KR20140047971A - 추진기관 및 이를 구비하는 로켓 - Google Patents

추진기관 및 이를 구비하는 로켓 Download PDF

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KR20140047971A
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Abstract

본 발명은 내부에 추진제를 구비하는 연소관과, 상기 연소관의 후단부에 설치되어 상기 추진제의 점화시 발생하는 연소가스를 분출시키도록 형성되는 노즐, 및 상기 연소관과 상기 노즐에 각각 결합되어 상기 노즐을 상기 연소관에 장착시키며 기설정된 온도에 도달하면 적어도 일부가 용융되어 상기 노즐을 상기 연소관으로부터 분리시키도록 이루어지는 노즐분리유닛을 포함하는 추진기관을 제안한다.

Description

추진기관 및 이를 구비하는 로켓{PROPULSION SYSTEM AND ROCKET HAVING THE SAME}
본 발명은 외부로부터의 열전달시 노즐의 분리가 가능한 추진기관 및 이를 구비하는 로켓에 관한 것이다.
일반적으로 미사일을 포함하는 로켓의 추진을 위한 추진제는 연소관의 내부에 배치된다. 정상적인 상황에서는, 점화장치에 의해 추진제가 점화되고 추진제의 점화에 의해 발생하는 연소가스가 노즐을 통하여 분사되면서 추진력을 발생하게 된다. 추진제들은 저마다 고유한 점화 온도를 가지며, 대부분의 추진제들은 로켓의 저장 온도보다 훨씬 높은 점화 온도를 갖는다.
이러한 추진제가 잘못 다루어지면 매우 위험한 상황을 초래할 수 있다. 예를 들어, 외부 화재에 의한 화염에 의해 추진제가 비정상적으로 점화되면, 연소관 내부의 압력이 급격히 상승하여 연소관이 폭발하거나 제어 불가능한 추진력이 발생하게 되는 등 큰 문제점들이 발생한다. 한번 점화된 추진제의 점화를 중단시키는 것은 불가능하므로, 잘못 점화된 추진제에 의한 폭발은 로켓 주변에 인적, 물적 피해를 일으킨다.
상기 문제점들을 해결하기 위하여 연소관을 특정 온도(예를 들어, 섭씨 150도)에서 녹는 유기물 섬유로 제작하는 방안이 제안되기도 한다. 그러나 상기 유기물 섬유는 기계적 물성이 낮아 연소관에 적용하기 위해서는 두께가 두꺼워져야 한다는 문제가 있다. 한편, 연소관과 노즐을 구조적으로 연결하는 데에 형상기억합금을 적용하는 경우도 있다. 그러나 형상기억합금은 기계적 물성이 낮아 연소관과 노즐을 연결하기 위해서는 두께가 두꺼운 형상기억합금이 사용되어야 하며, 그 결합 구조가 복잡해진다.
따라서, 상기와 같은 추진제의 비정상적 점화에 의해 발생되는 문제를 해결하기 위하여 다양한 연구가 이루어지고 있다.
본 발명은 외부로부터의 열전달시 노즐의 분리가 가능한 추진기관 및 이를 구비하는 로켓을 제안하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 추진기관은, 내부에 추진제를 구비하는 연소관과, 상기 연소관의 후단부에 설치되어 상기 추진제의 점화시 발생하는 연소가스를 분출시키도록 형성되는 노즐, 및 상기 연소관과 상기 노즐에 각각 결합되어 상기 노즐을 상기 연소관에 장착시키며 기설정된 온도에 도달하면 적어도 일부가 용융되어 상기 노즐을 상기 연소관으로부터 분리시키도록 이루어지는 노즐분리유닛을 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 따르면, 상기 기설정된 온도는 상기 추진기관의 저장 최고 온도보다는 높고 상기 추진제의 점화 온도보다는 낮게 설정된다. 예를 들어, 상기 기설정된 온도는 섭씨 90도 내지 120도가 될 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 노즐분리유닛은, 상기 연소관에 결합되고 상기 기설정된 온도에 도달하면 용융되도록 형성되는 고정부재와, 상기 고정부재에 결합되며 상기 연소관의 후단부에 형성되는 홈에 삽입되어 상기 노즐을 고정하도록 이루어지는 스냅링, 및 인장된 상태로 상기 노즐과 상기 스냅링에 각각 연결되고 상기 고정부재가 용융되면 상기 스냅링을 상기 홈으로부터 이탈시키도록 이루어지는 탄성부재를 포함한다.
이와 관련된 일 예에 따르면, 상기 연소관의 후단부에는 상기 노즐의 단부가 안착되도록 내측으로 단차지는 장착홈이 형성되며, 상기 스냅링은 상기 장착홈에 안착되는 상기 노즐의 단부를 덮어 지지하도록 형성된다.
이와 관련된 다른 일 예에 따르면, 상기 고정부재는 외부로부터 전달되는 열에 의해 용융될 수 있도록 상기 노즐의 외부에 인접한 상기 연소관의 내측에 설치된다.
이와 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 고정부재는 비스무트, 주석, 납 및 카드뮴의 조합으로 형성되는 합금이 될 수 있다.
이와 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 고정부재는 상기 연소관에 나사결합된다.
이와 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 홈은 상기 연소관의 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 리세스되게 형성된다.
이와 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 스냅링은 복수 개로 구비되어 상기 연소관의 내주면을 따라 배치되고, 상기 고정부재는 복수 개로 구비되어 복수의 상기 스냅링 사이에 배치된다.
이와 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 탄성부재는 인장된 상태로 상기 노즐과 상기 스냅링에 각각 연결되는 스프링이 될 수 있다. 이때, 상기 스프링의 양단은 볼트에 의하여 상기 노즐과 상기 스냅링에 각각 고정될 수 있다.
이와 관련된 또 다른 일 예에 따르면, 상기 탄성부재는 상기 고정부재가 용융되면 상기 스냅링이 상기 노즐의 중심부를 향하여 이동될 수 있게 상기 중심부를 향하도록 인장된 상태로 배치된다.
또한, 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 외부로부터의 열전달시 노즐의 분리가 가능하도록 형성되는 상기 추진기관, 및 상기 연소관에 장착되어 상기 추진제의 점화 시점을 제어하도록 형성되는 제어유닛을 포함하는 로켓을 제안한다.
본 발명에 의하면, 연소관에 결합된 고정부재가 기설정된 온도에 도달하여 용융되면, 연소관의 홈에 삽입되어 노즐을 연소관에 고정시키고 있던 스냅링이 상기 홈으로부터 이탈되도록 구성되는바, 추진제의 비정상적 점화시 노즐이 분리될 수 있다.
따라서, 연소관 주변의 화재 등에 의하여 추진제가 비정상적으로 점화되더라도, 노즐의 분리로 인하여 연소관 내부의 급격한 압력 상승 및 이에 의한 폭발이 방지될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 추진기관의 후단부를 보인 배면도.
도 2는 도 1에 도시된 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 단면도.
도 3은 도 1의 고정부재가 용융되어 스냅링이 홈에서 이탈된 상태를 보인 개념도.
도 4는 도 2에 도시된 노즐이 분리되어, 추진제의 점화에 의해 발생하는 연소가스가 연소관의 개구부를 통하여 그대로 방출되는 것을 보인 개념도.
이하, 본 발명에 관련된 추진기관 및 이를 구비하는 로켓에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 추진기관(100)의 후단부를 보인 배면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 라인 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 단면도이다.
본 발명과 관련된 로켓은 우주 공간을 비행하는 비행체 또는 목표에 도달할 때까지 유도되는 미사일 등을 포함하는 개념으로 이해될 수 있다. 로켓은 제어유닛(미도시) 및 추진기관(100)을 포함한다.
제어유닛은 연소관(110)에 장착되어 추진제(120)의 점화 시점을 제어하도록 형성된다. 제어유닛은 센서를 이용하여 로켓의 이동을 가이드하도록 이루어지는 가이드부, 예를 들어, GCS(Guidance Control Section)를 포함할 수 있다.
추진기관(100)은 로켓에 추진력을 제공하도록 형성되고, 외부로부터의 열전달시 노즐(130)의 분리가 가능하도록 이루어진다. 도 1 및 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 추진기관(100)은 연소관(110), 노즐(130) 및 노즐분리유닛(140)을 포함한다.
연소관(110)은 내부 공간을 구비하는 중공의 실린더 형태로 형성된다. 연소관(110)의 내부에는 추력을 발생시키도록 이루어지는 추진제(120)가 구비된다. 추진제(120)는 고체 형태로 형성될 수 있으며, 복수 개로 구비되어 그레인 설계를 통해 서로 다른 내탄도 성능을 갖도록 구성될 수 있다.
연소관(110)의 후단부에는 개구부(112)가 형성되며, 상기 개구부(112)에는 추진제(120)의 점화시 발생하는 연소가스가 배출되는 노즐(130)이 장착된다. 본 실시예에서는 노즐(130)이 연소관(110) 후단부의 내측에 형성되는 장착홈(110a)에 설치된 것을 보이고 있다.
노즐분리유닛(140)은 연소관(110)과 노즐(130)에 각각 결합되어 노즐(130)을 연소관(110)에 장착시킨다. 노즐분리유닛(140)은 기설정된 온도에 도달하면 적어도 일부가 용융되어 노즐(130)을 연소관(110)으로부터 분리시키도록 이루어진다.
상기 기설정된 온도는 추진기관(100)의 저장 최고 온도보다는 높고 추진제(120)의 점화 온도보다는 낮도록 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 기설정된 온도는 섭씨 90도 내지 120도가 될 수 있다.
본 발명의 추진기관(100)은 외부로부터의 열전달에 의하여 추진제(120)가 비정상적으로 점화됨으로써 발생되는 문제가 방지될 수 있도록, 외부로부터의 열전달시 노즐(130)이 분리되는 새로운 구조를 제안한다. 이하에서는, 상기 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
노즐분리유닛(140)은 고정부재(141), 스냅링(142) 및 탄성부재(143)를 포함한다.
고정부재(141)는 연소관(110)에 결합된다. 본 도면에서는 연소관(110)의 내측에 암나사가 형성되고, 고정부재(141)가 연소관(110)에 볼트(141a)를 통하여 고정되는 것을 예시하고 있다. 상기 암나사는 연소관(110)의 두께 방향으로 리세스되어 볼트(141a)가 측방향으로 작용하는 추진력을 지지하도록 이루어질 수 있다.
고정부재(141)는 기설정된 온도에 도달하면 용융되도록 형성된다. 예를 들어, 고정부재(141)는 비스무트, 주석, 납 및 카드뮴의 조합으로 형성되는 합금이 될 수 있으며, 고정부재(141)가 용융되는 상기 기설정된 온도는 추진기관(100)의 저장 최고 온도보다는 높고 추진제(120)의 점화 온도보다는 낮은 섭씨 90도 내지 120도가 될 수 있다.
고정부재(141)는 외부로부터 전달되는 열에 의해 용융되도록 외부로 노출된 위치에 배치된다. 도시된 바와 같이, 고정부재(141)는 노즐(130)의 외부에 인접한 연소관(110)의 내측에 설치될 수 있다.
스냅링(142)은 고정부재(141)에 결합되며, 연소관(110)의 후단부에 형성되는 홈(110b)에 삽입되어 노즐(130)을 고정하도록 이루어진다. 구체적으로, 노즐(130)의 단부는 장착홈(110a)에 안착되고, 스냅링(142)은 장착홈(110a)에 안착되는 노즐(130)의 단부를 덮어 지지하도록 형성된다. 상기 홈(110b)은 연소관(110)의 축(111) 방향에 대하여 교차하는 방향[본 도면과 같이, 연소관(110)의 두께 방향]으로 리세스되어 추진력에 대항하여 노즐(130)을 효과적으로 지지하도록 구성될 수 있다.
스냅링(142)은 복수 개로 구비되어 연소관(110)의 내주면을 따라 배치될 수 있으며, 고정부재(141) 또한 복수 개로 구비되어 복수의 스냅링(142) 사이에 배치될 수 있다. 도 2에서는, 고정부재들(141)이 서로 일정한 각도[120도를 이루는 3개의 고정부재들(141)]를 이루며 배치되고, 고정부재들(141) 사이에 스냅링(142)이 결합되어 일체로서 연소관(110)에 설치된 것을 보이고 있다.
탄성부재(143)는 인장된 상태로 노즐(130)과 스냅링(142)에 각각 연결되고, 고정부재(141)가 용융되면 탄성 복원력에 의하여 스냅링(142)을 홈(110b)으로부터 이탈시키도록 이루어진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 탄성부재(143)는 인장된 상태로 노즐(130)과 스냅링(142)에 각각 연결되는 스프링이 될 수 있다. 상기 스프링의 양단은 볼트(143a, 143b)에 의하여 노즐(130)과 스냅링(142)에 각각 고정될 수 있으며, 설치의 편의를 위하여 노즐(130), 스냅링(142) 및 스프링의 양단에는 후크 구조가 구비될 수 있다.
탄성부재(143)는 고정부재(141)가 용융되면 스냅링(142)이 노즐(130)의 중심부[본 도면에서는 연소관의 축(111)에 대응]를 향하여 이동될 수 있게 상기 중심부를 향하도록 인장된 상태로 배치될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 탄성부재(143)는 노즐(130)의 단부를 덮어 지지하는 스냅링(142) 및 노즐(130)의 단부로부터 중심부를 향하여 소정 간격 이격된 위치에 인장된 상태로 각각 고정된 것을 보이고 있다. 탄성부재(143)는 스냅링(142) 마다 복수 개로 구비될 수 있다.
도 3은 도 1의 고정부재(141)가 용융되어 스냅링(142)이 홈(110b)에서 이탈된 상태를 보인 개념도이고, 도 4는 도 2에 도시된 노즐(130)이 분리되어, 추진제(120)의 점화에 의해 발생하는 연소가스가 연소관(110)의 개구부(112)를 통하여 그대로 방출되는 것을 보인 개념도이다.
도 3 및 4를 앞선 도면들과 함께 참조하면, 외부 화재 등에 의하여 외부로부터 열전달이 일어나게 되면, 추진기관(100)의 온도가 상승하게 된다. 온도가 추진기관(100)의 저장 최고 온도를 넘어 고정부재(141)가 용융되는 기설정된 온도에 도달하면 고정부재(141)는 액체 상태로 상변화를 하게 된다. 이때, 기설정된 온도는 추진제(120)의 점화 시작 온도보다는 낮아 추진제(120)의 점화는 아직 일어나지 않는다.
스냅링(142)과 결합되어 있던 고정부재(141)가 용융되어 없어지게 되면, 스냅링(142)은 탄성부재(143)의 탄성 복원력에 의하여 홈(110b)에서 빠지게 된다. 따라서, 홈(110b)에 삽입되어 노즐(130)을 고정하던 스냅링(142)이 홈(110b)에서 이탈되므로, 연소관(110)과 노즐(130) 사이에는 기구적 결합이 해제되게 된다.
이어서, 추진기관(100)의 온도가 더욱 상승하여 추진제(120)가 점화 온도에 도달하게 되면, 추진제(120)가 연소되면서 연소관(110) 내부의 압력이 상승한다. 이때, 노즐(130)의 단부를 덮어 지지하던 스냅링(142)이 홈(110b)에서 이탈된 상태이므로, 연소관(110) 내부의 매우 작은 압력 상승으로도 노즐(130)은 쉽게 연소관(110)으로부터 분리되게 된다.
추진제(120)의 점화에 의한 연소가스가 노즐(130)보다 단면적이 큰 연소관(110)의 개구부(112)로 그대로 배출되므로, 연소관(110)의 내부 압력은 거의 상승하지 않는다. 따라서, 연소관(110)은 폭발하지 않는다. 추진제(120)의 화염에 의하여 연소관(110)의 온도가 더욱 상승하면 연소관(110)은 붕괴된다.
본 발명에 의하면, 연소관(110)에 결합된 고정부재(141)가 기설정된 온도에 도달하여 용융되면, 연소관(110)의 홈(110b)에 삽입되어 노즐(130)을 연소관(110)에 고정시키고 있던 스냅링(142)이 상기 홈(110b)으로부터 이탈되도록 구성되는바, 추진제(120)의 비정상적 점화시 노즐(130)이 분리될 수 있다.
따라서, 연소관(110) 주변의 화재 등에 의하여 추진제(120)가 비정상적으로 점화되더라도, 노즐(130)의 분리로 인하여 연소관(110) 내부의 급격한 압력 상승 및 이에 의한 폭발이 방지될 수 있다.
이상에서 설명한 추진기관 및 이를 구비하는 로켓은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (14)

  1. 내부에 추진제를 구비하는 연소관;
    상기 연소관의 후단부에 설치되어 상기 추진제의 점화시 발생하는 연소가스를 분출시키도록 형성되는 노즐; 및
    상기 연소관과 상기 노즐에 각각 결합되어 상기 노즐을 상기 연소관에 장착시키며, 기설정된 온도에 도달하면 적어도 일부가 용융되어 상기 노즐을 상기 연소관으로부터 분리시키도록 이루어지는 노즐분리유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기설정된 온도는 상기 추진기관의 저장 최고 온도보다는 높고 상기 추진제의 점화 온도보다는 낮은 것을 특징으로 하는 추진기관.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기설정된 온도는 섭씨 90도 내지 120도인 것을 특징으로 하는 추진기관.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 노즐분리유닛은,
    상기 연소관에 결합되고, 상기 기설정된 온도에 도달하면 용융되도록 형성되는 고정부재;
    상기 고정부재에 결합되며, 상기 연소관의 후단부에 형성되는 홈에 삽입되어 상기 노즐을 고정하도록 이루어지는 스냅링; 및
    인장된 상태로 상기 노즐과 상기 스냅링에 각각 연결되고, 상기 고정부재가 용융되면 상기 스냅링을 상기 홈으로부터 이탈시키도록 이루어지는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연소관의 후단부에는 상기 노즐의 단부가 안착되도록 내측으로 단차지는 장착홈이 형성되며,
    상기 스냅링은 상기 장착홈에 안착되는 상기 노즐의 단부를 덮어 지지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 고정부재는 외부로부터 전달되는 열에 의해 용융될 수 있도록 상기 노즐의 외부에 인접한 상기 연소관의 내측에 설치되는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 고정부재는 비스무트, 주석, 납 및 카드뮴의 조합으로 형성되는 합금인 것을 특징으로 하는 추진기관.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 연소관에 나사결합되는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 홈은 상기 연소관의 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 리세스되게 형성되는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 스냅링은 복수 개로 구비되어 상기 연소관의 내주면을 따라 배치되고,
    상기 고정부재는 복수 개로 구비되어 복수의 상기 스냅링 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 탄성부재는 인장된 상태로 상기 노즐과 상기 스냅링에 각각 연결되는 스프링인 것을 특징으로 하는 추진기관.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스프링의 양단은 볼트에 의하여 상기 노즐과 상기 스냅링에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 탄성부재는 상기 고정부재가 용융되면 상기 스냅링이 상기 노즐의 중심부를 향하여 이동될 수 있게 상기 중심부를 향하도록 인장된 상태로 배치되는 것을 특징으로 하는 추진기관.
  14. 외부로부터의 열전달시 노즐의 분리가 가능하도록 형성되고, 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따르는 추진기관; 및
    상기 연소관에 장착되어 상기 추진제의 점화 시점을 제어하도록 형성되는 제어유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 로켓.
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