KR20150008902A - 암모늄 디니트라미드계 액체 단일추진제용 개선된 반응기 및 이 반응기를 포함하는 분사기 - Google Patents

암모늄 디니트라미드계 액체 단일추진제용 개선된 반응기 및 이 반응기를 포함하는 분사기 Download PDF

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Abstract

연소실 (50) 내에서 암모늄 니트라이드계 액체 단일 추진제의 고온 연소 가스로의 분해용 반응기 또는 그와 같은 반응기를 포함하는 로켓 엔진 또는 분사기로서, 가열 베드 (25) 및 촉매 베드 (30)을 수용하고, 가열베드와 촉매 베드와 반응기 하우징 (5)의 내 표면과의 접촉으로부터 분리시키는 내부 반응기 하우징 (45)를 포함한다.

Description

암모늄 디니트라미드계 액체 단일추진제용 개선된 반응기 및 이 반응기를 포함하는 분사기{IMPROVED REACTOR FOR AMMONIUM DINITRAMIDE-BASED LIQUID MONO-PROPELLANTS, AND THRUSTER INCLUDING THE REACTOR}
본 발명은 고성능 그린 추진 (High Performance Green Propulsion, HPGP) 단일 추진제와 같은 암모늄 디니트라미드계 액체 단일추진제용 개선된 반응기와 그와 같은 반응기를 포함하는 분사기, 특히 약 5N 내지 수 kN의 분사기에 관한 것이다.
위성 발사대와 위성 및 다른 우주선 등의 발사 및 우주선 분야에서, 액체 추진제 분사기, 액체 추진제 로켓 엔진과 액체 추진제 가스 발생기가 흔히 사용된다. 그와 같은 분사기와 로켓 엔진은, 예를 들면 인공 위성의 궤도 기동 및 자세 제어를 위해 사용되거나, 또는 다른 우주선의 주 발사 시스템에서 롤 제어와 추진제 고정 (propellant settling)의 목적으로 사용될 수 있으며, 로켓 엔진 또는 분사기가 종종 계속 발사, 오프-변조 발사 (off-modulation firing), 펄스 모드 발사 및 단일 펄스 발사에 사용될 경우, 그 지속 기간은 전형적으로 일 초 내지 한 시간 정도가 될 수 있다. 그와 같은 목적을 위해, 소형 소켓 엔진 또는 분사기는 전형적으로 0.5N 내지 약 1.5 kN의 분사와 함께 사용된다.
그와 같은 분사기들은 WO 2002/096832 및 WO 2012/166046에 기재된 바와 같은 암모늄 디니트라미드-(ADN)계 액체 단일 추진제에 의해 작동될 수 있다. ADN계 액체 단일추진제의 일부는 High Performance Green Propulsion (HPGP) 단일추진제로 칭해지기도 한다.
반응기를 포함하는 분사기뿐 아니라, 상기 ADN계 액체 단일추진제가 WO 02/095207에 기재되어 있다. 그와 같은 추진제 역시 HPGP 분사기로 칭해진다.
HPGP 분사기의 발사 전에 반응기는 충분한 온도, 전형적으로는 300 내지 400 ℃ (베드 로드 및 구체적인 단일 추진제에 따라 다름)으로 예열된다. 가열 베드의 온도가 200 ℃를 넘으면 반응이 시작되지만, 공칭 발동 (nominal start)을 위해 350℃가 바람직하다. 롱 펄스 발사 또는 안정 상태 발사 중에, 촉매 베드와 연소실에서 발생하는 열은 분사기 내로 주입되는 단일추진제를 연속 가열하기에 충분하기 때문에, 단일추진제는 본질적으로 촉매 베드 내에 진입할 때 기체 상태에 있다. 액체 상의 단일추진제가 촉매 베드에 진입할 경우, 연소 하류로부터의 열에 노출 시 다공체 내에 형성되는 높은 수증기 압력으로 인해 다공성 촉매체의 분해가 발생할 수 있다. 또한, 액체상 단일추진제가 점화 지연으로 인해 가열 베드의 상당 부분을 채울 때 전형적으로 폭발성 시동이 발생한다.
예열력은 통상 10 내지 30분의 적절한 시간 내에 충분한 온도로 가열 베드를 가열하기에 충분할 뿐이다. 분사기의 분사가 증가 됨에 따라 그와 같은 시간 내에 일정한 예열 온도에 도달하기 위해 필요한 예열력은 증가한다. 약 1 내지 10 N의 소형 분사기의 경우 예열력은 전형적으로 10 W 미만이지만, 약 200 내지 500 N의 더 큰 분사기의 경우 100 W 단위의 예열력이 필요하다. 가압된 추진제는 통상 분사기의 예열된 가열 베드 내에 진입할 때 10 - 50 ℃의 온도를 갖는다.
전원 공급은 종종 예컨대 발사 장치와 우주선에 대해 제한되기 때문에 필요한 분사기의 예열력을 감소시키거나 또는 필요한 예열 온도에 도달하는 가열 시간을 감소시키거나, 또는 필요한 예열 온도를 유지하기 위한 에너지 소비를 감소시키는 것은 명백하게 바람직하다.
따라서 본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하는 것이다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 다음의 설명과 실시예, 그리고 첨부한 특허청구범위로부터 명확하게 될 것이다.
"로켓 엔진"과 "분사기"라는 용어는 여기서 본 발명에 의한 액체 추진제 로켓 엔진에서 분사제가 주입되고, 하류로 연장되는 부분과 노즐을 포함하는 부분을 지칭하기 위해 상호 교환적으로 사용될 것이다.
예컨대 1 N 분사기에 대해서도 본 발명에 의해 상기 문제점이 해결될 수 있지만, 실용적인 이유로, 즉 작은 크기와 그와 연관된 복잡성으로 인해 그와 같은 소형 분사기에 적용되는 경우는 거의 없고, 전형적으로 약 5 N 이상의 분사기에 적용된다.
여기서 언급되는 본 발명의 분사기 로켓 엔진은 전형적으로 5 N 내지 수 kN, 예컨대 5 N 내지 약 3 kN, 또는 5 N 내지 1 kN, 그리고, 더욱 바람직하게는 5 N 내지 약 500 N를 칭한다.
발명의 요약
WO 02/095207에 기재된 분사기의 경우, 상술한 문제점은 청구항 1의 기술적 특징에 의해 해결되며, 그에 의하면 내부 반응기 하우징 45, 가열베드와 촉매 베드를 중공체 5의 내표면과의 접촉으로부터 분리시키는 수단이 반응기에 포함된다.
내부 반응기 하우징 45에 의해 열 손실을 감소시킴으로써 가열 베드 25의 더욱 신속한 예열 및 가열된 베드를 필요한 예열 온도로 유지하는데 필요한 에너지 소비의 감소가 달성된다.
따라서, 본 발명의 일 측면은 청구항 1에 기재된 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 다른 측면은 본 발명의 반응기를 포함하는 분사기에 관한 것이다.
여기서 사용되는 도면 부호 45로 지정된 "내부 반응기 하우징"이라는 용어는 가열 베드 및 촉매 베드 하우징으로 지칭되는 용어와 상호 교환적으로 사용된다.
본 발명의 반응기와 분사기는 또한 암모늄 디니트라미드 (ADN)과 하이드록실 암모늄 니트레이트 (HAN)의 분해 경로와 각각 동일성을 갖기 때문에 HAN-계 액체 단일 추진제로서도 적절하다고 생각된다.
본 발명에 의한 액체 단일 분사제는 전형적으로 수성이다.
도 1은 반응기를 나타내며, 여기서 5는 중공체, 10은 추진제 공급관, 20은 주입기, 25는 펠렛 26을 포함하는 가열 베드, 27은 가열 베드 리테이너, 30은 촉매 펠렛 35을 함유하는 촉매 베드, 40은 촉매 베드 리테이너, 45는 내부 반응기 하우징으로 그 내에 하우징 촉매 베드 리테이너 40가 들어간다.
본 발명의 반응기에 있어서, 중공체 5는 반응기 하우징 5를 지칭하기도 한다.
도 2는 본 발명에 의한 로켓 엔진, 즉 본 발명의 반응기를 포함하는 개선된 HPGP 분사기를 나타내며, 여기서 50은 연소실을 나타낸다.
상기 분사기에 대해, 중공체 5는 분사기 하우징 5 또는 분사기 엔벨로프 5를 나타낼 수도 있다.
도 3은 가열 베드 25와 촉매 베드 30 안으로 연장되는 플렌지를 갖는 가열 베드 리테이너 27의 구체예를 나타낸다. 가열 베드 리테이너는 하류측으로부터 도시된다.
실제로, WO 02/0952074에 개시된 유형의 분사기는 전형적으로 중공체 5의 외표면 또는 주입기 20에 적용되는 열에 의해 가열된다.
본 발명에 의하면, 가열 베드의 예열은 본 발명의 내부 반응기 하우징 45를 가열하는 것만으로 영향을 받을 수 있다. 따라서 가열은 분사기/반응기의 더 작은 부분으로 제한될 수 있다. 동시에, 내부 반응기 하우징은 복사를 차폐함으로써 가열 베드로부터의 열 복사를 감소시키는 역할을 하고, 따라서 분사기의 예열된 부분으로부터의 열 손실을 감소시킨다.
내부 반응기 하우징 45이 촉매 베드 리테이너 40의 일부로서 만들어질 수 있지만, 촉매 베드 리테이너로부터의 열 전달을 개선시킴으로써 내부 반응기 하우징과 가열 베드 리테이너를 통한 열의 재가열 능력을 최대화하기 위해 이것은 실제로 일반적으로는 바람직하지 않다.
본 발명은 본 발명의 반응기, 특히 예컨대 200 N 분사기와 같은 더 큰 분사기의 작동 중에 촉매 베드 리테이너 40가 내부 반응기 하우징 45보다 실질적으로 더 높은 온도를 나타낼 수 있음을 발견하였다. 그러므로 촉매 베드 리테이너 40는 헐거운 맞춤 상태로 내부 반응기 하우징 45 내에 맞추어져 특히 내부 반응기 하우징 45의 주변부의 팽장에 대해 촉매 베드 리테이너가 특히 방사 방향으로 더 크게 팽창할 수 있도록 해야 한다. 이것은 특히 약 200 N 이상의 더 큰 엔진의 경우 중요하다.
결론적으로 내부 반응기 하우징 45과 촉매 베드 리테이너 40는 특히 대형 엔진의 경우, 분리된 부분인 것이 바람직하다. 예컨대 촉매 베드 리테이너는 내부 반응기 하우징 45의 바닥에서 내부 원주 플렌지에 놓여질 수 있다 (도 1 및 2에 도시된 바와 같이). 분리된 촉매 베드 리테이너는 내부 반응기 하우징으로 분리가능하고, 교체가능하도록 만들어질 수 있다.
내부 반응기 하우징 45은 분사기 발사에 의해 하류에서 발생하는 열을 엔진에서 가열 베드로 되돌아가도록 상류로 이끌고, 열이 가열 베드와 촉매 베드로부터 중공체 5로 방사상으로 전달되는 것을 방지하는 역할을 할 것이다.
본 발명의 반응기는 바람직하게는 도 2에 도시된 바와 같이 로켓 엔진 또는 분사기의 일부를 형성한다.
가장 일반적인 구체예에서, 도 1을 참조할 때, 본 발명의 반응기는 중공체 5를 포함하고, 상기 중공체는 상류 말단으로부터,
분사기 20;
가열 베드 재료 26를 포함하는 가열 베드 25;
촉매 베드로부터 가열 베드를 분리시키는 리테이너 27;
적어도 1000 ℃의 온도에 열 및 소성 내성인 다공성 촉매 펠렛 35의 촉매 베드 30;
촉매체를 촉매 베드 내에 유지시키는 리테이너 40; 및 가열 베드 및 촉매 베드를 중공체 5의 내표면과의 접촉으로부터 분리시키는 내부 반응기 하우징 45을 구비하고, 상기 내부 반응기 하우징은 열 전도성이며, 가열 베드 및 촉매 베드는 내부 반응기 하우징과 열 접촉한다.
반응기 내에서 전체 보이드 부피 (void volulme)는 본질적으로 가열 베드 내에 함유된 가열 베드 재료 내에서의 간극 공간, 촉매 베드 내에 함유된 촉매 베드 재료 내의 간극 공간 및 촉매 베드 내의 다공성 재료로 형성된다.
로켓 엔진의 경우, 반응기는 도 2에 도시된 바와 같이 엔진의 일부를 형성한다. 단순화시키기 위해, 통상 상류부, 예를 들면 추진제 공급 시스템, 추진제 밸브, 열 스탠드오프 (thermal standoff) 등의 로켓 엔진에 부착되어 사용되는 부품과, 가열 베드의 가열을 위한 히터 (하이드라진 분사기의 경우 촉매 베드의 가열에 통상 사용되는)와 히터를 위한 열 스탠드오프는 도 2로부터 제외시켰다. 본 명세서를 읽은 당업자는 로켓 엔진에 추가의 부품이 필요하다는 것을 바로 인식할 것이다. 따라서 반응기를 정의하는 중공체는 그 안으로 추진제가 주입되고 연소되는 엔진의 중공체이다. 따라서 반응기에 의해 생성된 연소가능한 부분의 연소를 위한 반응기 하류의 연소실이 존재한다.
본 발명자들은 일부 펄스 모드에서 WO 02/095207에 기재된 분사기를 작동시킬 때, 폭발성 시동이 발생할 수 있음을 발견하였다. 폭발성 시동은 분사기 내에서 추진제의 점화 중의 과압 조건을 의미한다. 최악의 경우, 이것은 폭발을 형성한다. 단일한 폭발성 시동은 엔진에 유해함이 분명하며, 최악의 경우 치명적이기까지 하다. 폭발성 시동의 문제점은 액체, ADN-계 단일 추진제로 분사기를 작동시킬 때 5 N, 22 N 및 200 N의 분사기에 대해 관측되었다.
본 발명자들은 펄스 모드 중 관측되는 폭발성 시동이 가열 베드의 과도한 냉각 때문이라는 점을 확인하였다. 폭발성 시동은 상대적으로 짧은 펄스와 조합된 중간 내지 높은 충격 영역에서, 예를 들면, 적어도 약 5%의 충격 계수와 약 100 ms 내지 수 초의 펄스의 지속 중에 관측되었다. %로서 주어지는 충격 계수는 여기서 100 TON/(TON+TOFF)로 정의된다.
펄스 모드 발사 중에, 특정 듀티와 펄스의 지속 기간에 따라, 촉매 베드와 연소실 내에서 발생한 열은 가열 베드를 재가열하기에 충분히 신속하게 전달되지 않을 수 있고, 이에 따라 가열 베드에서 필요한 예열 온도 이하로 냉각될 수 있다. 예를 들면 22N 분사기의 경우, 폭발성 시동은 적어도 약 10%의 충격과 약 100 ms 내지 수 초의 펄스의 지속의 경우 발생하는 경향이 있다.
펄스 모드 발사는 또한 전형적으로 더 높은 베드 로드, 즉, 예컨대 정상 상태 발사보다 단위 시간 당 촉매 베드의 단면부를 통해 이동하는 추진제 중량이 더 경우와 관련된다.
본 발명자들은 펄스 모드 발사 중의 폭발성 시동의 문제점은 WO 2012/166046에 기재된, 예를 들면 LMP-103S보다 더 낮은 에너지 함량과 더 높은 냉각 효과를 갖는 1127-3 (WO 2012/166046에서 실시예 3의 단일 추진제에 대응)에 의해 더 두드러진다는 것을 발견하였다.
내부 반응기 하우징 45은 엔진 하류의 촉매 베드와 촉매 리테이너로부터 열을 가열 베드로 되돌리고, 가열 배드와 촉매 베드로부터 중공체 5로 방사상으로 열이 전달되는 것을 방지함으로써 가열 베드의 재가열을 개선시킬 수 있다.
그에 의해, 펄스 후 반응기의 회복 시간은 어느 정도 단축되고, 따라서 펄스 모드 발사 중의 폭발성 시동의 위험은 감소할 것이다.
바람직한 구체예에서, 내부 반응기 하우징 45은 가열 베드 및/또는 촉매 베드 내에서 내부 구조 요소, 예컨대 허니컴 구조 또는 베플과 같은 구조 요소를 수용하여 엔진에서 상류의 가열 유도 능력을 개선하고, 그에 의해 가열 베드의 재가열을 개선한다. 내부 구조 요소는 따라서 가열 베드 내로 위쪽으로 연장 및/또는 촉매 베드 내로 아래쪽으로 연장된다. 그와 같은 구조는 촉매 베드 내에 함유된 촉매재 및/또는 가열 베드 내에 함유된 가열 베드재를 구획 또는 구분할 수 있다. 상기 구조는 도 3에 도시되며, 여기서 리테이너 27는 가열 베드와 촉매 베드 안으로 연장된 플렌지를 구비한다. 상기 구조는 가열 베드의 재가열을 개선시키는 역할을 한다. 촉매 베드 안으로 하류 연장된 플렌지는 촉매 베드 리테이너 40에 기대게 된다.
사실, 내부 반응기 하우징 45와 촉매 베드로 하류로 연장되고 가열 베드 내로 상류 연장된 구조 요소 (도 3에 도시된 바와 같이)의 조합은 약 200 N의 HPGP 분사기에 대해, WO 02/095207에 기재된 일반적인 개념의 종래의 200 N HPGP 분사기와 비교해서, 약 10배로 반응기의 회복 시간을 개선시키는 결과를 나타낸다는 것이 계산으로 확인되었다. 동일한 개선은 5 N 내지 수 kN의 범위의 분사기에 대해서도 성취가능하다고 생각된다.
더 큰 엔진은 더 높은 베드 로드를 초래하게 되고, 즉 더 많은 추진제가 단위 시간 당 베드의 단면적을 통과해야만 하고, 그러므로 더 많은 가열 베드 냉각을 초래하게 된다. 동시에, 본 발명자들은 가열 베드에 대해 촉매 활성을 제공함으로써 추진제의 분해/연소가 엔진의 더 위쪽에서 개시될 수 있고, 그에 따라 부가적인 열 (내부 하우징과 사용될 경우 내부 구조 요소에 대한 영향에 더하여)을 가열 베드에 제공하여 높은 베드 로드에서의 과도한 가열 베드 냉각을 상쇄하게 된다는 것을 발견하였다.
따라서, 촉매 활성을 나타내는 가열 베드 30는 더 높은 베드-로드가 나타나는 경우에도 유익한 것으로, 특히 펄스 모드 동작에서 더 큰 엔진에 대해 유리하다는 것이 발견되었다.
따라서 일 구체예에서, 본 발명에 의한 반응기와 분사기는 촉매 활성을 나타내는 가열 베드를 포함한다. 그와 같은 촉매 활성을 나타내는 가열 베드는 US 61/6444772에 기재되어 있고, 본 출원과 동일자에 출원된 본 발명자들에 의한 미국 가출원에 기재되어 있다. 거기에 개시된 촉매 가열 베드는 촉매 활성을 나타내는 가열 베드재 26를 포함하고, 상기 재료는 비다공성 또는 저 다공성의 고온 내성 세라믹 및/또는 금속성 재료로 형성되고, 촉매 활성인 귀금속, 예컨대 Ir, Pd, Pt, Rh, Ru 또는 그 조합으로 코팅된다. 가열 베드 재료 26는 바람직하게는 펠렛의 형태이지만, 또한 허니콤 구조가 적당할 수도 있다. 가열 베드재 26가 펠렛 형태로 제공될 경우, 펠렛 26의 적절한 크기는 내부 반응기 하우징 45의 내지름의 약 10/1 또는 바람직하게는 약 10/1 미만이다.
반응기와 분사기의 구성 요소
주입기 20
주입기는 그 의도된 기능, 즉 추진제를 가열 배드 상에 균일하게 분배하는 역할을 수행하기만 한다면 본 발명에서 중요하지 않다. 적절한 주입기는 이 기술 분야에 알려져 있고, 여기서는 추가로 설명하지는 않는다.
가열 베드 25
가열 베드는 추진제가 촉매 베드로 진입하기 전에 기화시키기 위해 제공된다. 가열 베드는 시동 중과, 열이 베드로 상류로 전달되기 전에 베드로 공급되는 추진제의 충분한 부분을 기화시키기 위해 충분한 가열 능력을 나타내야 한다.
가열 베드는 또한 열을 베드 전체에 전달하기 위해 충분한 열 전도성을 나타내야 하며, 부분적으로 열은 반응기 본체 5의 반응기 벽을 통해 베드로 하류로 전달될 수 있다. 열은 베드를 통해 이동하는 추진제로 전달된다. 또한, 배드의 재료는 베드에서 ADN의 분해 시 생성되는 성분 예컨대 질산의 유해한 영향을 견딜 수 있어야 한다. 따라서 가열 베드의 재료는 산 내성이어야 한다.
가열 베드 25의 리테이너 27
리테이너는 가열 베드 (촉매성 또는 비촉매성)를 제 위치에 유지시키고, 하류 촉매 베드와 분리시키는 역할을 한다. 적절한 리테이너의 예는 Ir이 관련 연소 종에 대해 불활성이므로 Ir 또는 Re로 지지된 Ir의 다공성판이다.
바람직한 구체예에서 리테이너는 가열 베드 내로 위쪽으로 연장된 플렌지 또는 그와 비슷한 구조를 구비한다. 플렌지는 가열 베드 리테이너로부터 가열 베드재로의 위쪽으로의 열을 효과적으로 전달함으로써 그 동작 중에 엔진에서 상류로 되돌아오는 열 전달 능력을 개선하는 역할을 하고, 따라서 가열 베드의 재가열을 개선한다.
또 다른 바람직한 구체예에서, 가열 베드 리테이너는 촉매 베드 내로 아래쪽으로 연장된 플렌지 또는 그와 유사한 구조를 구비한다. 플렌지는 촉매 베드 리테이너로부터 가열 베드재로의 위쪽으로의 열을 효과적으로 전달함으로써 그 동작 중에 엔진에서 상류로 되돌아오는 열 전달 능력을 개선하는 역할을 하고 따라서 가열 배드의 재가열을 개선한다.
촉매 베드로 하류로 연장된 플렌지를 갖는 가열 베드 리테이너 27가 사용될 경우 상기 플렌지는 촉매 베드 리테이너 40에 기댈 수 있다.
더욱 바람직한 구체예에서, 가열 베드의 더욱 효율적인 재가열을 위해, 가열 베드 리테이너는 가열 베드 위쪽으로 연장되고 촉매 베드 아래쪽으로 연장되는 플렌지들 또는 유사한 구조를 가질 수 있다. 가열 베드 리테이너 27의 상기 구체예는 도 3에 도시되고 촉매 베드로부터 가열 베드로의 열 전달을 더욱 개선한다.
촉매 베드 30
적절한 촉매 베드는 WO 02/095207에 기재되어 있으며, 여기서는 더 상세하게 설명하지는 않는다. 적절한 촉매재와 펠렛은 이 기술 분야에 알려져 있고, WO 02/094717 및 WO 02/094429에 기재되어 있다. 촉매 베드 30의 펠렛 35의 적절한 크기는 내부 반응기 하우징 45의 내지름의 약 1/10, 또는 바람직하게는 약 1/10 미만이다.
내부 반응기 하우징 45
도면 부호 45로 표시되는 내부 반응기 하우징은 또한 가열 베드 및 촉매 베드 하우징을 지칭할 수도 있다. 내부 반응기 하우징 45은 가열 베드와 촉매 베드를 중공체 5의 내표면과의 접촉으로부터 분리시킨다. 내부 반응기 하우징과 반응기 하우징 5의 열 접촉은 최소한으로 유지되어야 한다. 따라서, 내부 반응기 하우징 45과 반응기 하우징 5의 열 접촉은 내부 반응기 하우징 45이 반응기 하우징 5에 접촉하는 면적으로 제한되어야 하며, 이 면적은 주입기 부근에서 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상류 플렌지를 따라 반응기에서 상류에 위치해야 한다. 또한, 내부 반응기 하우징 45과 반응기 하우징 간의 주변 간격은 내부 반응기 하우징 45의 소량의 팽창만을 허용해야 한다. 가열 베드 25, 가열 베드 리테이너 27 및 촉매 베드 30는 내부 반응기 하우징 45 내에 수용된다.
전술한 바와 같이 내부 반응기 하우징은 가열 베드의 예열을 개선시키는 역할을 하고, 펄스 모드 발사에서 하나의 펄스에서 다음 펄스로의 회복 시간을 단축시킨다.
촉매 베드 30 용 리테이너 40
촉매 베드는 리테이너 내에 위치한다. 내부 반응기 하우징 45는 바람직하게는 촉매 베드 리테이너 40로부터 분리되고, 내부 반응기 하우징의 바닥을 형성한다. 적절한 리테이너의 예는 Ir이 관련 연소 종에 대해 불활성이므로 Ir 또는 Re로 지지된 Ir의 다공성판이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 판은 예를 들면 내부 반응기 하우징 45의 바닥에서 주변 플렌지에 기댈 수 있다.
연소실 50 (분사기의 경우)
연소실을 포함하는 반응기의 벽은 추진제의 연소 중에 발생하는 고온을 견딜 수 있어야 한다. 이들은 반응기에서 발생하는 배출 가스 또는 중간 분해물에 대해서도 내성을 가져야 한다. 장기간 사용에 적합한 재료는 레늄이다. 분해의 최종 단계에서 생성되는 질산 가스에 견디기 위해 연소실의 벽 부분은 이리듐으로 적절하게 코팅된다.
예컨대 반응기 하우징, 분사기 엔벨로프 및 리테이너 등과 같은 주입기의 엔진 하류의 다른 부분에 대해 적절한 재료는 예컨대 Ir 및 Re이다. 단기간에 대해 설계된 용도 또는 저온 용도의 경우, 다른 재료, 예컨대 몰리브덴 합금 TZM 및 MHC, 백금 합금 및 몰리브덴의 다른 합금이 적절할 수 있다.
반응기의 기능과 분해 과정
본 발명의 내부 반응기 하우징을 제외하고, 가열 베드 및/또는 촉매 베드로 연장된 내부 구조 요소와 촉매 가열 베드, 반응기와 그 구성 요소의 전체적인 기능 및 분해 과정은 WO 02/095207로부터 이미 알려져 있으며, 여기서는 더 이상 상세하게 기재하지 않는다.
WO 02/095207의 가열 베드는 추진제를 기화시키고, 동시에 촉매 베드 하류에서 추진제의 촉매 연소를 완료시키기 위해 필요한 ADM의 열 분해를 WO 02/095207에 개시된 반응 스킴에 따라 개시한다.
내부 반응기 하우징은 가열 베드와 촉매 베드를 중공체의 내부 표면과의 접초으로부터 분리하고, 예열 중 가열 베드로부터의 전도를 차단하고, 가열 베드의 재가열을 강화시킴으로써 회복시간을 단축시킨다.
사용될 경우 내부 구조 요소는 분사기의 동작 중에 열을 가열 베드로 위쪽으로 이동시키고, 그에 따라 회복 시간을 눈에 띄게 감축시킨다.
본 발명의 촉매 가열 베드가 사용될 경우, 열이 촉매 베드에서 발생하는 종래의 엔진과 비교해서 본 발명의 엔진에서 상류로 추가로 열을 발생시키는 최종 촉매 분해/연소를 부가적으로 개시시킨다.

Claims (9)

  1. 액체 암모늄 디니트라미드계 단일 추진제를 고온의 연소가능한 기체로 분해하기 위한 반응기로서, 열 전도성이며 내열성 금속재의 중공체 (5)를 포함하고, 상기 중공체는 상류 단부로부터,
    주입기 (20);
    가열 베드 (25);
    가열 베드 리테이너 (27);
    적어도 1000 ℃의 온도까지 내열성인 다공성 촉매 펠렛 (35)의 촉매 베드 (30); 및
    촉매 베드 리테이너 (40)를 구비하고,
    상기 중공체 (5) 내에 들어가는 내부 반응기 하우징 (45)을 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 내부 반응기 하우징 (45)은 가열 배드 및 촉매 배드를 중공체 (5)의 내표면과의 접촉으로부터 분리시키고, 상기 내부 반응기 하우징 (45)은 열 전도성이며, 가열 베드 및 촉매 베드는 내부 반응기 하우징 (45)과 열 접촉하는 것인 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열 베드 리테이너 (27)는 가열 베드 쪽으로 상류로 연장 및/또는 촉매 베드 쪽으로 하류로 연장되는 플렌지들을 구비하는 것인 반응기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 베드는 촉매 활성을 나타내는 것인 반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 가열 베드 재료 (26)는 펠렛의 형태인 것인 반응기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 펠렛 (26)은 촉매 활성인 귀금속, 바람직하게는 Ir, Pd, Pt, Rh, Ru 또는 이들의 조합의 군으로부터 선택되는 것인 반응기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 펠렛 (25)과 펠렛 (26)의 크기는 내부 반응기 하우징 (45)의 내지름의 약 1/10 이하인 것인 반응기.
  7. 암모늄 디니트라미드계 액체 단일 추진제용 로켓 엔진으로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 반응기와, 반응기의 바로 하류 쪽에 연소실 (50)을 포함하는 것인 로켓 엔진.
  8. 제7항에 있어서, 5 N 내지 수 kN의 범위, 예컨대 5 N 내지 약 3kN, 바람직하게는 5 N 내지 1 kN, 더욱 바람직하게는 5 N 내지 500 N의 범위 내의 분사기를 갖는 크기인 것인 로켓 엔진.
  9. 액체, HAN-계 단일 추진제의 분해를 위한 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항의 반응기, 또는 제7항 또는 제8항의 로켓 엔진의 용도.
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