KR20120062288A - 우주비행체의 연료공급시스템 및 그 연료공급시스템의 사용 방법 - Google Patents

우주비행체의 연료공급시스템 및 그 연료공급시스템의 사용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료공급시스템에 관한 것으로서, 우주비행체의 추력발생장치에 가스연료를 공급하는 연료공급시스템에 있어서, 상기 가스연료를 고압으로 저장하는 저장탱크; 상기 가스연료를 저압으로 저장하는 축압탱크; 상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이에 배치되며, 상기 저장탱크에 저장된 가스연료를 상기 축압탱크로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제1오리피스; 상기 축압탱크와 상기 추력발생장치 사이에 배치되며, 상기 축압탱크에 저장된 가스연료를 상기 추력발생장치로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제2오리피스; 상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제1밸브; 상기 축압탱크와 상기 추력발생장치 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제2밸브;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 상기 축압탱크와, 상기 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제1오리피스와, 상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제1밸브를 구비함으로써, 상기 저장탱크에 저장된 가스연료의 압력이 감소되더라도 상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 일정하게 유지할 수 있어, 추력발생장치에 정확한 유량의 가스연료를 공급할 수 있는 효과가 있다.

Description

우주비행체의 연료공급시스템 및 그 연료공급시스템의 사용 방법{Fuel supplying system of space vehicles and method of using the same.}
본 발명은 우주비행체의 연료공급시스템 및 그 연료공급시스템의 사용 방법에 관한 것으로서, 특히 저장탱크에 저장된 가스연료의 압력이 감소되더라도 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 일정하게 유지할 수 있어, 추력발생장치에 정확한 유량의 가스연료를 공급할 수 있는 우주비행체의 연료공급시스템 및 그 연료공급시스템의 사용 방법에 관한 것이다.
우주비행체의 추진방식으로 전기추진(Electric propulsion)방식이 있는데, 이는 중성의 가스연료를 전기 분해하여 이온화하고, 이온화된 가스연료를 고속으로 분사함으로써 추진력을 얻는 방식이다. 도 1에는 이러한 전기추진장치(1)의 일례가 도시되어 있는데, 상기 전기추진장치(1)는, 가스연료를 이온화하여 분사하는 추력발생장치(2)와, 상기 가스연료를 저장하는 저장탱크(3)와, 상기 저장탱크(3)에 저장된 중성의 가스연료를 상기 추력발생장치(2)에 공급하는 연료공급장치(4)를 구비하고 있다. 한편, 일반적으로 상기 추력발생장치(2)가 요구하는 가스연료의 유량은 매우 적으므로, 상기 연료공급장치(4)가 미세하고 정밀한 유량 조절을 할 수 있어야 한다.
종래에는, 상기 연료공급장치(4)가, 상기 저장탱크(3)에 저장된 중성의 가스연료를 상기 추력발생장치(2)에 공급할 때, 비례제어기법을 통하여 유로면적을 연속적으로 변경시킴으로써 가스연료의 유량을 조절하는 솔레노이드 방식의 유량조절밸브(미도시)를 사용하였는데, 이러한 유량조절밸브를 사용하게 되면, 상기 저장탱크(3) 내에 저장된 가스연료 압력이 일정하다는 전제하에서 미세하고 정밀한 유량 조절을 할 수 있다는 장점이 있다.
그러나, 종래의 전기추진장치(1)는, 상기 저장탱크(3)에 저장된 가스연료가 배출됨에 따라, 상기 저장탱크(3)에 저장된 가스연료의 압력은 감소하게 되고, 이러한 압력 감소에 의해 상기 연료공급장치(4)의 압력 조절능력이 저하되어, 정밀한 가스연료의 유량 조절이 어려워진다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 전기추진장치(1)는, 유로면적을 변경하는 솔레노이드(Solenoid) 방식의 유량조절밸브를 구비하고 있으므로, 상기 유량조절밸브에 공급되는 전류가 떨리거나 솔레노이드의 코일(coil) 온도가 상승하는 경우에 상기 유량조절밸브의 정밀도가 저하되어, 가스연료가 흐르는 유로면적을 일정하게 유지하기가 어려워지는 문제점도 있다.
본 발명은 상기 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 저장탱크에 저장된 가스연료의 압력이 감소되더라도 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 일정하게 유지할 수 있어, 추력발생장치에 정확한 유량의 가스연료를 공급할 수 있도록 구조가 개선된 연료공급시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 다른 목적은, 상기 연료공급시스템의 사용 방법을 제공하기 위함이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료공급시스템은, 우주비행체의 추력발생장치에 가스연료를 공급하는 연료공급시스템에 있어서, 상기 가스연료를 고압으로 저장하는 저장탱크; 상기 가스연료를 저압으로 저장하는 축압탱크; 상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이에 배치되며, 상기 저장탱크에 저장된 가스연료를 상기 축압탱크로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제1오리피스; 상기 축압탱크와 상기 추력발생장치 사이에 배치되며, 상기 축압탱크에 저장된 가스연료를 상기 추력발생장치로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제2오리피스; 상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제1밸브; 상기 축압탱크와 상기 추력발생장치 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제2밸브;를 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1밸브 및 제2밸브는, 상기 가스연료의 유동을 허용하는 개방위치와 상기 유동을 폐쇄하는 폐쇄위치 사이에서 작동하는 온오프 밸브인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 제1밸브 및 제2밸브는, 온오프형의 솔레노이드 밸브인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 추력발생장치로 공급되는 가스연료의 유량은 0.5 내지 10 sccm(standard cubic centimeter per minute)인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 저장탱크의 내부에 저장된 가스연료를 가열하기 위한 히터; 및 상기 저장탱크의 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서를 구비하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 축압탱크의 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제2온도센서를 구비하는 것이 바람직하다.
상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료공급시스템의 사용 방법은, 상술한 연료공급시스템을 사용하는 방법으로서, 상기 추력발생장치에 공급될 가스연료의 유량을 결정하는 공급 유량 결정 단계; 상기 축압탱크에 저장되는 가스연료의 요구 압력 및 그 압력의 허용 오차를 결정하는 요구 압력 결정 단계; 상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 실제 압력과 요구 압력을 비교하고 상기 제1밸브를 개방하거나 폐쇄함으로써, 상기 축압탱크의 실제 압력을 조절하는 압력 조절 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 압력 조절 단계에서는, 상기 제1밸브의 온오프제어를 통하여 상기 축압탱크의 실제 압력을 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상기 가스연료를 저압으로 저장하는 축압탱크와, 저장탱크에 저장된 가스연료를 상기 축압탱크로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제1오리피스와, 상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 측정하는 압력센서와, 상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제1밸브를 구비함으로써, 상기 저장탱크에 저장된 가스연료의 압력이 감소되더라도 상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 일정하게 유지할 수 있어, 추력발생장치에 정확한 유량의 가스연료를 공급할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 전기추진장치의 일례가 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 연료공급시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료공급시스템의 사용 방법의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 도 3에 도시된 ⓐ - ⓑ 구간을 상세히 설명하는 흐름도이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 연료공급시스템을 나타내는 도면이며, 도 3은 도 2에 도시된 연료공급시스템의 사용 방법의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료공급시스템(100)은, 우주비행체의 추력발생장치(50)에 가스연료를 공급하는 연료공급시스템으로서, 저장탱크(10)와, 축압탱크(20)와, 제1오리피스(30)와, 제2오리피스(40)를 포함하여 구성된다.
상기 저장탱크(10)는, 상기 가스연료를 고압으로 다량 저장하는 용기로서, 상기 저장탱크(10)의 내부에 저장된 가스연료를 가열하기 위한 히터(11)와, 상기 저장탱크(10)의 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서(12)가 장착되어 있다.
상기 축압탱크(20)는, 상기 저장탱크(10)로부터 가스연료를 공급받아서 저압으로 저장하는 탱크이다. 이 축압탱크(20)에는, 내부에 저장된 가스연료의 압력을 측정하는 압력센서(21)와, 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제2온도센서(22)가 장착되어 있다.
상기 제1오리피스(30)는, 고정된 단면적의 유로를 구비하는 오리피스로서, 상기 저장탱크(10)에 저장된 가스연료를 상기 축압탱크(20)로 공급할 수 있도록, 상기 저장탱크(10)와 상기 축압탱크(10) 사이를 연결하는 유로 상에 배치되어 있다. 상기 제1오리피스(30)는, 상기 저장탱크(10)에 저장된 가스연료가, 상기 축압탱크(20)로 한꺼번에 공급되지 않고 미세하고 일정한 유량으로 공급되게 한다.
상기 제2오리피스(40)는, 고정된 단면적의 유로를 구비하는 오리피스로서, 상기 축압탱크(20)에 저장된 가스연료를 상기 추력발생장치(50)로 공급할 수 있도록, 상기 축압탱크(20)와 상기 추력발생장치(50) 사이를 연결하는 유로 상에 배치되어 있다. 상기 제2오리피스(40)는, 상기 축압탱크(20)에 저장된 가스연료가, 상기 추력발생장치(50)로 한꺼번에 공급되지 않고 미세하고 일정한 유량으로 공급되게 한다.
여기서, 상기 제1오리피스(30) 및 제2오리피스(40)를 통과하는 가스연료의 유량은, 상기 제1오리피스(30)의 유로 및 상기 제2오리피스(40)의 유로의 고정된 단면적 크기에 각각 비례한다.
상기 저장탱크(10)와 상기 제1오리피스(30) 사이의 유로에는, 상기 저장탱크(10)와 상기 축압탱크(20) 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제1밸브(13)가 장착되어 있다.
상기 축압탱크(20)와 상기 추력발생장치(50) 사이의 유로에는, 상기 축압탱크(20)와 상기 추력발생장치(50) 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제2밸브(23)가 장착되어 있다.
본 실시예에서, 상기 제1밸브(13) 및 제2밸브(23)는, 상기 가스연료의 유동을 허용하는 개방위치와 상기 유동을 폐쇄하는 폐쇄위치 사이에서 작동하는 온오프형의 솔레노이드(On-Off type Solenoid) 밸브가 사용된다. 따라서, 상기 제1밸브(13) 및 제2밸브(23)는, 유로면적을 연속적으로 변경시키는 종래의 유량조절밸브와는 달리, 상기 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 단순히 열리고 닫히는 2위치 밸브(two position valve)로서 작동하게 된다.
본 실시예에서, 상기 추력발생장치(50)로 공급되는 가스연료의 유량은 0.5 내지 10 sccm(standard cubic centimeter per minute)으로 설정되는데, 이러한 공급 유량에 영향을 미치는 요인은, 상기 축압탱크(20)의 내부 압력과 상기 제1오리피스(30) 및 제2오리피스(40)의 고정된 유로 단면적 등이 있다.
이하에서는, 상술한 구성의 연료공급시스템(100)을 사용하는 방법의 일례를 설명하기로 한다.
먼저, 우주비행체의 중량이나 요구되는 성능에 따라, 상기 추력발생장치(50)에 공급될 가스연료의 유량을 결정한다. (공급 유량 결정 단계, S10)
이어서, 상기 제2오리피스(40)의 성능과 상기 추력발생장치(50)에 공급될 가스연료의 유량을 감안하여, 상기 축압탱크(20)에 저장되는 가스연료의 요구 압력(SP)을 결정하고, 상기 축압탱크(20)에 저장되는 가스연료의 실제 압력(RP)과 상기 요구 압력(SP) 사이에 허용될 수 있는 허용 오차(ER)를 결정한다. (요구 압력 결정 단계, S20)
이렇게 상기 요구 압력(SP)과 허용 오차(ER)를 결정한 후, 상기 압력센서(21)를 이용하여 상기 축압탱크(20)에 저장되는 가스연료의 실제 압력(RP)을 측정한 후, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 축압탱크(20)에 저장된 가스연료의 실제 압력(RP)과 요구 압력(SP)을 비교하여, 상기 실제 압력(RP)이 상기 요구 압력(SP)보다 큰 경우에는 상기 제1밸브(13)를 폐쇄하고, 상기 실제 압력(RP)이 상기 요구 압력(SP)보다 작은 경우에는 상기 제1밸브(13)를 개방하는 온오프제어(on-off control)를 반복하여, 항상 상기 축압탱크(20)의 실제 압력(RP)이 상기 요구 압력(SP) 값으로부터 허용 오차(ER) 이내에 있도록 조절될 수 있다. 따라서, 상기 요구 압력(SP)의 값을 조절함으로써 상기 축압탱크(20)의 실제 압력(RP)을 조절할 수 있다. (압력 조절 단계, S30)
이렇게 상기 축압탱크(20)의 실제 압력(RP)을 상기 요구 압력(SP) 값으로부터 허용 오차(ER) 이내에 있도록 조절한 후, 상기 제2밸브(23)를 개방하게 되면, 상기 축압탱크(20)에 저장되어 있던 가스연료가 상기 제2밸브(23) 및 제2오리피스(40)를 거쳐서 상기 추력발생장치(50)로 공급된다. 반대로 상기 제2밸브(23)를 폐쇄하면 상기 추력발생장치(50)로의 연료 공급은 차단된다. 이때, 상기 요구 압력(SP)에 비례하여, 상기 추력발생장치(50)로 공급되는 연료의 유량이 결정된다. (연료 공급 단계, S40)
상술한 구성의 연료공급시스템(100)은, 상기 가스연료를 저압으로 저장하는 축압탱크(20)와, 상기 저장탱크(10)에 저장된 가스연료를 상기 축압탱크(20)로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제1오리피스(30)와, 상기 축압탱크(20)에 저장된 가스연료의 압력을 측정하는 압력센서(21)와, 상기 저장탱크(10)와 상기 축압탱크(20) 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제1밸브(13)를 구비하고 있으므로, 가스연료의 사용으로 인하여 상기 저장탱크(10)에 저장된 가스연료의 압력이 감소되더라도, 상기 제1밸브(13)의 온오프제어를 통하여 상기 축압탱크(20)에 저장된 가스연료의 압력을 일정하게 유지할 수 있어, 상기 추력발생장치(50)에 정확하고 미세한 유량의 가스연료를 공급할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 연료공급시스템(100)은, 유로면적을 연속적으로 변경시키는 종래의 유량조절밸브를 사용하지 않고, 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 작동하는 2위치 밸브인 온오프형의 솔레노이드(On-Off type Solenoid) 밸브(13, 23)를 사용하고 있으므로, 상기 밸브(13, 23)들에 공급되는 전류가 떨리거나 솔레노이드의 코일(coil) 온도가 상승하는 경우에도, 상기 밸브(13, 23)의 작동 정밀도가 저하되지 않음으로 인하여, 상기 요구 압력(SP)을 조절함으로써 상기 추력발생장치(50)로 공급되는 가스연료의 유량을 정밀하게 조절할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 상기 연료공급시스템(100)은, 상기 제1밸브(13) 및 압력센서(21)를 통하여 상기 축압탱크(20)의 내부 압력을 조절하고, 고정된 단면적의 유로를 구비한 상기 제2오리피스(40)를 통하여 유량을 조절하고 있으므로, 유로면적을 연속적으로 변경시키는 유량조절밸브를 통하여 유량을 조절하는 종래의 연료공급장치(4)와 비교하여, 전체적인 구조가 단순하여 고장의 염려가 적고, 시스템의 수명이 길며, 시스템의 제조 비용도 감소한다는 장점이 있다.
아울러, 상기 연료공급시스템(100)은, 상기 저장탱크(10)의 내부에 저장된 가스연료를 가열하기 위한 히터(11)와, 상기 저장탱크(10)의 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서(12)를 구비하고 있으므로, 상기 저장탱크(10)로부터 가스연료가 배출됨에 따라 온도가 저하되더라도, 상기 가스연료가 일정한 온도를 유지할 수 있도록 가열할 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 상기 연료공급시스템(100)은, 상기 축압탱크(20)의 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제2온도센서(22)를 구비하고 있으므로, 상기 축압탱크(20)의 내부에 저장된 가스연료의 압력 이외에 온도까지 감시할 수 있다는 장점이 있다.
본 실시예에서는, 상기 제1밸브(13) 및 제2밸브(23)로서, 개방위치와 폐쇄위치 사이에서 작동하는 온오프형의 솔레노이드 밸브가 사용되고 있으나, 일반적으로 사용되고 있는 다른 형태의 온오프형 밸브가 사용될 수 있음은 물론이다.
이상으로 본 발명을 설명하였는데, 본 발명의 기술적 범위는 상술한 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것은 아니며, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 수정 또는 변경된 등가의 구성은 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 것임은 명백하다.
＊ 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 ＊
100 : 연료공급시스템 10 : 저장탱크
11 : 히터 12 : 제1밸브
13 : 제1밸브 20 : 축압탱크
21 : 압력센서 22 : 제2온도센서
23 : 제2밸브 30 : 제1오리피스
40 : 제2오리피스 50 : 추력발생장치
1 : 전기추진장치 2 : 추력발생장치
3 : 저장탱크 4 : 연료공급장치

Claims (8)

  1. 우주비행체의 추력발생장치에 가스연료를 공급하는 연료공급시스템에 있어서,
    상기 가스연료를 고압으로 저장하는 저장탱크;
    상기 가스연료를 저압으로 저장하는 축압탱크;
    상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이에 배치되며, 상기 저장탱크에 저장된 가스연료를 상기 축압탱크로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제1오리피스;
    상기 축압탱크와 상기 추력발생장치 사이에 배치되며, 상기 축압탱크에 저장된 가스연료를 상기 추력발생장치로 공급할 수 있도록 고정된 단면적의 유로를 구비하는 제2오리피스;
    상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 압력을 측정하는 압력센서;
    상기 저장탱크와 상기 축압탱크 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제1밸브;
    상기 축압탱크와 상기 추력발생장치 사이의 가스연료 유동을 허용하거나 차단하는 제2밸브;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1밸브 및 제2밸브는, 상기 가스연료의 유동을 허용하는 개방위치와 상기 유동을 폐쇄하는 폐쇄위치 사이에서 작동하는 온오프 밸브인 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1밸브 및 제2밸브는, 온오프형의 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 추력발생장치로 공급되는 가스연료의 유량은 0.5 내지 10 sccm(standard cubic centimeter per minute)인 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 저장탱크의 내부에 저장된 가스연료를 가열하기 위한 히터; 및
    상기 저장탱크의 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제1온도센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 축압탱크의 내부에 저장된 가스연료의 온도를 측정하기 위한 제2온도센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템.
  7. 제 1항에 기재된 연료공급시스템을 사용하는 방법으로서,
    상기 추력발생장치에 공급될 가스연료의 유량을 결정하는 공급 유량 결정 단계;
    상기 축압탱크에 저장되는 가스연료의 요구 압력 및 그 압력의 허용 오차를 결정하는 요구 압력 결정 단계;
    상기 축압탱크에 저장된 가스연료의 실제 압력과 요구 압력을 비교하고 상기 제1밸브를 개방하거나 폐쇄함으로써, 상기 축압탱크의 실제 압력을 조절하는 압력 조절 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템의 사용 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 압력 조절 단계에서는, 상기 제1밸브의 온오프제어를 통하여 상기 축압탱크의 실제 압력을 조절하는 것을 특징으로 하는 연료공급시스템의 사용 방법.
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