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 가압가스 저장탱크(210)는 추진제인 과산화수소(hydrogen peroxide)를 가압하기 위한 고압의 불활성 가스로 채워져 있으며 상기 불활성 가스로는 질소(nitrogen) 또는 헬륨(Helium) 가스를 활용할 수 있다. 상기 가압가스 저장탱크(210)에 고압으로 충전된 가스가 상기 과산화수소 저장탱크(110)에 있는 과산화수소(hydrogen peroxide)를 가압하여 상기 반응기(120)로 공급한다. 도 1 은 구조도이므로 도시된 상기 가압가스 저장탱크(210)의 형상은 일예로써 원형을 도시하고 있으나 이에 한정되지 않고 원기둥, 구형 등 다양한 형상으로 이루어 질 수 있다. 상기 가압가스 저장탱크(210)의 재질에 대해서는 상기 과산화수소 저장탱크(110)에서 설명한 바와 동일하므로 생략하기로 한다.Referring to FIG. 1, the pressurized
도 1 을 참조하면 상기 압력 조절기(215)는 상기 가압가스 저장탱크(210)와 과산화수소 저장탱크(110) 사이에 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 가압가스 저장탱크(210)에 고압으로 충전된 질소(nitrogen) 또는 헬륨(Helium) 가스가 상기 과산화수소 저장탱크(110)에 있는 과산화수소(hydrogen peroxide)를 가압할 때 설정된 압력으로 감압이 필요하며 상기 압력 조절기(215)에서 감압을 수행할 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나 상기 압력 조절기(215)와 과산화수소 저장탱크(110)의 사 이에 미세조정밸브(도면 미도시)가 형성될 수 있으며 이 경우, 가압용 가스는 상기 압력 조절기(215)와 미세조정밸브(도면 미도시)에서 압력 조절할 수 있고 상기 압력 조절기(215)에서 설계 압력으로 먼저 감압한 뒤 미세조정밸브(도면 미도시)에서 미세한 압력 조절 및 보정이 가능하다. 가압 압력이 변동하는 블로우 다운(blow-down) 시스템을 이용하면 추진제인 과산화수소(hydrogen peroxide)의 사용량에 따라 가압 압력이 변동하고 이에 따라 추진제 공급 유량이 가변적이므로 설계 조건에서 요구되는 수소 및 산소를 일정하게 발생시키기 어려운 문제점이 있다. 따라서, 상기 압력 조절기(215)에 의해 잔존 추진제의 양에 관계없이 상기 반응기(120)로 일정량의 과산화수소(hydrogen peroxide)를 공급할 수 있어 요구되는 수소 및 산소 유량을 생성시킬 수 있는 장점이 있다. 상기 압력 조절기(215)의 구체적인 구성은 통상적으로 사용되는 압력 조절기와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.Referring to FIG. 1, the
도 2 를 참조하면 상기 반응기(120)에는 촉매(121)가 충전되어 있어 과산화수소(hydrogen peroxide) 분해 반응이 일어나는 공간이며 상기 촉매(121)는 지지체(121a)와 활성 물질(121b)로 형성될 수 있다. 과산화수소의 분해 반응은 고온, 고압의 가스를 생성하는 점에서 그 특성이 연소 반응과 유사하다. 과산화수소 분해 반응에서 촉매를 이용하는 방법은 액상의 과산화수소와 액상의 촉매를 동시에 분사하여 반응시키는 방식인 액체-액체형(liquid-liquid type)이 있으나 수분에 의해 효율이 저하되는 점, 공급관을 두 개 설치하여 간결하지 아니한 점 등 단점이 있다. 따라서, 고체 상태의 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 촉매나 스크 린(screen) 형태의 촉매를 많이 사용하게 된다. 전자인 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 촉매의 경우 덩어리진 고체 촉매에 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분사하여 반응시키는 방식이다. 이 방식은 과산화수소(hydrogen peroxide)와 촉매의 접촉 면적이 크고 물질 전달이 용이하여 과산화수소(hydrogen peroxide)의 분해 반응에서 뛰어난 효과를 기대할 수 있다는 장점이 있다. 후자인 스크린(screen) 형태의 촉매의 경우 와이어가 직조된 스크린(screen)을 적층하여 고압으로 압축시킨 팩을 사용하는 방식으로서 분해 반응에서 펠렛 촉매와 같이 분쇄되지 않아 내구성이 좋다는 장점이 있다. 따라서, 시스템의 가동 조건에 따라 촉매를 선택할 수 있으나 상기 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진(170)에서 높은 추력을 얻기 위해서는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 촉매를 선택하여 사용함이 바람직하다. Referring to FIG. 2, the
도 3 을 참조하면 상기 촉매(121)에 사용되는 활성 물질(121b)은 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하는 백금(platinum), 은(silver), 파라듐(palladium) 등과 같은 귀금속 계열 금속이거나 산화망간(manganese oxide), 산화철(oxidized iron) 등과 같은 전이금속(transition metal)의 산화물 중 선택되는 어느 하나이거나 이들의 결합인 것이 바람직하다. 상기 활성 물질(121b)은 추진제인 고농도 과산화수소(hydrogen peroxide)와 반응하여 기체 상태의 수증기와 산소를 발생시킨다.Referring to FIG. 3, the
도 4 를 참조하면 펠렛(pellet) 형태의 상기 촉매(121)는 다공성(多孔性)일 수 있다. 상기 지지체(121a)를 구성하는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드는 다수개의 구멍이 뚫려 있고 그 위에 상기 활성 물질(121b)을 코팅시켜 형성된다. 따라서, 공극이 최대가 되고 과산화수소(hydrogen peroxide)와 그레인(grain) 형태의 상기 활성 물질(121b) 입자간 접촉 면적도 극대화되어 반응속도가 빨라질 수 있다. 이에 따라, 과산화수소(hydrogen peroxide)의 분해 속도가 빨라져 추진제 유량이 증가됨에 따라 높은 비추력을 얻을 수 있다.Referring to FIG. 4, the
도 3 을 참조하면 상기 지지체(121a)는 펠렛(pellet) 또는 그레인(grain) 형태의 마이크로비드일 수 있다. 상기 지지체(121a)의 직경은 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 지지체(121a)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.Referring to FIG. 3, the
도 1 을 참조하면 상기 전기 분해 장치(130)는 상기 반응기(120)에서 과산화수소(hydrogen peroxide) 분해 반응에 따라 발생한 물을 공급받아 내부에 다수개의 전극이 배치된 전해조에 물을 채우고 전극의 양쪽 선단에 배터리의 양극(+)과 음극(-)이 연결되어 물을 수소와 산소로 분해한다. 분해 반응식은 다음과 같다.Referring to FIG. 1, the
전체 반응식은The whole scheme is
2H2O -> 2H2 + O2 2H 2 O-> 2H 2 + O 2
이며,Lt;
- 극(환원) 4H2O + 4e- -> 2H2(기체상태) + 4OH- -Pole (reduced) 4H 2 O + 4e--> 2H 2 (gas) + 4OH-
+ 극(산화) 2H20 -> O2(기체상태) + 4H+ + 4e-+ Pole (oxidation) 2H 2 0-> O 2 (gas) + 4H + + 4e-
와 같다.Same as
물을 전기분해 하는 방법에 대한 상세한 설명은 통상적인 경우와 같으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 전기 분해 장치(130)에서 분해된 수소와 산소는 후술하게 될 수소-산소 분리장치(140)로 이동한다.Detailed description of the method of electrolyzing water is the same as in the conventional case, and a detailed description thereof will be omitted. Hydrogen and oxygen decomposed in the
도 1 을 참조하면 상기 응축기(240)는 상기 반응기(120)에서 발생한 물이 상기 전기 분해 장치(130)로 이동하는 경로에 선택적으로 형성될 수 있다. 과산화수소(hydrogen peroxide) 분해 반응식은 다음과 같으며 이는 발열 반응이다.Referring to FIG. 1, the
2H2O2 -> 2H2O + O2 2H 2 O 2- > 2H 2 O + O 2
분해 반응시 발생하는 물과 산소는 고온의 상태이며 물은 기체 상태의 수증기일 수 있다. 따라서, 물을 전기 분해하기 위해 전 단계로 기체 상태의 물을 액체 상태로 응축하는 과정이 요구되며 상기 응축기(240)는 고온의 스팀과 열 교환을 통해 물로 응축시키는 장치이다.Water and oxygen generated during the decomposition reaction are hot and water may be gaseous steam. Therefore, in order to electrolyze water, a process of condensing water in a gaseous state into a liquid state is required in the previous step, and the
도 1 을 참조하면 상기 수소-산소 분리장치(140)는 상기 전기 분해 장치(130)에 연결된다. 상기 수소-산소 분리장치(140)는 환원 반응이 일어나는 - 극에서 OH- 를 제외한 기체 상태의 수소를 포집하고 산화 반응이 일어나는 + 극에서 H+ 를 제외한 기체 상태의 산소를 포집하는 장치이다. 포집된 수소와 산소는 각각 수소 저장탱크(150)와 산소 저장탱크(160)로 이동시킨다.Referring to FIG. 1, the hydrogen-
도 1 을 참조하면 상기 수소 저장탱크(150)와 산소 저장탱크(160)는 각각 수소와 산소를 저장하기 위한 탱크로 기체 상태의 수소와 산소를 저장한다. 상기 수소 저장탱크(150)의 경우 상기 수소-산소 분리장치(140)에서 발생한 수소만을 저장하게 되나, 상기 산소 저장탱크(160)의 경우 상기 수소-산소 분리장치(140)에서 분리 포집된 산소와 상기 반응기(120)에서 과산화수소 분해 반응에 의해 발생한 산소를 모두 저장하게 된다. 상술한 바와 같이 과산화수소 분해 반응은 발열 반응이므로 상기 반응기(120)에서 발생한 산소는 매우 고온일 수 있다.Referring to FIG. 1, the
도 1 을 참조하면 상기 로켓 엔진(170)은 상기 산소 저장탱크(160)로부터 공급되는 산소를 산화제로 이용하고 상기 수소 저장탱크(150)로부터 공급되는 수소를 연료로 하여 연소시켜 추진력을 발생시키는 장치이다. 본 발명과 같이 과산화수소(hydrogen peroxide)를 분해한 후 전기 분해를 통해 수소와 산소의 이원 추진제로 변환하여 연소시킬 경우 과산화수소(hydrogen peroxide)를 단일 추진제로 이용하는 시스템에 비해서 2배 이상의 비추력을 얻을 수 있는 장점이 있다. 또한, 상술한 바와 같이 상기 반응기(120)에서 발생되는 산소는 매우 고온이므로 산소 저장탱크(160)를 거쳐 상기 로켓 엔진(170)에 고온의 산소를 분사한 뒤 상기 수소 저장탱크(150)로부터 수소를 분사시키면 즉시 점화 가능하다. 따라서, 상기 로켓 엔진(170)의 점화를 위한 점화 장치가 별도로 요구되지 않아 시스템의 경량화에 기여하고 점화 장치의 신뢰성을 확보할 수 있는 장점이 있다.Referring to FIG. 1, the
도 1 을 참조하면 상기 밸브(220)는 제 1 밸브(221) 내지 제 6 밸브(226) 중에서 선택적으로 형성될 수 있다. 구체적으로 살펴보면 상기 제 1 밸브(221)는 상기 반응기(120)로 공급되는 과산화수소(hydrogen peroxide)의 양을 조절하기 위해 상기 과산화수소(hydrogen peroxide)가 상기 과산화수소 저장탱크(110)로부터 상기 반응기(120)로 이동하는 경로에 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 밸브(222)는 상기 전기 분해 장치(130)로 공급되는 물의 양을 조절하기 위해 상기 물이 상기 반응기(120)로부터 상기 전기 분해 장치(130)로 이동하는 경로에 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 제 3 밸브(223)는 상기 산소 저장탱크(160)로 공급되는 산소의 양을 조절하기 위해 상기 산소가 상기 반응기(120) 및 수소-산소 분리장치(140)로부터 상기 산소 저장탱크(160)로 이동하는 경로에 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 제 4 밸브(224)는 상기 수소 저장탱크(150)로 공급되는 수소의 양을 조절하기 위해 상기 수소가 상기 수소-산소 분리장치(140)로부터 상기 수소 저장탱크(150)로 이동하는 경로에 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 제 5 밸브(225)는 상기 로켓 엔진(170)으로 공급되는 수소의 양을 조절하기 위해 상기 수소가 상기 수소 저장탱크(150)로부터 상기 로켓 엔진(170)으로 이동하는 경로에 선택적으로 형성될 수 있다. 상기 제 6 밸브(226)는 상기 로켓 엔진(170)으로 공급되는 산소의 양을 조절하기 위해 상기 산소가 상기 산소 저장탱크(160)로부터 상기 로켓 엔진(170)으로 이동하는 경로에 선택적으로 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이 상기 밸브(220)들은 모두 구비될 필요 없으며 시스템의 설계에 따라 일부만 선택적으로 구성될 수 있다. 상기 밸브(220)의 개폐를 제어하기 위한 제어 장치로 밸브 구동장치(230)가 형 성될 수 있으며 상기 밸브 구동장치(230)에서의 밸브 개폐 제어에 의해 과산화수소, 물, 산소, 수소의 공급 및 차단이 조절되며 공급시 유량 조절이 될 수 있다. 상기 밸브(220)는 글로브 밸브나 앵글 밸브와 같은 스톱 밸브, 평행 슬라이드 밸브, 웨지 밸브, 체크 밸브, 감압 밸브, 이스케이프 밸브, 안전 밸브, 스로틀 밸브 등 다양한 형태일 수 있으며 그 재료는 과산화수소, 물, 산소, 수소와 반응하지 않는 금속 재료 범위 내에서 다양할 수 있다. 또한, 상기 밸브(220)는 솔레노이드(solenoid)에 전류가 흘러 자기장이 형성될 때 발생하는 인력(引力)을 이용하는 솔레노이드(solenoid) 밸브일 수 있으며 이에 의해 상기 밸브 구동장치(230)에서 전기적 신호로 상기 밸브(220)의 개폐를 조절할 수 있다.Referring to FIG. 1, the valve 220 may be selectively formed among the
도 5 를 참조하면 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진의 추진 방법은 다음과 같다.Referring to FIG. 5, the propulsion method of the hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine is as follows.
(a)단계step (a)
압력 조절기(215)를 이용하여 가압가스 압력을 설정한 후 가압가스 저장탱크(210)에 저장된 가압가스를 이용하여 과산화수소 저장탱크(110)에 있는 과산화수소를 가압하여 반응기(120)로 주입한다.After setting the pressurized gas pressure using the
(b)단계(b) step
상기 반응기(120)에서 촉매(121)의 활성 물질(121b)을 이용하여 과산화수소와 반응시켜 과산화수소 분해 반응을 일으킨다. 과산화수소 분해 반응의 결과로 고온의 산소와 기체 상태의 물이 발생한다.In the
(c)단계step (c)
상기 (b)단계에서 분해된 고온의 산소는 산소 저장탱크(160)로 이동시켜 저장하고 기체 상태의 물은 응축기(240)에서 액체 상태의 물로 변환한다.The high temperature oxygen decomposed in the step (b) is moved to the
(d)단계(d) step
상기 (c)단계에서 상기 응축기(240)를 거쳐 액체 상태로 변환된 물을 전기 분해 장치(130)에서 수소와 산소로 전기 분해한다.In the step (c), the water converted into the liquid state through the
(e)단계(e) step
상기 (d)단계에서 상기 전기 분해 장치(130)를 통해 분해된 수소와 산소를 수소-산소 분리장치(140)에서 분리하여 포집한 후 포집된 수소는 수소 저장탱크(150)로 이동시켜 저장하고 산소는 산소 저장탱크(160)로 이동시켜 저장한다.In step (d), the hydrogen and oxygen decomposed through the
(f)단계(f) step
상기 산소 저장탱크(160)에 저장된 산소를 산화제로 이용하여 상기 수소 저장탱크(150)에 저장된 수소를 연료로 로켓 엔진(170)을 연소시켜 추진력을 발생시킨다. 상술한 바와 같이 상기 반응기(120)에서 발생되는 고온의 산소를 산소 저장탱크(160)를 거쳐 상기 로켓 엔진(170)에 분사한 뒤 상기 수소 저장탱크(150)로부터 수소를 분사시키면 즉시 로켓 엔진(170)을 점화할 수 있다.By using the oxygen stored in the
본 발명의 상기한 실시예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안 된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변 경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.The technical idea should not be interpreted as being limited to the above-described embodiment of the present invention. Various modifications may be made at the level of those skilled in the art without departing from the spirit of the invention as claimed in the claims. Therefore, such improvements and modifications fall within the protection scope of the present invention, as will be apparent to those skilled in the art.
도 1 은 본 발명에 의한 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진의 시스템 구조도.1 is a system structural diagram of a hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine according to the present invention.
도 2 는 본 발명에 의한 반응기의 단면도.2 is a cross-sectional view of a reactor according to the present invention.
도 3 은 본 발명에 의한 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.3 is an enlarged cross-sectional view of a pellet type catalyst according to the present invention.
도 4 는 본 발명에 의한 다공성의 펠렛(pellet) 형태 촉매의 확대 단면도.4 is an enlarged cross-sectional view of a porous pellet form catalyst according to the present invention.
도 5 는 본 발명에 의한 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진의 추진 방법을 나타내는 블록선도.5 is a block diagram showing a propulsion method of a hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine according to the present invention;
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 수소-산소 이원추진제 로켓 엔진100 hydrogen-oxygen binary propellant rocket engine
110 : 과산화수소 저장 탱크110: hydrogen peroxide storage tank
120 : 반응기 121 : 촉매120
121a : 지지체 121b : 활성 물질121a:
130 : 전기 분해 장치 140 : 수소-산소 분리장치130: electrolysis device 140: hydrogen-oxygen separator
150 : 수소 저장탱크 160 : 산소 저장탱크150: hydrogen storage tank 160: oxygen storage tank
170 : 로켓 엔진170: Rocket Engine
210 : 가압가스 저장탱크 215 : 압력 조절기210: pressurized gas storage tank 215: pressure regulator
220 : 밸브 221 : 제 1 밸브220: valve 221: first valve
222 : 제 2 밸브 223 : 제 3 밸브222: second valve 223: third valve
224 : 제 4 밸브 225 : 제 5 밸브224: fourth valve 225: fifth valve
226 : 제 6 밸브226: sixth valve
230 : 밸브 구동장치 240 : 응축기230: valve drive device 240: condenser
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