KR20190033944A - 하이브리드 로켓의 자동 점화를 위한 다단 촉매 점화기 - Google Patents

하이브리드 로켓의 자동 점화를 위한 다단 촉매 점화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다단 촉매 점화기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 제1 촉매 점화기에서 저유량의 산화제를 가열하여 활성화하고, 제2 촉매 점화기에서 고유량의 산화제를 저유량의 산화제의 열에 의해 가열하여 활성화함으로써 점화기의 예열 시간 및 점화시간을 단축할 수 시킬 수 있는 다단 촉매 점화기에 관한 것이다.

Description

하이브리드 로켓의 자동 점화를 위한 다단 촉매 점화기{Multi-stage catalytic ignitor for hybrid rocket auto ignition}
본 발명은 다단 촉매 점화기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 제1 촉매 점화기에서 저유량의 산화제를 가열하여 활성화하고, 제2 촉매 점화기에서 고유량의 산화제를 저유량의 산화제의 열에 의해 가열하여 활성화함으로써 점화기의 예열 시간 및 점화시간을 단축할 수 시킬 수 있는 다단 촉매 점화기에 관한 것이다.
하이브리드 로켓의 점화방식에는 프로판과 같은 기체연료를 주입한 후 스파크를 통해 점화하거나 고체 연료(grain) 입구에 부착된 점화제를 연소시켜 점화하는 방식이 있는 데, 스파크 점화방식의 경우 점화 직후 압력섭동으로 인해 소염되는 현상이 발생하며, 점화제 방식은 재점화가 어려운 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 산화제와 PE(Poly-ethylene), PMMA(polymethyl methacrylate), HTPB(Hydroxyl-terminated polybutadiene) 등과 같은 고체 연료를 조합하여 추진력을 발생하는 하이브리드 로켓이 개발되기도 하였다.
이 산화제 방식의 하이브리드 로켓은 N2O와 같은 산화제를 촉매를 이용하여 활성화(분해)시켜 가열함으로써 그 열에 의해 고체 연료가 점화되게 한다.
도 1은 일반적은 하이브리드 로켓의 개념도를 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1의 하이브리드 로켓의 촉매 점화기를 상세하게 보여주는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적인 하이브리드 로켓(10)은 촉매 점화기(11)와 상기 촉매 점화기(11)에서 가열된 산화제(N2O)에 의해 점화되어 화염(f)을 분출함으로써 추진력을 발생시키는 고체 연료(12)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 촉매 점화기(11)는 산화제을 가열시키기 위한 열 교환기(11a)와 상기 열 교환기(11a)에서 가열된 산화제를 활성화하여 고체 연료(12)의 관통홀로 분사하여 상기 고체 연료(12)가 점화되게 하는 점화기(11b)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 열 교환기(11a)는 코일 히터(11aa)와 상기 코일 히터(11aa)를 감싸고, 상기 산화제를 이송하며, 상기 코일 히터(11aa)와 열 교환을 수행하는 코일(11ab)을 포함하고, 상기 점화기(11b)는 상기 열 교환기(11a)에서 1차 가열된 산화제를 2차로 가열하기 위한 카트리지 히터(11ba) 및 가열된 산화제의 활성화 에너지를 낮춰 고온의 열분해가 이루어지게 한 후 상기 고체 연료(12)로 출력하는 촉매층(11bb)이 포함된다.
그러나 종래의 촉매 점화기는 산화제를 2단계로 가열해야 하므로 에너지의 소모가 크고 산화제의 예열 시간 및 점화 시간이 길어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 산화제를 가열하는데 드는 에너지를 최소화하고, 예열 시간 및 점화 시간을 단축할 수 있는 다단 촉매 점화기를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 입력되는 제1 산화제를 가열하는 히터와 가열된 제1 산화제의 활성화 에너지를 낮춰 온도를 상승시키는 제1 촉매층을 갖는 제1 촉매 점화기; 및 상기 제1 촉매 점화기로부터 온도가 상승된 제1 산화제를 입력받고, 상기 제1 산화제와는 별도로 상기 제1 산화제보다 큰 유량의 제2 산화제를 입력받으며, 상기 제1 산화제의 온도에 의해 상기 제2 산화제를 가열하며, 가열된 제2 산화제의 활성화 에너지를 낮춰 온도를 상승시켜 출력하는 제2 촉매층을 갖는 제2 촉매 점화기;를 포함하고, 상기 제2 촉매 점화기에서 출력되는 제2 산화제에 의해 연료가 연소되어 점화되는 것을 특징으로 하는 다단 촉매 점화기를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 촉매 점화기에는 별도의 히터가 구비되지 않고, 상기 제1 산화제의 열만으로 상기 제2 산화제가 가열된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 촉매 점화기에는 서로 이격된 복수 개의 제2 촉매층들이 구비되고, 상기 제2 산화제는 상기 제2 촉매층들을 통화하며 활성화 에너지가 낮아진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제2 촉매층들의 각 사이에는 상기 제2 촉매 점화기의 내부 온도 유지를 위한 금속 다공체가 구비된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속 다공체는 니켈 폼(Nickel Foam)이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제1 촉매 점화기와 상기 제2 촉매 점화기 사이에는 상기 제1 산화제가 정유량(constant volume)으로 출력되게 하는 오리피스가 구비된다.
또한, 본 발명은 고체 연료를 연소시키기 위해 상기 다단 촉매 점화기를 갖는 하이브리드 로켓을 더 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
본 발명의 다단 촉매 점화기에 의하면 저유량의 산화제의 활성화 에너지로 고유량의 산화제를 분해시켜 활성화할 수 있으므로 산화제 활성화에 드는 에너지를 줄일 수 있고 산화제의 예열 시간 및 점화시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적은 하이브리드 로켓의 개념도를 보여주는 도면,
도 2는 일반적인 하이브리드 로켓의 촉매 점화기를 상세하게 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 촉매 점화기의 구성을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 촉매 점화기의 실물을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 촉매 점화기의 열분해 성능을 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다단 촉매 점화기를 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 촉매 점화기(100)는 N2O와 같은 산화제를 가열하여 고체 연료(12)로 분사함으로써 상기 고체 연료(12)가 연소되게 하는 점화기로써, 촉매를 이용하여 상기 산화제의 활성화 온도를 낮춤으로써 적은 에너지로 고온의 산화제를 출력할 수 있는 촉매 점화기이다.
또한, 본 발명의 다단 촉매 점화기(100)는 일반적인 하이브리드 로켓의 구성요소들과 함께 하나의 완성된 하이브리드 로켓으로 제공될 수 있다.
상기 다단 촉매 점화기(100)는 1단 점화기인 제1 촉매 점화기(110)과 2단 점화기인 제2 촉매 점화기(110)를 포함하여 이루어진다.
상기 제1 촉매 점화기(110)는 제1 산화제 공금관(113)으로 입력되는 산화제(a,이하, '제1 산화제'라 함)의 활성화 에너지를 낮춰 분해되게 한 후, 온도를 상승시켜 출력한다.
또한, 상기 제1 산화제(a)는 가스 산화제일 수 있으며, 예를 들면, N2O 가스일 수 있다.
또한, 상기 제1 촉매 점화기(110)는 상기 제1 산화제(a)를 가열하기 위한 히터(111) 및 가열된 제1 산화제(a)의 활성화 에너지를 낮춰 낮은 온도에서 활성화되게 하여 온도를 상승시키는 촉매층(112, 이하, '제1 촉매층'이라 함)을 포함한다.
또한, 상기 히터(111)는 코일 히터가 아닌 전력 모소가 작은 카트리지 히터로 구비된다.
또한, 상기 제1 촉매층(112)은 루테늄(Ru) 촉매일 수 있으며 지지체로 열적안정성이 우수한 감마-알루미나(γ-Al2O3)를 이용할 수 있다.
또한, 상기 제1 산화제(a)는 아래에서 설명할 제2 촉매 점화기(110)로 공급되는 산화제(b, 이하, '제2 산화제'라 함)보다 유량이 낮으며, 예를 들면, 30bar 압력으로 0.5g/s로 공급될 수 있다.
또한, 상기 제1 촉매 점화기(110)는 고체 연료(12)를 점화시키기 위한 열을 제공하는 것은 아니며, 상기 제2 촉매 점화기(110)로 공급되는 제2 산화제(b)를 가열하기 위한 기능을 수행한다.
상기 제2 촉매 점화기(120)는 상기 제1 촉매 점화기(110)와 연결되어, 상기 제1 촉매 점화기(100)에서 가열된 상기 제1 산화제(a)를 공급받는 한편, 상기 제1 산화제(a)와는 별도로 제2 산화제 공급관(122)을 통해 상기 제2 산화제(b)를 공급받는다.
또한, 상기 제1 촉매 점화기(110)와 상기 제2 촉매 점화기(120) 사이에는 가열된 제1 산화제(a)를 정유량(constant volume)으로 공급하기 위한 오리피스(130)가 구비될 수 있다.
또한, 상기 제2 산화제(b)는 상기 제1 산화제(a)와 동일하게 N2O 가스일 수 있다.
또한, 상기 제2 산화제(b)는 상기 제1 산화제(a)보다 큰 유량(6.0g/s)으로 공급되며, 실질적으로 상기 고체 연료(12)를 점화시키기 위한 산화제이다.
또한, 상기 제2 산화제(b)는 상기 제1 산화제(a)의 열에 의해 가열되므로 상기 제2 촉매 점화기(120)에는 별도의 히터가 구비되지 않는다.
또한, 상기 제2 촉매 점화기(120)에는 가열된 제2 산화제(b)의 활성화 에너지를 낮춰 분해되게 하기 위한 촉매층(121, 이하, '제2 촉매층'이라 함)이 구비된다.
또한, 가열된 제2 산화제(b)는 고체 연료(12)로 분사되며, 상기 고체 연료(12)는 상기 제2 산화제(b)의 열에 의해 점화된다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 촉매 점화기(100)는 도 2에 도시한 종래의 촉매 점화기(11)와 비교하여 하나의 카트리지 히터(111)만을 이용하므로 산화제의 활성화에 필요한 에너지 소모량을 매우 줄일 수 있다.
자세하게는 종래의 촉매 점화기(11)는 산화제의 예열을 위해 300[W]의 코일 히터와 300[W]의 카트리지 히터를 사용하나 본 발명의 다단 촉매 점화기는 400[W]의 카트리지 히터 하나만으로 제1 산화제(a) 및 제2 산화제(b)의 열분해가 가능하다.
또한, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 다단 촉매 점화기(100)의 열분해 성능을 보여주는 것으로 상기 제1 촉매 점화기(110)의 온도(T_Heater)가 약 500[℃]에서 1차 열분해(c)되는 것을 알 수 있으며, 상기 제2 촉매 점화기(120)의 온도(T_CH1)는 약 1000[℃]에서 2차 열분해(d)가 발생하는 것을 알 수 있다.
즉, 저온에서도 고유량의 산화제를 열분해 할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
또한, 1차 열분해(c)까지의 도달시간은 180[s]로 매우 빨랐으며, 이는 점화에 걸리는 시간을 매우 단축할 수 있는 것을 의미한다.
한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 촉매 점화기(120')를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 촉매 점화기(120')는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 촉매 점화기(120)와 비교하여 촉매층이 서로 이격된 복수 개의 촉매층(121a,121b,121c)으로 구성된다는 데 차이가 있다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2 촉매 점화기(120')는 상기 제2 산화제(b)의 활성화 에너지를 더욱 낮춰 더 낮은 온도에서 산화제를 빠르게 활성화시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 촉매층들(121a,121b,121c) 사이에는 상기 제2 촉매 점화기(120') 내부의 온도유지를 위한 금속 다공체(123,123a)가 구비될 수 있으며, 상기 금속 다공체는 니켈 폼(Nickel Foam)일 수 있다.
또한, 도 6에서는 상기 촉매층들(121a,121b,121c)이 세 개의 촉매층으로 구성되고, 상기 금속 다공체(123,123a)가 두 개의 금속 다공체로 구성되는 것을 도시하였으나 그 개수에는 특별한 제약이 없다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100:다단 촉매 점화기 110:제1 촉매 점화기
111:히터 112:제1 촉매층
113:제1 산화제 공급관 120:제2 촉매 점화기
121:제2 촉매층 122:제2 산화제 공급관
130:오리피스

Claims (7)

  1. 입력되는 제1 산화제를 가열하는 히터와 가열된 제1 산화제의 활성화 에너지를 낮춰 온도를 상승시키는 제1 촉매층을 갖는 제1 촉매 점화기; 및
    상기 제1 촉매 점화기로부터 온도가 상승된 제1 산화제를 입력받고, 상기 제1 산화제와는 별도로 상기 제1 산화제보다 큰 유량의 제2 산화제를 입력받으며, 상기 제1 산화제의 온도에 의해 상기 제2 산화제를 가열하며, 가열된 제2 산화제의 활성화 에너지를 낮춰 온도를 상승시켜 출력하는 제2 촉매층을 갖는 제2 촉매 점화기;를 포함하고,
    상기 제2 촉매 점화기에서 출력되는 제2 산화제에 의해 연료가 연소되어 점화되는 것을 특징으로 하는 다단 촉매 점화기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 촉매 점화기에는 별도의 히터가 구비되지 않고, 상기 제1 산화제의 열만으로 상기 제2 산화제가 가열되는 것을 특징으로 하는 다단 촉매 점화기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제2 촉매 점화기에는 서로 이격된 복수 개의 제2 촉매층들이 구비되고, 상기 제2 산화제는 상기 제2 촉매층들을 통화하며 활성화 에너지가 낮아지는 것을 특징으로 하는 다단 촉매 점화기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 촉매층들의 각 사이에는 상기 제2 촉매 점화기의 내부 온도 유지를 위한 금속 다공체가 구비되는 것을 특징으로 하는 다단 촉매 점화기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 금속 다공체는 니켈 폼(Nickel Foam)인 것을 특징으로 하는 다단 촉매 점화기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 촉매 점화기와 상기 제2 촉매 점화기 사이에는 상기 제1 산화제가 정유량(constant volume)으로 출력되게 하는 오리피스가 구비되는 것을 특징으로 하는 다단 촉매 점화기.
  7. 고체 연료를 연소시키기 위해 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 다단 촉매 점화기를 갖는 하이브리드 로켓.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111550328A (zh) * 2020-05-09 2020-08-18 北京控制工程研究所 一种实现硝酸羟胺发动机快速常温启动的点火方法

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