KR20150119330A - 열적 보호 시스템을 구비하는 가동의 발산부를 갖는 노즐 - Google Patents

열적 보호 시스템을 구비하는 가동의 발산부를 갖는 노즐 Download PDF

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KR20150119330A
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Abstract

본 발명은 가동의 발산부를 갖는 노즐에 관한 것으로서, 노즐은 구형의 조인트를 형성하는 고정식 쓰로트(210), 및 상기 쓰로트(210) 둘레에 가동적으로 장착되는 상단부를 갖는 발산부(220)를 포함한다. 환상의 윤활 챔버(230)는 발산부(220)의 상단부와 쓰로트(210) 사이에 배치되고, 상기 챔버는 그리스 시일(231)을 수용한다. 또한, 노즐은, 상기 윤활 챔버(230)로부터 하류에서 상기 발산부(220)와 상기 쓰로트(210) 사이에 배치되고, 내열 재료로 구성되는 환상의 적층 요소(310); 및 상기 적층 요소(310)로부터 상류에서 발산부(220)와 쓰로트(210) 사이에 배치되는 환상의 열적 보호 요소(320)로서, 상기 윤활 챔버(230)를 상기 윤활 챔버의 바닥부(230b)에서 폐쇄하는, 상기 열적 보호 요소(320)를 더 포함한다.

Description

열적 보호 시스템을 구비하는 가동의 발산부를 갖는 노즐{NOZZLE WITH A MOVABLE DIVERGENT SECTION PROVIDED WITH A THERMAL PROTECTION SYSTEM}
본 발명은 가동의 발산부를 갖는 로켓 엔진 노즐에 관한 것이다. 본 발명의 적용 분야는, 좀 더 구체적으로 그러나 배타적이지 않게, 미사일의 분야이다.
가동의 발산부를 갖는 노즐은 노즐의 가동의 발산부와 비가동의(stationary) 쓰로트 사이에 볼 조인트 또는 구/구(sphere/sphere) 타입의 연결부를 일반적으로 이용한다. 추력을 조향하기 위해 가동의 발산부를 이요하는 기술은, 예를 들어 가요성의 맞댐부(abutment) 상에서 조향가능한 노즐을 이용하는 기술과 같은 추력을 조향하기 위한 다른 알려진 기술들과 비교하여, 주어진 체적(bulk)에 대해서, 여러가지 장점을 제공한다. 발산부만이 가동인 노즐은, 노즐의 전체 통로가 가동인 조향가능한 노즐에 의해서 얻어질 수 있는 것보다 상당히 더 큰 추력 편향을 위한 가동의 현재의 용량이다. 추력 편향에서 이러한 향상은, 발산부의 가동의 구역 및 틸팅되는 구성에서, 비대칭적 압력장의 존재(이것 자체에 대한 기하학적 효과와 비교하여 1보다 더 큰 게인(gain)으로 이어짐)에 의해서 설명될 수 있다. 이 기술 및 다른 타입의 조향가능한 노즐과 비교하여 이 기술의 장점은 특히 문헌 US 6 948 307에서 설명된다.
그럼에도 불구하고, 이 타입의 노즐에서, 쓰로트(throat) 및 이 쓰로트와 슬라이딩 접촉하는 발산부의 부분이 높은 레벨의 열적-침식 현상을 겪게될 수 있다. 발산부를 틸팅하는 특정 조건 하에서, 연소 가스는 매우 높은 온도 뿐만 매우 큰 원주방향 속도를 제공할 수 있다. 이 열적-침식 현상을 견디기 위해서, 볼 조인트 연결을 구성하는 부품은, 이들의 양호한 기계적 특성 및 고온에서 이러한 특성을 보존할 수 있는 이들의 능력을 위해서 알려진 열구조(thermostructural) 복합 재료로 제조된다. 특히, 이들은 탄소 매트릭스로 고밀화된 탄소 섬유 강화재로 제조되는 탄소/탄소 (C/C) 복합물을 포함한다.
열구조 복합 재료는 고성능 재료이고, 결과적으로 높은 제조비용을 갖는다.
또한, 볼 조인트 연결을 위해서 C/C 복합 재료로 제조되는 부품을 사용할 때, 이러한 부품들 사이의 마찰 계수가 온도의 상승에 따라 커지고, 따라서 발산부가 작동 중에 발산부를 틸팅하기 위해서 더 큰 작동 동력을 필요로 한다.
따라서, 가동의 발산부를 구비하는 노즐이 더 낮은 제조 비용으로 제조될 수 있도록 하며, 더 낮은 작동 에너지를 요구하는 해결책의 필요성이 존재한다.
이 목적을 위해서, 본 발명은, 볼 조인트를 형성하는 비가동의(stationary) 쓰로트(throat), 및 이 쓰로트 둘레에 가동적으로 장착되는 상단부를 갖는 발산부를 포함하는, 가동의 발산부를 갖는 노즐을 제안하며, 쓰로트와 발산부의 상단부 사이에는 환상의 윤활 챔버가 개재되고, 상기 윤활 챔버는 그리스 시일을 수용하며, 상기 노즐은:
상기 윤활 챔버로부터 하류에서 상기 발산부와 상기 쓰로트 사이에 배치되고, 내열 재료로 제조되는 환상의 쓰로틀링(throttling) 요소; 및
상기 쓰로틀링 요소로부터 상류이고 상기 윤활 챔버로부터 하류에서 상기 발산부와 상기 쓰로트 사이에 배치되는 환상의 열적 보호 요소로서, 상기 윤활 챔버를 상기 윤활 챔버의 바닥부에서 폐쇄하는, 상기 열적 보호 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
2 개 레벨의 보호부(연소 가스에 더 근접한 쓰로트링 및 상류의 열적 장벽)를 갖는 열적 보호 시스템을 사용함으로써, 볼 조인트를 구성하는 부품, 즉 서로 슬라이딩 접촉하는 발산부의 상단부와 쓰로틀의 온도가 노즐이 작동중에 상승하지 않고, 이것은 상대적으로 긴(몇 분) 작동 동안이라도 적용된다. 정의 상 고가의 재료인 열구조 복합 재료와 같은 매우 높은 온도를 견딜 수 있는 재료의 사용을 요구하지 않는 소위 "냉" 볼 조인트 연결부는 이와 같이 제공된다. 본 발명의 노즐에서, 볼 조인트 연결을 형성하는 부품은 금속 재료와 같은 저가 재료로 제조될 수도 있다.
또한, 연결 부품의 온도는 노즐이 작동 중에 상승하지 않기 때문에, 이 부품은 거의 팽창하지 않고, 마찰 계수는 고온을 겪는 열구조 복합 재료로 제조되는 부품 사이에 존해하는 것과 비교하여 낮게 유지된다. 결과적으로, 본 발명의 노즐에서, 발산부를 틸팅하기 위해서 액츄에이터 수단(예를 들어, 유압 액츄에이터)에 전달될 필요가 있는 동력은 더 낮다.
또한, 열적 보호 요소로부터 하류에 배치되는 쓰로틀링 요소 때문에, 그리스(grease) 시일은 연소 가스에 대항해서 양호하게 보호되고, 그리스 시일은 제 위치에 적절하게 유지된다. 열적 보호 요소는, 쓰로틀링 요소를 넘어서, 가스가 상당히 감소된 원주방향 속도를 갖기 때문에, 쓰로틀링 요소에 의해서 형성되는 제1 레벨을 통과하나, 단지 열적 대류 효과만을 갖는 연소 가스에 대항하여 열적 장벽으로서의 역할을 한다.
본 발명의 제1 양태에서, 쓰로틀링 요소는 탄소 섬유로 제조되는 그랜드를 포함한다.
본 발명의 제2 양태에서, 쓰로틀링 요소는 적어도 탄소/탄소 복합 재료 및 세라믹 매트릭스(matrix) 복합 (CMC) 재료로부터 선택된 열구조(thermostructural) 복합 재료의 링을 포함한다.
본 발명의 제3 양태에서, 열적 보호 요소는 흑연으로, 또는 흑연이 충진된(graphite-filled) 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 제조된 환상의 가스켓을 포함한다.
본 발명의 제4 양태에서, 쓰로트는 적어도 부분적으로 금속 재료로 만들어진다.
본 발명의 제5 양태에서, 쓰로틀링 요소와 접촉하는 발산부와 쓰로트의 부분들은 리지다이머(rigidimer) 열적 보호 재료를 포함한다.
또한, 본 발명은 추진기 또는 로켓 엔진을 제공하며, 이것은 본 발명의 가동의 발산부를 갖는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 본 발명의 일 실시형태에서 가동의 발산부를 구비하는 노즐을 도시하는 유일한 도면을 참조하고 비-한정적인 설명의 방식으로 주어진 다음의 설명을 읽을 때 더욱 잘 이해될 수 있다.
유일한 도면은 고체 주진제 블록(미도시)을 수용하는 연소 챔버(11)를 둘러싸는 케이싱(10)을 갖는 로켓 엔진의 후방부를 도시하는 다이어그램이다. 챔버(11)는, 노즐에서 상류로부터 하류로의 방향이 연소 가스의 유동 방향에 대응하는 화살표(SA)에 의해 도 1에 표시되는 상태에서, 쓰로트(throat; 210) 및 발산부(220)를 갖는 노즐(200)로부터 상류인 케이싱의 후방 단부벽(110)을 통해서 외측으로 개방된다.
노즐의 쓰로트 자체뿐만 아니라 수렴부 및 발산부의 시작부를 규정하는 쓰로트(210)는, 예를 들어 나사 체결에 의해서 케이싱(10)의 단부벽에 고정되도록 단부벽(110)에 체결된다. 지금 설명되는 실시예에서, 쓰로트부는 리지다이머(rigidimer) 타입의 열적으로 절연하는 복합 재료, 또는 열구조 재료(thermalstructural material)로 제조되는 쓰로트부(211) 또는 제1 부분, 금속 재료로 제조되는 제2 부분(212), 및 열적으로 절연하는 재료, 예를 들어 리지다이머 타입의 복합물(예를 들어, 탄소 또는 실리카 보강재를 포함하는 재료 및 페놀 수지로 제조된 매트릭스(matrix))로 제조되는 제3 부분(213)으로 주로 구성되며, 제3 부분(213)은 제2 부분의 하류 단부에 고정된다. 일 변형예에서, 쓰로트부(211)는 텅스텐 또는 몰리브데넘과 같은 금속 재료로 제조될 수도 있다.
발산부(220)는, 비가동정적(stationary)이고 케이싱(10)에 고정되는 쓰로트(210) 에 발산부의 상측부(221a)를 통해서 가동적으로 장착된다. 지금 설명되는 실시예에서, 가동적인 발산부를 구성하는 부분은, 리지다이머 타입의 복합물과 같은 열적으로 절연하는 재료(예를 들어, 탄소 또는 실리카 보강재에 의해서 형성되는 재료 및 페놀 수지로 제조되는 매트릭스)의 코팅(222)을 발산부의 내측부에 구비하는, 예를 들어 금속 재료로부터 제조될 수도 있는 케이싱(221)을 포함한다.
쓰로트(210) 및 발산부(220)는 노즐의 축선(201)을 중심으로 하는 각각 구형인 표면(210a, 220a)를 통해서 상호 접촉되고, 따라서 볼 조인트 또는 구/구(sphere/sphere) 타입의 힌지식 연결부를 형성한다. 그래서, 발산부(220)는 몇 개의 방향으로 쓰로트(210) 상에서가동될 수 있다. 따라서, 발산부를 틸팅함으로써, 쓰러스트는 노즐의 축선(201) 및 발산부의 축선(223) 사이에 형성되는 각도의 함수로 조향된다.
가동의 발산부는, 발산부의 틸팅을 제어하는 역할을 하는 액츄에이터(40) 및 링(30)을 통해서 노즐의 비가동적 부분(미도시)에 연결된다. 가동의 발산부를 갖는 노즐을 형성하는 이 타입의 조립체는 그 자체로 잘 알려져 있고, 더 상세히 설명되지 않는다. 이러한 노즐의 실시형태는 특히 문헌 US 6 948 307 에서 설명된다.
당연히, 알려진 다른 타입의 노즐의 비가동의 부분 상에서 가동의 발산부에 대한 장착 및 작동이 고려될 수 있다.
그리스(grease) 시일(231)을 수용하는 환상의 윤활 챔버(230)는 발산부(220)의 상측부(221a)와 쓰로트(210) 사이에 존재하는 갭에 형성된다. 윤활 챔버(230)는 윤활 챔버의 상단부(230a), 즉 하류에서 발산부의 케이싱(221)에 형성되는 숄더(2210)에 의해서 폐쇄되고, 윤활 챔버는 쓰로트 부분(210)과 발산부(220)에 의해서 분출되는 연소 가스에 가장 근접하게 위치되는 윤활 챔버의 바닥부(230b), 즉 상류에서 개방된다. 그리스 시일은 발산부와 쓰로트 사이의 볼 조인트 연결의 이동을 더욱 원할하게 하고, 이 두 부분 사이에 시일링을 제공하는 2 가지 역할을 한다.
본 발명에 따르면, 노즐은 발산부(220)의 코팅(222)의 내측 표면에 형성되는 환상의 그루브(224)에 수용되는 탄소 섬유 그랜드(carbon fiber gland; 310)에 의해 이 실시예에서 구성되는 쓰로틀링 요소, 및 윤활 챔버(230)와 쓰로틀링 요소 사이에 위치되고 흑연(Sigraflex®)으로 제조되는 가스켓(320)에 의해서 이 실시예에서 형성되는 열 장벽을 또한 구비한다.
그랜드(310)는 윤활 챔버(230)로부터 하류에서 발산부(220)의 상단부(221a)와 쓰로트(210) 사이에 배치된다. 흑연 가스켓(320)은 그랜드(310)로부터 상류에서 발산부와 쓰로트 사이에 배치된다. 가스켓(320)은 가스켓이 접면하게 배치되는 윤활 챔버(230)의 바닥부(230b)를 폐쇄하여, 그리스 시일(231)을 제 위치에 유지하는 역할을 한다.
그랜드(310)는, 가스켓(320)의 일체성 및, 결과적으로는 그리스 시일(231)의 일체성을 손상시킬 수도 있는 높은 (잠재적으로 음속의) 원주방향 속도를, 노즐의 이 위치에서 그리고 발산부의 어떤 틸팅 형상에서, 제공할 수 있는 연소 가스를 쓰로틀(throttle)하는 역할을 한다. 가스켓(320)은, 연소 가스의 원주방향 속도가 그랜드(310)에 의해서 상당히 감소되기 때문에, 그랜드에 의해서 형성되는 제1 레벨을 통과하나 다음으로 단지 이 레벨에서 열적 대류를 제공하는 임의의 연소 가스에 대항하는 열적 장벽으로서 역할을 한다. 따라서, 그리스 시일은 연소 가스의 열적-침식 효과에 대항하여 양호하게 보호된다.
2 개 레벨의 보호부(연소 가스에 더 근접한 쓰로틀링 및 상류의 열적 장벽)를 갖는 열적 보호 시스템을 사용함으로써, 볼 조인트를 구성하는 부품, 구체적으로 쓰로트 및 이 쓰로트와 슬라이딩 접촉하는 발산부의 상단부의 온도가, 노즐이 상대적으로 긴 기간(몇 분) 동안의 작동 중일 때라도, 노즐이 작동중에 상승하지 않는다. 매우 높은 온도를 견디기 위해 적합한 복합 재료보다 덜 비싼 금속 재료와 같은 저가 재료로 연결 부품이 만들어지는 것을 가능하게 하는 소위 "냉" 볼 조인트 연결이 이와 같이 만들어진다.
지금 설명되는 실시예에서, 열적 보호 시스템은, 열적으로 절연하는 재료로 만들어지는, 연소 가스에 직접적으로 노출되는 발산부와 쓰로트의 부분, 구체적으로 발산부의 내측 코팅(222)과 쓰로트의 부분(213)에서 추가적인 열적 보호 장벽을 만듦으로써 강화된다.
본 발명의 가동의 발산 노즐은, 고체 추진제, 액체 추진제를 사용하는, 또는 (고체 및 액체 추진제 2 가지를 사용하는) 하이브리드인 로켓 엔진 또는 추진기(thruster)에서 사용될 수도 있다.

Claims (7)

  1. 볼 조인트를 형성하는 비가동의(stationary) 쓰로트(throat; 210), 및 상기 쓰로트(210) 둘레에 가동적으로 장착되는 상단부를 갖는 발산부(220)를 포함하는, 가동의 발산부를 갖는 노즐로서, 환상의 윤활 챔버(230)가 상기 쓰로트(210)와 상기 발산부(220)의 상기 상단부 사이에 개재되고, 상기 윤활 챔버가 그리스(grease) 시일(231)을 수용하는, 상기 노즐에 있어서,
    상기 윤활 챔버(230)로부터 하류에서 상기 발산부(220)와 상기 쓰로트(210) 사이에 배치되고, 내열 재료로 제조되는 환상의 쓰로틀링(throttling) 요소(310); 및
    상기 쓰로틀링 요소(310)로부터 상류이고 상기 윤활 챔버(230)로부터 하류에서 상기 발산부(220)와 상기 쓰로트(210) 사이에 배치되는 환상의 열적 보호 요소(320)로서, 상기 윤활 챔버(230)를 상기 윤활 챔버의 바닥부(230b)에서 폐쇄하는, 상기 열적 보호 요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 노즐.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 쓰로틀링 요소(310)는 탄소 섬유(carbon fiber)로 제조되는 그랜드(gland)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 노즐.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 쓰로틀링 요소(310)는, 적어도 탄소/탄소 복합 재료 및 세라믹 매트릭스(matrix) 복합 재료로부터 선택된 열구조(thermostructural) 복합 재료의 링을 포함하는 것을 특징으로 하는, 노즐.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열적 보호 요소(320)는 흑연으로, 또는 흑연이 충진된(graphite-filled) 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 제조된 환상의 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는, 노즐.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쓰로트(210)는 적어도 부분적으로 금속 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 노즐.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 쓰로틀링 요소와 접촉하는 상기 쓰로트 및 상기 발산부의 부분들(213, 222)은 리지다이머(rigidimer) 열적 보호 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는, 노즐.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 하나에 따른 가동의 발산부를 갖는 노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는, 추진기(thruster).
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