KR20110128394A

KR20110128394A - 추진제 점화용 플라즈마 인젝터

Info

Publication number: KR20110128394A
Application number: KR1020100047818A
Authority: KR
Inventors: 이영현; 이병하; 김진성; 김성호; 양경승
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2011-11-30

Abstract

본 발명은 추진제 점화용 플라즈마 인젝터에 관한 것으로, 수 kV, 수십 kA의 전기를 절연시키면서 고온, 고압의 플라즈마를 안정적으로 발생시켜 분사시킬 수 있도록 함으로써 추진제의 점화지연시간을 단축시키고, 점화시간 편차를 감소시켜 매발 정확한 시간에 탄을 발사할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은 원통형 하우징으로 이루어진 인젝터 본체(11)와, 상기 인젝터 본체(11) 내에 설치되어 대전력 펄스 전기에너지를 안전하게 전달하는 내·외부 전극(12, 13) 및 절연부(18, 19)와, 상기 인젝터 본체(11) 내의 중앙에 형성되어 전기에너지로부터 플라즈마를 발생시켜 분사시키는 모세관(14)과, 상기 모세관(14)을 가로질러 설치되어 있는 금속와이어(15)와, 상기 금속 와이어(15) 둘레에 설치된 용발재(16)와, 상기 용발재(16)가 밀려나가지 않도록 상기 인젝터 본체의 일단부를 밀폐하여 쐐기작용을 하는 마개(17)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

추진제 점화용 플라즈마 인젝터{PLASMA INJECTOR FOR PROPELLANT IGNITION}

본 발명은 추진제 점화용 플라즈마 인젝터에 관한 것으로, 특히 수 kV, 수십 kA의 전기를 절연시키면서 고온, 고압의 플라즈마를 안정적으로 발생시켜 분사시킬 수 있도록 함으로써 추진제의 점화지연시간을 단축시키고, 점화시간 편차를 감소시켜 매발 정확한 시간에 탄을 발사할 수 있는 추진제 점화용 플라즈마 인젝터에 관한 것이다.

기존의 화포는 탄을 발사시키기 위해, 뇌관을 사용하여 일종의 화약인 기폭약을 기폭시키고 이 기폭열로부터 점화제를 발화시켜 발생된 화염으로 추진제를 점화시켰는데, 추진제 점화시간이 지연되고 일정하지 않은 점화 타이밍 등으로 정밀하고 정확한 점화가 어려운 점이 있었다.

한편, 최근에는 화학추진제만으로 탄을 가속시켜 발사시키는 기존의 화포와 달리, 화학추진제 연소시 발생하는 화학에너지와 외부에서 인가되는 전기에너지를 이용하여 탄을 가속시키는 전열화학포가 차세대 포로서 개발되고 있다.

이러한 전열화학포는 전기에너지로 플라즈마를 만들고 이 플라즈마를 사용해서 추진제의 연소를 조절하기 위해 추진제가 삽입된 약실 뒤편에 플라즈마 인젝터를 설치하고 있다.

통상, 사격시 고압의 추진가스를 밀폐하고, 사격 후에는 탄피를 추출해 주는 폐쇄기는 전원장치로부터 플라즈마 인젝터에 전기를 공급하는 매개체 역할을 수행한다. 여기서, 폐쇄기란, 탄 발사 시에 약실 후부를 밀폐하여 장약의 연소가스가 약실 후부로부터 빠지는 것을 방지하는 장치이다. 사격시에는 폐쇄기가 플라즈마 인젝터에 접촉하면서 수십 - 수백 MW의 펄스 전기에너지가 전달되는데, 플라즈마 인젝터와 폐쇄기의 접촉면적이 충분히 확보되지 않은 상태에서 전기에너지가 공급된다면, 아크 방전이 발생하여 접촉부위 및 그 인접 부위가 손상될 우려가 있다.

또한, 전기에너지 방전시 플라즈마 인젝터에 수 kV의 고전압이 발생되므로 전기적 절연이 실패할 경우 에너지 전환 효율이 급격하게 감소한다. 일단 플라즈마가 발생되면 추진제를 점화시키기에 안정적이고 충분한 고온, 고압의 플라즈마가 발생되도록 설계되어야 한다.

따라서, 이러한 문제를 해결할 수 있는 플라즈마 인젝터의 개발이 요망되고 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 수 kV, 수십 kA의 전기를 절연시키면서 고온, 고압의 플라즈마를 안정적으로 발생시켜 분사시킬 수 있도록 함으로써 추진제의 점화지연시간을 단축시키고, 점화시간 편차를 감소시켜 매발 정확한 시간에 탄을 발사할 수 있는 추진제 점화용 플라즈마 인젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 플라즈마 인젝터는,

원통형 하우징으로 이루어진 인젝터 본체와, 상기 인젝터 본체 내에 설치되어 대전력 펄스 전기에너지를 안전하게 전달하는 내·외부 전극 및 절연부와, 상기 인젝터 본체 내의 중앙에 형성되어 전기에너지로부터 플라즈마를 발생시켜 분사시키는 모세관과, 상기 모세관을 가로질러 설치되어 있는 금속와이어와, 상기 금속 와이어 둘레에 설치된 용발재와, 상기 용발재가 밀려나가지 않도록 상기 인젝터 본체의 일단부를 밀폐하여 쐐기작용을 하는 마개를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 외부전극은 폐쇄기를 매개체로 하여 상기 전원장치에 연결되며, 상기 인젝터 본체의 타단부를 통해 인젝터 본체 내에 일부 삽입되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 금속 와이어는 일단은 상기 마개에 결합되고 타단은 상기 내부전극에 연결되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 용발재는 탄소화합물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 절연부는 상기 외부전극 둘레에 설치된 압축 신축성을 갖는 절연링과, 높은 압력을 받는 환경에서 외부전극 및 내부전극과 인젝터 본체 사이를 절연시키기 위하여 설치된 내압 성능을 갖는 절연재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 플라즈마 인젝터 내에 장치된 매질(금속 와이어 및 용발재)에 대전력의 전기에너지가 가해지면, 수 kV, 수십 kA의 전기를 절연시키면서 고온의 플라즈마를 안정적으로 발생시켜 분사시킬 수 있으므로, 추진제의 점화지연시간을 단축시키고, 점화시간 편차를 감소시켜 매발 정확한 시간에 탄을 발사할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 인젝터의 구성도.
도 2는 플라즈마 발생시의 본 발명의 플라즈마 인젝터 저항 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 인젝터로부터 대기 중으로 분사중인 플라즈마를 보인 사진.
도 4는 플라즈마에 의한 추진제 점화장면을 보인 사진.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 인젝터의 구성도를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 플라즈마 인젝터는 전원장치로부터 공급되는 전기에너지를 이용하여 플라즈마를 발생시키는 장치로서, 플라즈마 분사장치라고도 한다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 본 발명에 따른 인젝터는 원통형 하우징으로 이루어진 인젝터 본체(11)와, 인젝터 본체(11) 내에 설치되어 대전력 펄스 전기에너지를 안전하게 전달하는 내·외부 전극(12, 13) 및 절연부(18, 19)와, 인젝터 본체(11) 내에 설치되어 전기에너지로부터 플라즈마를 발생시켜 분사시키는 모세관(14), 금속 와이어(15) 및 원통형의 용발재(16)와, 용발재(16)가 밀려나가지 않도록 인젝터 본체(11)의 일단부를 밀폐하여 쐐기작용을 하는 마개(17)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.

여기서, 폐쇄기를 매개체로 하여 전원장치(미도시)에 연결되는 외부전극(13)은 수백kA의 전류와 수십kV의 전압을 수용할 수 있도록 설계되어 있고, 인젝터 본체(11)의 타단부를 통해 인젝터 본체(11) 내에 일부 삽입되는 상태로 인젝터 본체(11)의 타단부를 밀폐한다.

상기 금속 와이어(15)의 한쪽 끝은 마개(17)에 결합되고 금속 와이어(15)의 반대쪽 끝은 내부전극(12)에 연결되어 있으며, 금속 와이어(15) 둘레에는 탄소화합물로 이루어진 용발재(16)가 설치되어 있다. 그리고 금속 와이어(15)는 용발재(16) 중앙의 빈 공간인 모세관(14)을 가로질러 설치되어 있다.

상기 절연부(18, 19)는 대전력의 펄스 전기에너지를 공급받아 고온의 플라즈마를 생성하는데 중요한 역할을 하는 것으로, 외부전극(13) 둘레에 설치된 압축 신축성이 우수한 절연링(18)과, 높은 압력을 받는 환경에서 외부전극(13) 및 내부전극(12)과 인젝터 본체(11) 사이를 절연시키기 위하여 설치된 내압 성능이 우수한 절연재(19)로 이루어진다.

이와 같이 외부전극(13) 둘레에 압축 신축성이 우수한 절연링(18)을 사용함으로써, 전기에너지 공급시, 전극 접촉면에서 발생할 수 있는 원하지 않는 아크방전을 방지할 수 있다.

이러한 구조에 의해, 전원장치로부터 수 ms동안 수십-수백 MW의 펄스 전기에너지가, 외부전극(13)를 통하여 인젝터 본체(11)로 전달되면 인젝터 본체(11) 중앙의 모세관(14) 내에 위치해 있는 금속 와이어(15)가 저항열(ohmic heating)에 의하여 녹아 기체 상태로 증발하게 된다. 이렇게 기체 상태로 증발된 와이어(15)는 전도성이 매우 낮기 때문에 전도성이 매우 높은 이온화된 기체 에너지 상태인 플라즈마로 가열하기 위해서는 매우 높은 전압이 요구되며, 이때 도 2와 같이 부하저항이 급격하게 상승 및 하강한다. 이후 플라즈마 상태로 전환되면서 부하저항은 급속하게 감소한다. 이때 와이어(15)를 둘러싸고 있는 용발재(16)에 열전달이 일어나고 이 용발재(16) 표면 일부가 증발하여 기체상태를 거쳐 플라즈마로 전환되기 시작하며, 전기에너지 공급이 계속됨에 따라 이 플라즈마는 용발재(16)에 더 많은 열을 가하여 플라즈마 발생을 촉진시킨다. 용발재(16)가 플라즈마 상태로 전환되면 부하저항이 낮아지고 모세관(14) 내부의 압력이 증가하며, 이 압력에 의하여 플라즈마가 분사된다. 이때 모세관(14)의 열린 출구에서는 투입된 전기에너지와 같은 출력의 플라즈마가 분사되는 평형상태를 유지한다. 전원장치로부터 공급되는 펄스전력의 크기가 충분히 낮아질 때까지 플라즈마 분사는 계속된다. 이와 같이 분사된 플라즈마는 추진제에 열에너지를 공급하여 점화시킴으로써 탄을 발사할 수 있게 된다.

이상에서와 같이 플라즈마가 분사되어 추진제를 점화시키는 과정은 다음과 같이 요약할 수 있다.

단계 1 : 전원장치로부터 전기에너지가 공급되면 와이어(15)가 플라즈마화되면서 모세관(14) 벽면을 구성하고 있는 용발재(16) 표면에 열전달이 일어난다. 이 열로 인하여 용발재(16) 표면 일부가 기체상태를 거쳐 플라즈마화된다. 전기에너지 공급이 계속되면서 연속적으로 발생된 플라즈마에 의해 모세관(14) 내부의 압력이 증가하며 이 압력에 의해 플라즈마가 분사된다.

단계 2 : 플라즈마 인젝터 주위에 채워져 있던 추진제가 분사된 플라즈마의 높은 열에 의하여 점화되어 연소됨으로써 탄을 추진시키게 된다.

도 3은 전원장치에 직접 연결된 플라즈마 인젝터가 전기에너지를 공급 받아 대기 중으로 플라즈마를 분사하는 장면을 보인 것이다. 도 4는 투명한 원통에 추진제 알갱이들을 채우고 원통 왼쪽 내부 중앙에 플라즈마 인젝터를 설치한 후, 플라즈마 인젝터로부터 플라즈마를 분사하였을 때, 분사된 플라즈마가 추진제 알갱이들을 점화시키는 장면을 보인 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 플라즈마 인젝터 내에 장치된 매질(금속 와이어 및 용발재)에 대전력의 전기에너지가 가해지면, 수 kV, 수십 kA의 전기를 절연시키면서 고온의 플라즈마를 안정적으로 발생시켜 분사시킬 수 있다.

이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변경, 응용될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 다음의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

11 : 인젝터 본체
12 : 내부전극
13 : 외부전극
14 : 모세관
15 : 금속 와이어
16 : 용발재
17 : 마개
18 : 절연링
19 : 절연재

Claims

폐쇄기를 매개체로 하여 전원장치에 연결되며 전원장치에 직접 연결되어 전기에너지에 의해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 인젝터에 있어서,
원통형 하우징으로 이루어진 인젝터 본체(11)와,
상기 인젝터 본체(11) 내에 설치되어 대전력 펄스 전기에너지를 안전하게 전달하는 내·외부 전극(12, 13) 및 절연부(18, 19)와,
상기 인젝터 본체(11) 내의 중앙에 형성되어 전기에너지로부터 플라즈마를 발생시켜 분사시키는 모세관(14)과,
상기 모세관(14)을 가로질러 설치되어 있는 금속와이어(15)와,
상기 금속 와이어(15) 둘레에 설치된 용발재(16)와,
상기 용발재(16)가 밀려나가지 않도록 상기 인젝터 본체의 일단부를 밀폐하여 쐐기작용을 하는 마개(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 외부전극(13)은 폐쇄기를 매개체로 하여 상기 전원장치에 연결되며, 상기 인젝터 본체(11)의 타단부를 통해 인젝터 본체(11) 내에 일부 삽입되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 금속 와이어(15)는 일단은 상기 마개(17)에 결합되고 타단은 상기 내부전극(12)에 연결되도록 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 플라즈마 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 용발재(16)는 탄소화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 인젝터.
제1항에 있어서,
상기 절연부(18, 19)는 상기 외부전극(13) 둘레에 설치된 압축 신축성을 갖는 절연링(18)과, 높은 압력을 받는 환경에서 외부전극(13) 및 내부전극(12)과 인젝터 본체(11) 사이를 절연시키기 위하여 설치된 내압 성능을 갖는 절연재(19)로 이루어진 것을 특징으로 하는 플라즈마 인젝터.