KR20220126785A

KR20220126785A - 공기 흡입 로켓 엔진

Info

Publication number: KR20220126785A
Application number: KR1020227029860A
Authority: KR
Inventors: 아론 데이비스; 스캇 스테그먼
Original assignee: 마운틴 에어로스페이스 리서치 솔루션즈, 인코포레이티드
Priority date: 2020-01-29
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2022-09-16
Also published as: US11002225B1; JP2023512212A; WO2021154727A1; AU2021214927A1; EP4097345A4; EP4097345A1; CA3165777A1

Abstract

특정 실시예에서 공기 흡입 로켓 엔진은 모래 시계형 외측 쉘 및 전체적으로 외측 쉘의 전방 단부 내부에 위치되는 내부를 포함한다. 그 내부는 바닥에서 끝나는 깔때기형 흡입구 및 내측 전방 벽을 포함하고, 내측 전방 벽과 깔때기형 흡입구의 외측 표면 사이에는 제1 원주방향 틈이 형성된다. 흡입구는 외측 쉘 내부의 목부 영역 및 배기구 영역과 유체 연통하는 중심 구멍을 갖는다. 제2 원주방향 틈이 전방 내측 벽의 외측 표면과 외측 쉘의 전방 단부의 내측 표면 사이에 형성되고 외측 쉘 내부의 목부 영역 및 배기구 영역과 유체 연통한다. 하나 이상의 분사기 포트 및 하나 이상의 점화 포트가 제2 원주방향 틈의 전방 단부에 위치된다.

Description

공기 흡입 로켓 엔진

본 출원은 2020년 3월 24일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/828,285에 대한 우선권을 주장하며, 그 미국 특허 출원은 2020년 1월 29일에 출원된 미국 특허 출원 번호 16/776,325의 일부 계속 출원이며, 그 두 미국 특허 출원은 전체적으로 여기에 참조로 관련되어 있다.

본 발명은 일반적으로 추진 엔진 분야, 특히, 자유 반응 물질로서 사용되기 위한 주변 유체를 흡입하고 연소 사이클을 위해 그 유체에 포함되어 있는 산화제를 사용할 수 있는, 움직이는 부품을 갖지 않는 로켓 엔진에 관한 것이다.

로켓 엔진과 젯트 엔진 사이에는 2개의 주요 차이점이 있다. 첫 번째 차이점은, 로켓 엔진은 우주로 가기 위한 자체의 모든 연료 뿐만 아니라 그 연료를 연소시키는 산소 공급원도 지니고 있어야 한다는 것이다. 반면에, 젯트 엔진은 연료를 지니고 있지만, 그 연료를 연소시키기 위해 공기 중의 산소를 사용한다. 두 번째 주요 차이점은, 젯트 엔진은 공기 흡입구와 배기구를 가지고 있지만, 로켓 엔진은 일반적으로 폐쇄형 매니폴드 시스템을 통해 연료와 산화제를 받고 배기구만 가지고 있다는 것이다. 두 가지 유형의 엔진은 내부 압력차를 통해 추력을 발생시키며, 둘 다 엔진의 이동 경로의 방향과 반대인 방향으로 배기 가스를 방출한다.

해양 및 항공우주 젯트 엔진을 포함하여 현재의 젯트 엔진 설계는, 기능을 하기 위해 임펠러 또는 압축기와 같은 움직이는 부품에 의존한다. 이러한 움직이는 부품은 제조 및 유지 보수 비용을 증가시키고 또한 성능 위험을 나타낸다. 예를 들어, 항공우주 엔진의 터빈 또는 압축기 블레이드의 결함은 전체 엔진의 치명적인 고장과 인명 손실을 초래할 수 있다. 엔진 설계의 일부 알려진 예가 아래에서 설명된다.

"덕트 유동에서의 연료 연소"라는 제목의 미국 특허 번호 4,428,191("Lane")은, 공기 유동을 포함하기 위한 덕트 및 이 덕트를 따라 연장되는 가로로 이격된 세로대(longeron) 부재의 어셈블리를 갖는 공기-연료 혼합 장치를 갖는 연소 장치를 제공한다. 세로대 부재는 덕트를 통과하는 유동의 일반적인 방향 및 덕트의 벽에 대해 경사져 있고, 그래서 덕트를 통과하는 유동의 대부분이 세로대 부재 사이의 공간을 통과할 것이다. 세로대 부재의 길이방향 가장자리는 연속적인 와류를 일으키도록 되어 있다. 배플이 세로대 부재의 상류 단부를 가로질러 연장되어 있고, 보호되는 파일럿 연소 영역을 형성한다. Lane의 엔진은, 파일럿 영역에서 가연성 혼합물의 파일럿 와류를 생성하고 각 파일럿 와류를 분할시키고 각 파일럿 와류의 분할된 부분을 인접한 세로대 부재의 인접한 부분을 따라 하류로 가도록 안내하기 위한 수단을 더 포함한다.

"임펄스 젯트 엔진"이라는 제목의 미국 특허 제5,282,359호("Chester")는, 움직이는 부품이 없고 환상형 연소실을 갖는 젯트 엔진을 설명한다. 환상형 배기 포트가 배기 가스를 반경방향 안쪽으로 그리고 엔진 출구 쪽으로 안내한다. 배기 가스는 엔진을 통과하는 이차 공기 유동을 유도하고, 동반된 이차 공기는 엔진 입구에 들어가 배기 가스를 냉각시키고 감속시킨다. 대안적인 실시예에서, 하우징의 후미 단부는 절두 원추형이고, 배기 포트는 배기 가스를 서로를 향해 수렴하도록 안내하고, 그리하여, 동반된 공기는 수렴 패턴으로 흐르게 된다. 두 실시예에서, 동반된 이차 공기의 질량은 배기 가스의 질량에 비해 커서, 이차 공기는 상대적으로 낮은 속도로 엔진을 통해 흐르게 된다.

"가스 터빈 엔진"이라는 제목의 미국 특허 제 5,727,378 호("Seymour")에는, 소형 "공기 호흡" 가스 터빈 엔진이 개시되어 있다. 이 엔진은 연소실 내의 무화염 주 혼합 영역, 주 연소 영역, 이차 연소 영역 및 희석 영역을 포함한다. 베어링 어셈블리가 압축기와 터빈 휠 사이에 위치된다. 터빈 휠과 베어링 어셈블리 사이에는 냉각 공동부가 있다. Seymour의 엔진은 또한 압축기와 터빈 휠 사이에 있는 환상형 압축기 배출 플레넘(plenum)을 포함한다. 이 환상형 압축기 배출 플레넘은 공기 축적기, 공기 완충기 및 공기 안정화기로서 작용한다.

"항공기 엔진의 터빈 엔진을 위한 일정 부피 연소 시스템"이라는 제목의 미국 특허 출원 공개 제 2018/0038278 호("Taliercio")는, 복수의 연소실이 길이방향 축선 주위에 규칙적으로 분산되어 있는 터빈 엔진용 연소 시스템을 제공한다. 환상형 매니폴드는 각 연소실에 압축기 공기를 공급하기 위한, 반경 방향으로 배향된 출구를 포함한다. 반경방향으로 배향된 입구를 갖는 환상형 배기 관은 연소실로부터 연소 가스를 모으고, 그 연소실은 매니폴드 출구와 배기 관 입구 사이에 반경방향으로 위치된다. 매니폴드 출구로부터 압축 공기가 끌려 들어오고 또한 연소 가스가 배기 관 쪽으로 방출되는 것은, 각 챔버에 대한 타이밍 장치에 의해 제어된다.

적어도 하나의 실시예에서, 쉘, 흡입구, 주 연소실 및 이차 연소실을 포함하는 엔진이 여기에 소개된다. 흡입구는 쉘 내부에 위치되며, 주변 유체(예컨대, 공기이지만, 이에 한정되지 않음)를 엔진 안으로 끌어들이는 채널이다. 주 연소실은 쉘 내부에 위치되며, 연료와 산화제의 혼합물을 연소시키기 위해 사용된다. 이차 연소실은 쉘 내부에 위치되며, 흡입구와 유체 연통한다. 이차 연소실은 흡입구를 통해 수용된 주변 유체와 주 연소실로부터 배출되는 미연소 물질의 혼합물을 연소시키기 위해 사용된다. 흡입구, 주 연소실 및 이차 연소실은, 엔진이 작동 중일 때 주 연소실로부터 물질이 이차 연소실 안으로 방출되어 압력차를 유발하도록 집합적으로 배치되며, 그 압력차에 의해 주변 유체가 흡입구를 통해 이차 연소실 안으로 끌려 들어가게 된다.

적어도 일부 실시예에서, 쉘, 흡입구, 주 연소실 및 이차 연소실은 모두 단일 재료 편으로 형성된다. 적어도 일부 실시예에서, 엔진이 작동 중일 때, 흡입구를 통해 이차 연소실 안으로 끌려 들어가는 주변 유체는 이차 연소실에서 반응 물질로 사용되며, 주변 유체가 산화제를 포함하는 경우, 그 주변 유체 내의 산화제는 이차 연소실에서의 연소를 위해 사용된다.

적어도 일부 실시예에서, 주 연소실은 환형으로 되어 있고, 엔진의 길이방향 축선 주위에 배치된다. 적어도 일부 실시예에서, 흡입구 및 주 연소실은 발사체에 있는 엔진의 작동 동안에 엔진의 의도된 이동 방향에 대해 엔진의 전방 단부 내부에 위치된다. 적어도 일부 실시예에서, 주 연소실은 쉘의 전방 단부의 내측 표면과 흡입구의 외측 표면 사이에서 길이방향 축선 주위에 형성되는 환형(예컨대, 환상형) 틈을 포함한다.

적어도 일부 실시예에서, 이차 연소실은 쉘의 내측 표면의 일부분에 의해 형성되는 목부 영역을 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 흡입구는 실질적으로 원추형이고, 발사체에 있는 엔진의 작동 동안에 엔진의 의도된 이동 방향에 대해 흡입구의 전방 개구는 흡입구의 후방 개구 보다 넓다.

적어도 일부 실시예에서, 엔진은, 각기 주 연소실과 유체 연통하는 산화제 포트와 연료 포트를 더 포함하고, 산화제와 연료가 각각 산화제 포트와 연료 포트를 통해 주 연소실 안으로 도입된다. 적어도 일부 실시예에서, 엔진은, 각기 상기 주 연소실과 유체 연통하는 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트를 더 포함하고, 산화제와 연료가 각각 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트를 통해 주 연소실 안으로 도입되며, 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트는 길이방향 중심 축선 주위에 원주 방향으로 배치된다.

여기서 소개되는 기술은 추력 발생 방법을 더 포함한다. 적어도 일부 실시예에서, 본 방법은 연료 및 산화제를 엔진 안으로 수용하는 단계; 및 엔진 안으로 수용된 연료와 산화제를 연소시켜, 주변 유체가 엔진 안으로 끌려 들어가게 하는 압력차를 발생시키고 또한 압력차에 의해 엔진 안으로 끌려 들어온 주변 유체를 a) 추가 연소를 위한 산화제 또는 b) 반응 물질 중의 적어도 하나로서 사용함으로써, 반응 물질을 엔진으로부터 방출하여 추력을 발생시키는 단계를 포함한다.

적어도 하나의 실시예에서, 엔진은, 모래시계 형상이고 전방 단부, 목부 영역, 및 배기구를 갖는 외측 쉘(목부 영역은 전방 단부와 배기구 사이에 위치되고 전방 단부 또는 배기구 보다 작은 내경을 가짐); 적어도 부분적으로 외측 쉘의 전방 단부의 내부에 위치되고 바닥에서 끝나는 깔때기형 흡입구; 외측 쉘의 전방 단부의 둘레를 형성하고 하나 이상의 분사기 포트를 포함하는 원주방향 전방 레지(ledge); 및 원주방향 전방 레지와 목부 영역 사이의 외측 쉘의 전방 단부에서 외측 쉘의 외측면에 위치되는 적어도 하나의 점화 포트를 포함하고, 원주방향 전방 레지는 내측 가장자리와 외측 가장자리를 포함하며, 내측 전방 벽이 원주방향 전방 레지의 내측 가장자리로부터 바닥까지 연장되어 있고, 흡입구는 바닥 위에서 스커트를 형성하는 외측 벽을 포함하고, 흡입구의 외측 벽, 내측 전방 벽, 및 스커트는 흡입구와 내측 전방 벽 사이의 제1 원주방향 틈을 형성하도록 구성되며, 제1 원주방향 틈은 목부 또는 배기구와 유체 연통하지 않으며, 제1 원주방향 틈은 내경을 가지며, 제1 원주방향 틈의 내경은 제1 원주방향 틈의 전방 단부로부터 스커트까지 넓어지며, 내측 전방 벽은 외측 표면을 포함하고, 외측 쉘은 내측 표면을 포함하고, 전방 내측 벽의 외측 표면 및 외측 쉘의 전방 단부의 내측 표면은 제2 원주방향 틈을 형성하도록 구성되고, 제2 원주방향 틈은 적어도 하나의 분사기 포트 및 적어도 하나의 점화 포트와 유체 연통하고; 제2 원주방향 틈은 내경을 가지며, 제2 원주방향 틈의 내경은 제2 원주방향 틈의 말단부에서 감소하며, 제2 원주방향 틈의 말단부는 바닥과 측방향으로 정렬되며, 제2 원주방향 틈은 목부 및 배기구와 유체 연통하고, 흡입구는, 흡입구의 전방 가장자리로부터 바닥 앞쪽의 한 점까지 감소하고 이 점으로부터 바닥까지 증가하는 내경을 가지며, 흡입구는, 흡입구의 전방 가장자리부터 바닥까지 연장되고 목부 영역 및 배기구와 유체 연통하는 중심 구멍을 포함하고, 목부 영역은 전방 단부를 포함하고, 제2 원주방향 틈의 말단부는 목부 영역의 전방 단부에 위치되며, 목부 영역은 배기구와 유체 연통하고, 흡입구의 중심 구멍은 목부 영역의 전방 단부에서 끝난다.

적어도 하나의 실시예에서, 외측 쉘은 외측 표면을 포함하고, 외측 쉘의 외측 표면은 복수의 십자형 리지(ridge)를 포함한다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 내측 전방 벽은 내측 표면을 포함하고, 내측 전방 벽의 내측 표면은 복수의 원주방향 리지를 포함한다. 한 실시예에서, 제1 원주방향 틈의 전방 단부는 대기에 개방된다.

적어도 하나의 실시예에서, 원주방향 전방 레지의 외측 가장자리는 직경을 가지며, 외측 쉘은 후방 가장자리를 포함하고, 후방 가장자리는 원형이고, 후방 가장자리는 외경을 가지며, 외측 쉘의 후방 가장자리의 외경은 전방 원주방향 레지의 외측 가장자리의 직경 보다 크다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 바닥은 둘레를 가지며, 바닥의 둘레는 라운딩된 원주방향 외측 가장자리를 갖는 구근 형상으로 되어 있다. 또 다른 실시예에서, 바닥은 흡입구의 중심 구멍을 향하여 위쪽으로 각져 있다.

적어도 하나의 실시예에서, 바닥은 폭을 갖고, 중심 구멍은 폭을 가지며, 흡입구의 전방 가장자리는 폭을 가지며, 바닥의 폭은 중심 구멍의 폭 보다 크지만 흡입구의 전방 가장자리의 폭 보다는 작다. 적어도 하나의 다른 실시예에서, 목부 영역은 내경을 갖는 중심 부분을 포함하고, 외측 쉘의 후방 가장자리는 내경을 가지며, 목부 영역의 중심 부분의 내경은 외측 쉘의 후방 가장자리의 내경의 대략 0.5배이다. 또 다른 실시예에서, 제2 원주방향 틈의 내경은 말단부를 제외하고 일정하고, 말단부에서의 제2 원주방향 틈의 내경은 말단부 이외의 제2 원주방향 틈의 내경의 대략 0.38배이다.

본 개시의 하나 이상의 실시예는 첨부 도면의 도에 한정적이 아니라 예시적으로 도시되어 있고, 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 나타낸다.
예시된다.
도 1은 여기서 소개되는 엔진의 전방 사시도이다.
도 2는 엔진의 후방 사시도이다.
도 3은 엔진의 정면도이다.
도 4는 엔진의 배면도이다.
도 5는 엔진의 측면도이다.
도 6은 도 5의 측면도에 대응하는 엔진의 단면도이다.
도 7은 엔진의 전방 절개 사시도이다.
도 8은 엔진의 내부의 전방 사시도이다.
도 9는 엔진의 내부의 후방 사시도이다.
도 10은 도 5의 측면도에 대응하고 치수 주석을 포함하는 엔진의 단면도이다.
참조 번호
다음과 같은 참조 번호가 아래의 개시에서 사용된다:
1 엔진의 전방 단부
2 엔진의 후방 단부
3 깔때기형 흡입구
3a 흡입구의 전방 가장자리
3b 흡입구의 외측 벽
4 연료/산화제 분사기 포트
5 원주방향 전방 가장자리
5a 원주방향 전방 레지의 내측 가장자리
5b 원주방향 전방 레지의 외측 가장자리
6 제1 원주방향 틈
7 내측 전방 벽
7a 내측 전방 벽의 중심
8 바닥
8a 바닥의 라운딩된 외측 가장자리
8b 스커트
9 목부 영역
10 외측 쉘
11 엔진의 후방 가장자리
12 배기구
13 장착 브라켓
14 점화 포트
15 외측 쉘의 전방 단부
16 제2 원주방향 틈
17 외측 쉘의 전방 단부에 있는 원주방향 리지
18 내측 전방 벽의 내측 표면에 있는 원주방향 리지
19 외부 리지
20 흡입구의 중심 구멍
21 엔진의 내부

이 설명에서, "일 실시예", "한 실시예" 등의 언급은, 설명되는 특정한 특징, 기능, 구조 또는 특성이 여기에 소개되는 기술의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 본 명세서에서 이러한 문구의 출현이 반드시 모두 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 다른 한편으로, 언급된 실시예도 반드시 상호 배타적일 필요는 없다.

종래의 로켓 엔진도 종래의 젯트 엔진도 아닌 엔진이 여기서 소개되는데, 그 엔진이 장착되는 발사체는 연료와 산화제를 모두 지니고 있지만, 종래의 로켓 엔진에 필요한 것보다 더 적은 산화제를 필요로 하기 때문이다. 엔진은 단일 재료 편으로 형성될 수 있으며 그래서 엔진 본체와 연료 시스템의 구조적 무결성을 확인하는 것 외에는 유지 보수를 필요로 하지 않는다. 여기서 "주변 공기"에 대한 언급이 있을 때마다, 다른 유체가 주변 공기를 대체할 수 있음을 유의해야 한다. "주변 유체"라는 용어는 주변 공기를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.

도 1은 여기서 소개되는 적어도 일부 실시예에 따른 엔진의 전방 사시도이다. 모든 도에 나타나 있는 바와 같이, 엔진은 움직이는 부품이 없는 단일 재료 편일 수 있다. 이러한 특징은, 그 자체로, 엔진을 항공 또는 우주 분야에 사용되는 다른 엔진과 구별한다. 적어도 하나의 실시예에서, 재료는 INCONEL® 니켈-크롬 합금 또는 임의의 다른 내화성 초합금이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 엔진은 전방 단부(1) 및 후방 단부(2)를 포함한다. 전방 단부(1)는 엔진이 장착되는 발사체의 의도된 이동 방향에 대해 전방인 단부이다. 후방 단부(2)는 엔진이 장착되는 발사체의 의도된 이동 방향에 대해 후방인 단부이다. 엔진의 전방 단부(1)는 깔때기형 흡입구(3)와 복수의 연료 및 산화제 분사기 포트(4)를 포함한다. 깔때기형 흡입구는 전방으로 향하고 있어, 그 흡입구의 가장 넓은 부분이 엔진의 전방 단부(1)에 있는 입구부를 형성한다.

복수의 연료 및 산화제 분사기 포트(4)는 엔진의 전방 단부의 둘레 주위에 반경 방향으로 배치되고 흡입구(3)의 전방 가장자리(3a)를 둘러싼다(원주 방향 전방 레지(ledge)(5)와 흡입구(3)의 전방 가장자리(3a) 사이에 틈(6)을 두고). 복수의 연료 및 산화제 분사기 포트(4)는 엔진의 전방 단부(1)의 둘레를 형성하는 원주 방향 전방 레지(5)에 위치된다. 원주 방향 전방 레지(5)는 바람직하게는 아래쪽으로 각져 있으며, 그래서 원주 방향 전방 레지(5)의 내측 가장자리(5a)는 원주 방향 전방 레지(5)의 외측 가장자리(5b)보다 엔진의 전방 단부(1)에 약간 더 가깝다. 따라서, 연료 및 산화제 분사기 포트는 엔진의 길이 방향 중심 축선에 대해 약 45°의 각도 또는 엔진의 횡방향 축선에 대해 약 135°의 각도를 이룬다(도 5 참조). 흡입구(3)의 전방 가장자리(3a)는 바람직하게 원주 방향 전방 레지(5)의 내측 가장자리(5a)의 전방으로 연장되어 있으며, 그래서 흡입구(3)의 전방 가장자리(3a)가 엔진의 최전방 부분이 된다(도 5 참조). 흡입구(3)의 전방 가장자리(3a), 원주방향 전방 레지(5)의 내측 가장자리(5a), 및 원주방향 전방 레지(5)의 외측 가장자리 모두 바람직하게는 원형이다.

위에서 언급한 바와 같이, 흡입구(3)의 전방 가장자리(3a)와 원주방향 전방 레지(5)의 내측 가장자리(5a) 사이에는 제1 원주방향 틈(6)이 있다. 이 제1 원주방향 틈(6)은 흡입구(3)의 외측 벽(3b)과, 원주방향 전방 레지(5)의 내측 가장자리(5a)의 바로 아래(후방)에 그리고 외측 쉘(10) 내부에 위치되는 내측 전방 벽(7)의 내측 표면 사이에 있다. 한 실시예(나타나 있지 않음)에서, 제1 원주방향 틈(6)의 전방 단부는 시일링되고, 연소실에 전도성 냉각을 제공하고 연료를 예열하기 위해 연료를 연소되기 전에 순환시킨다. 다른 실시예에서, 제1 원주방향 틈(6)의 전방 단부는 냉각을 제공하기 위해 주변 공기에 개방되어 있다.

흡입구(3)의 외측 벽(3b)과 내측 전방 벽(7)은 특정 거리로 서로 이격되어 있고 스커트(8b)에서 함께 결합된다(도 6 참조). 내측 전방 벽(7)은 엔진의 길이방향 중심 축선에 대해 대략 45°의 비교적 일정한 각도로 안쪽으로(엔진의 중심 쪽으로) 테이퍼져 있고, 깔때기형 흡입구(3)는 내측 전방 벽(7)보다 훨씬 더 급격히 안쪽으로 테이퍼져 있으며, 그래서, 흡입구(3)의 외측 벽(3b)과 내측 전방 벽(7) 사이의 거리(즉, 제1 원주방향 틈(6)의 크기)는 제1 원주방향 틈(6)의 전방 단부로부터 스커트(8b)까지 증가한다. 바닥(8)은 목부 영역(9)의 바로 앞쪽에서(도 6 참조) 그리고 엔진의 전방 단부(1) 내부에서(도 6 참조) 엔진의 내부(즉, 외측 쉘(10)의 내부)에 위치된다. 바닥(8)은 스커트(8b)의 내부에 있다.

엔진은 원주방향 전방 레지(5)의 외측 가장자리(5b)로부터 엔진의 후방 가장자리(11)까지 연장되어 있는 외측 쉘(10)을 더 포함한다. 후방 가장자리(11)는 원형이고, 원주방향 전방 레지(5)의 외측 가장자리(5b)보다 더 큰 직경을 갖는다. 외측 쉘(10)은 모래 시계형이고, 원주방향 전방 레지(5)의 외측 가장자리(5b)로부터 엔진의 목부 영역(9)(또는 허리)까지 안쪽으로 테이퍼져 있고 그런 다음에 바깥쪽으로 배기구(12)까지 확장되어 있다. 장착 브래킷(13)이, 바람직하게는, 나타나 있는 바와 같이 목부 영역(9) 및 전방 단부(15)에서 외측 쉘(10)에 걸쳐 있다(길이 방향으로). 두 쌍의 대향하는 점화 포트(14)가 원주방향 전방 레지(5)의 아래에서(또는 뒤쪽에서) 외측 쉘(10)의 전방 단부(15)에 위치된다. 연료 및 산화제 분사기 포트(4) 및 점화 포트(14)는 바람직하게는 나사산이 형성되어 있고, 각각 연료 및/또는 산화제 호스 및 스파크 플러그를 수용하도록 구성되어 있다. 적어도 하나의 실시예에서, 5개의 분사기 포트(4) 마다 하나의 점화 포트(14)가 있다. 외측 쉘(10), 흡입구(3)의 외측 벽(36), 및 내측 전방 벽(7)의 두께는 모듈 및 인장강도 요건과 국부적인 열적 요건에 따라 최적화될 수 있다(즉, 특정 영역에서 질량이 추가되거나 감소될 수 있음).

내측 전방 벽(7)의 외측 표면과 외측 쉘(10) 사이에는 제2 원주방향 틈(16)이 있다(도 4 참조). 이 제2 원주방향 틈(16)은 목부 영역(9) 및 배기구(12)와 유체 연통하고(즉, 그에 개방되어 있음), 반면에 제1 원주방향 틈(6)은 그렇지 않다. 원주방향 전방 레지(5)는 제2 원주방향 틈(16)의 전방 단부를 둘러싸고, 연료 및 산화제 분사기 포트(4)는 제2 원주방향 틈(16) 내로의 연료 및/또는 산화제의 분사를 가능하게 하도록 구성된다. 적어도 하나의 실시예에서, 외측 쉘(10)의 전방 단부(15)의 외측 표면은 복수의 원주방향 리지(ridge)(17)("모자 밴딩" 또는 "강화 후프"라고도 함)를 포함하고, 이러한 리지는 엔진의 구조적 무결성에 기여한다. 내측 전방 벽(7)의 내측 표면(즉, 깔때기형 흡입구(3)와 대향하는 내측 전방 벽(7)의 측면)도 바람직하게 동일한 이유로 복수의 원주방향 리지(18)를 포함한다.

도 3 및 도 4는 각각 엔진의 정면도 및 배면도이다. 도 5는 엔진의 측면도이다. 도 1 및 2뿐만 아니라 후자의 도 5에 나타나 있는 바와 같이, 외측 쉘은 바람직하게는 원주방향 전방 레지(5)의 외측 가장자리(5b)로부터 엔진의 후방 가장자리(11)까지 연장되는 십자형 패턴의 외부 리지(19)를 포함한다. 이들 외부 리지(19)는 엔진에 추가적인 구조적 무결성을 부여한다. 그 외부 리지는 바람직하게는 외측 쉘(10)의 전방 단부(15) 상의 원주방향 리지(17) 위에 있다.

도 6은 엔진의 길이방향 중심 축선을 통과하는 수직면에서 취해진, 도 5의 측면도에 대응하는 단면도이다. 흡기구(3)는 바람직하게는 한 지점(도 6에서 "X"으로 표시된 지점)까지 테이퍼져 있고 그런 다음에 바닥(8)을 향해 바깥쪽으로 확장되어 있다는 것을 유의해야 한다(흡기구(3)의 외측 벽(3b)의 바깥쪽 확장은 스커트(8b)를 형성함). 적어도 하나의 실시예에서, 바닥의 폭(도 6에서 "Y"으로 표시되어 있음)은 "X"(중심 구멍(20)의 폭)보다 크지만, 전방 가장자리(3a)에서의 흡입구(3)의 폭(도 6에서 "Z"로 표시되어 있음) 보다는 작다. 적어도 하나의 실시예에서, 바닥(8)은 평평하지 않고 오히려 중심 구멍(20)을 향해 위쪽으로 각겨 있다.

도 7은 엔진의 전방 절개 사시도이다. 이 도는, 흡기구(3)가 (전방에서 후방으로) 지점("X")까지 테이퍼져 있고 그런 다음에 흡입구(3)가 (다시, 전방에서 후방으로) 확장되어 있어 바닥(8)을 형성하는 것을 보여준다. (테이퍼 지점 ("X")에 의해 형성되는) 흡기구(3)의 중심 구멍(20)은 엔진의 목부(9) 부분 및 배기구(12) 부분과 유체 연통한다(즉, 그에 개방되어 있음)(또한 도 4 및 6 참조).

도 8은 엔진의 내부의 전방 사시도이고, 도 9는 엔진의 내부의 후방 사시도이다. 이 두 도에서 외측 쉘(10) 및 원주방향 레지(5)(연료 및 산화제 포트(4)를 가짐)는 엔진의 내부를 더 잘 도시하기 위해 제거되었다. 엔진의 내부(21)는 흡기구(3), 내측 전방 벽(7) 및 바닥(8)을 포함한다(위에서 설명한 바와 같이, 흡기구의 외측 벽(3b) 및 내측 전방 벽(7)은 스커트(8b)에서 결합됨). 제1 원주방향 틈(6)이 나타나 있지만, 제2 원주방향 틈(16)은, 외측 쉘(10)이 제거되었기 때문에, 나타나 있지 않다.

바닥(8)의 둘레는 바람직하게는 라운딩된 원주방향 외측 가장자리(8a)를 갖는 구근 형상으로 되어 있음을 유의해야 한다. 내측 전방 벽(7)은 그의 중심(7a)에서 안쪽으로 테이퍼져 있다(또한 도 6 참조). 제2 원주방향 틈(16)에 있어서 내측 전방 벽(7)의 중심(7a)과 외측 쉘(10) 사이에 있는 부분은 환형(예를 들어, 환상형) 연소실을 형성한다. 위에서 언급한 바와 같이, 바닥(8)은 엔진의 전방 단부(1)의 후방과 목부 영역(9)의 전방 사이의 경계가 되며(도 6 참조), 따라서, 엔진의 전체 내부(21)는 엔진의 전방 단부(1) 내부에 위치된다.

도 10은 도 6에 나타나 있는 것과 동일한 도이지만, 엔진의 특정한 치수적 특징에 대한 주석이 추가되어 있다. 치수 "A"는 후방 가장자리(11)에서의 배기구(12)의 내경이다. 치수 "B"는 목부 영역(9)의 중심부에서의 엔진의 내경이다. 치수 "C"는 흡입구(3)의 바닥(8)의 두 최후방 지점 사이의 거리이다(도 6에서 "Y"로도 표시되어 있음). 치수 "D"는 도 6에서 "X"로 표시된 쵸크(choke) 지점에서의 흡입구(3)의 내경이다. 치수 "E"는 도 6에서 "Z"로 표시된 전방 가장자리(3a)에서의 흡입구(3)의 내경이다. 치수 "X'"는, 틈(16)에서 나가는 유체가 목부 영역(9)에 들어가는 지점에서의 제2 원주방향 틈(16)의 내경이다. 치수 "Y'" 치수는 제2 원주방향 틈의 중심에서의(그리고 틈이 치수 "X'"까지 테이퍼질 때까지 그 틈(16)의 길이의 대부분을 따른) 제2 원주방향 틈(16)의 내경이다.

적어도 하나의 실시예에서, 도 10에 나타나 있는 치수를 참조하면, 치수 "B"는 치수 "A"의 대략 1/2(0.5)이다. 치수 "C"는 치수 "A"의 대략 0.4이고 그리고 치수 "B"의 대략 0.8이다.

치수 "D"는 치수 "A"의 대략 0.1, 치수 "B"의 0.2, 그리고 치수 "C"의 0.25이다. 치수 "E"는 바람직하게는 치수 "D"의 5배(5.0)이다. 적어도 하나의 실시예에서, X' 대 Y'의 비는 0.38이다. 위에서 언급한 치수는 최대 연료 효율과 추력을 제공하도록 최적화된 것이다.

유체 역학 분야의 당업자에게 명백한 바와 같이, 본 발명은 베르누이의 원리, 즉 유체 흐름의 속도가 증가하면 압력이 감소한다는 원리를 이용하도록 설계되어 있다. 이 원리는 본 개시와 관련해서는 치수 "X'"와 치수 "C" 모두에서 적용된다. 이것들은, 유체가 압축된 다음에 더 큰 부피의 영역 안으로 방출되어 벤튜리(Venturi) 효과를 나타내는 엔진 구조 내부의 두 위치이다. 여기서 개시된 엔진에서는 2개의 진공이 생성되는데, 한 진공은 환상형 연소실(16)이 유체를 목부 영역(9) 안으로 배출하는 곳에서 생기고, 다른 진공은 흡기구(3)가 유체를 목부 영역(9) 안으로 배출하는 곳에서 생긴다. 엔진은, 이들 진공 둘 다가 목부 영역의 전방 단부에서 생기고 옆으로 서로 정렬되도록 설계된다(도 6 참조).

베르누이 효과의 원리에 따라 외부 공기가 또한 부분적으로 끌려 들어오며, 이 외부 공기는 주 연소실로부터 이 영역으로 전달되는 미연소 연료의 혼합을 완료한다.

작동시, 추진제(연료 및 산화제)가 환상형 연소실(즉, 제2 원주방향 틈(16))안으로 분사되고 치수 "X'"에서 압착된 다음에 상대적으로 높은 속도로 환상형 연소실로부터 목부 영역(9) 안으로 배출되며, 이 목부 영역은 이차 연소실로서 기능한다. 유체는 이 지점에서 그의 가장 높은 속도(그리고 가장 낮은 압력)로 있으며, 그리하여, 흡입구(3)의 중심을 통해 주변 유체를 목부 영역(9) 안으로 끌어들이는 진공이 생성되며, 목부 영역에서 주변 유체는 연료 농후 고속 연소 흐름과 혼합된다. 유체 온도는 초기 연소가 일어나는 환상형 연소실 내부에서 가장 높으며, 환상형 연소실(16)의 화염은 목부 영역(9) 안으로 들어가 배기구(12)의 중심을 통과하게 된다. 상대적으로 더 낮은 온도를 갖는 주변 공기는 흡입구(3)를 통해 들어가고 목부 영역(9)에서의 뜨거운 공기와 혼합되어, 초기 연소에서 생긴 연료 농후 연소 흐름의 연소를 완료하게 된다.

연소는, 분사기 포트(4)에서 나온 연료가 산화되는 환상형 연소실(주 연소실인 제2 원주방향 틈(16))과, 흡입구(3)로부터의 주변 공기가 환상형 연소실에서 나온 뜨거운 가스와 혼합되는 목부 영역(9)(이차 연소실) 모두에서 일어난다. 주변 유체가 반응 물질로서 사용되는 곳은 이차 연소실이다. 주변 유체가 산화제를 포함하고 있으면, 그 주변 유체는 연소를 완료하기 위해 사용되고, 그렇지 않으면, 단순히 자유 반응 물질로서 작용한다. 이차 연소실은 도 10에서 "Z'"로 표시되어 있다. 엔진은 반응 물질로서 주변 유체를 사용하기 때문에, 여기서 소개되는 엔진이 장착된 로켓 발사체는 종래의 로켓 발사체보다 더 적은 산화제를 지닐 필요가 있을 것이다. 간단히 말해서, 종래의 로켓 발사체는 필요한 모든 연료와 산화제를 지니는 반면, 종래의 젯트 발사체는 필요한 모든 연료를 지니고 산화제는 지니고 있지 않다(산화제로서 주변 공기를 사용함). 여기서 소개하는 엔진은 종래의 로켓 엔진도 종래의 젯트 엔진도 아닌데, 왜냐하면, 그 엔진이 장착된 발사체는 연료와 산화제 둘 다를 지니고 있지만 종래의 로켓 엔진 보다 더 적은 산화제를 필요로 하기 때문이다. 여기서 "주변 공기"에 대한 언급이 있을 때마다, 다른 유체가 주변 공기를 대체할 수 있다는 점에 유의해야 한다. "주변 유체"라는 용어는 주변 공기를 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.

흡입구(3), 환상형 연소실(원주방향 틈(16), 주 연소실이라고도 함) 및 목부 영역(9)(이차 연소실이라고도 함)은, 그의 형상과 상대적 크기 및 위치로 인해, 엔진 안으로 수용된 연료와 산화제를 연소시켜 압력차를 발생시켜(그 압력차에 의해 주변 유체가 엔진 안으로 끌려 들어가고 엔진 내부에서 a) 추가 연소를 위한 산화제 또는 b) 반응 물질 중의 적어도 하나로서 사용됨), 엔진 내부에서 어떤 움직이는 부품의 사용도 없이, 쉘로부터의 반응 물질의 방출로 추력을 발생시키기 위한 "추력 발생 수단"을 집합적으로 형성한다는 것을 알 수 있다.

엔진의 적어도 하나의 실시예를 나타내고 설명했지만, 더 넓은 양태에서 본 발명을 벗어남이 없이 많은 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서 첨부된 청구 범위는 본 발명의 진정한 정신 및 범위에 속하는 모든 그러한 변경 및 수정을 포함하도록 되어 있다.

Claims

엔진으로서,
쉘(shell);
상기 쉘 내부에 위치되는 흡입구 - 흡입구를 통해 주변 유체가 상기 엔진으로 끌려 들어감 -;
상기 쉘 내부에 위치되고, 연료와 산화제의 혼합물이 연소되는 주 연소실;
상기 쉘 내부에 위치되고 상기 흡입구와 유체 연통하고, 상기 흡입구를 통해 수용된 주변 유체와 상기 주 연소실로부터 방출된 미연소 물질의 혼합물이 연소되는 이차 연소실을 포함하고,
상기 흡입구, 주 연소실, 및 이차 연소실은, 상기 엔진이 작동 중일 때, 주 연소실로부터 물질이 상기 이차 연소실 안으로 방출되어 압력차를 유발하도록 집합적으로 배치되며, 상기 압력차에 의해 주변 유체가 상기 흡입구를 통해 이차 연소실 안으로 끌려 들어가게 되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 쉘, 흡입구, 주 연소실 및 이차 연소실은 모두 단일 재료 편으로 형성되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 엔진이 작동 중일 때, 흡입구를 통해 이차 연소실 안으로 끌려 들어가는 상기 주변 유체는 이차 연소실에서 반응 물질로 사용되는, 엔진.
제3항에 있어서,
상기 엔진이 작동 중이고 또한 주변 유체가 산화제를 포함할 때, 흡입구를 통해 이차 연소실 안으로 끌려 들어가는 주변 유체 내의 산화제가 이차 연소실에서의 연소를 위해 사용되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 주 연소실은 환형으로 되어 있고, 상기 엔진의 길이방향 축선 주위에 배치되는, 엔진.
제5항에 있어서,
상기 흡입구 및 주 연소실은 발사체에 있는 엔진의 작동 동안에 엔진의 의도된 이동 방향에 대해 엔진의 전방 단부 내부에 위치되는, 엔진.
제6항에 있어서,
상기 주 연소실은 상기 쉘의 전방 단부의 내측 표면과 상기 흡입구의 외측 표면 사이에서 상기 길이방향 축선 주위에 형성되는 환형 틈을 포함하는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 이차 연소실은 상기 쉘의 내측 표면의 일부분에 의해 형성되는 목부 영역을 포함하는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 흡입구는 실질적으로 원추형이고, 발사체에 있는 엔진의 작동 동안에 엔진의 의도된 이동 방향에 대해 흡입구의 전방 개구는 흡입구의 후방 개구 보다 넓은, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 엔진은, 각기 상기 주 연소실과 유체 연통하는 산화제 포트와 연료 포트를 더 포함하고, 산화제와 연료가 각각 상기 산화제 포트와 연료 포트를 통해 상기 주 연소실 안으로 도입되는, 엔진.
제1항에 있어서,
상기 엔진은, 각기 상기 주 연소실과 유체 연통하는 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트를 더 포함하고, 산화제와 연료가 각각 상기 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트를 통해 상기 주 연소실 안으로 도입되며, 상기 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트는 상기 길이방향 중심 축선 주위에 원주 방향으로 배치되어 있는, 엔진.
엔진으로서,
엔진의 길이방향 중심 축선을 따라 형성되는 전방 단부 및 후방 단부를 갖는 쉘 - 상기 길이방향 중심 축선은, 엔진이 발사체에서 작동 중일 때 엔진의 의도된 운동 방향에 평행함 -;
주변 유체를 상기 엔진 안으로 끌어들이고, 상기 전방 단부 내부에 위치되고 엔진의 길이방향 중심 축선을 따라 배치되는 흡입구;
상기 쉘의 전방 단부의 내측 표면과 흡입구의 외측 표면 사이에서 상기 길이방향 중심축선 주위에 형성되고, 연료와 산화제의 혼합물이 연소되는 주 연소실로서 작동하도록 배치되는 환형 틈; 및
상기 전방 단부와 후방 단부 사이에서 상기 쉘의 내부의 일부분으로 형성되며 상기 흡입구와 유체 연통하고, 상기 흡입구를 통해 수용된 주변 유체와 상기 주 연소실로부터 방출되는 미연소 물질의 혼합물이 연소되는 이차 연소실을 형성하는 목부 영역을 포함하고,
상기 흡입구, 환형 틈, 및 목부 영역은, 상기 엔진이 작동 중일 때, 상기 환형 연소실로부터 물질이 상기 목부 영역 안으로 방출되어 압력차를 유발하도록 집합적으로 배치되며, 상기 압력차에 의해 주변 유체가 상기 흡입구를 통해 목부 영역 안으로 끌려 들어가게 되며, 상기 흡입구 안으로 끌려 들어가는 주변 유체는, 엔진이 작동 중일 때 상기 목부 영역에서 반응 물질로서 사용되며, 상기 쉘, 흡입구, 환형 틈 및 목부 영역은 모두 단일 재료 편으로 형성되는, 엔진.
제12항에 있어서,
상기 엔진이 작동 중일 때, 목부 영역 안으로 끌려 들어가는 주변 유체는 반응 물질로서 사용되는, 엔진.
제13항에 있어서,
상기 엔진이 작동 중이고 또한 주변 유체가 산화제를 포함할 때, 상기 목부 영역 안으로 끌려 들어가는 주변 유체 내의 산화제가 연소를 위해 사용되는, 엔진.
제12항에 있어서,
상기 엔진은, 각기 상기 주 연소실과 유체 연통하는 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트를 더 포함하고, 산화제와 연료가 각각 상기 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트를 통해 상기 주 연소실 안으로 도입되는, 엔진.
제13항에 있어서,
상기 복수의 산화제 포트와 복수의 연료 포트는 상기 길이방향 중심 축선 주위에 원주방향으로 배치되어 있는, 엔진.
엔진으로서,
쉘;
연료와 산화제가 연소를 위해 엔진 안으로 수용될 때 통과하는 복수의 포트; 및
상기 쉘 내부에 배치되는 추력(thrust) 발생 수단을 포함하고,
상기 추력 발생 수단은, 엔진 안으로 수용된 연료와 산화제를 연소시켜 압력차를 발생시켜, 엔진 내부에서 어떤 움직이는 부품의 사용도 없이, 쉘로부터의 반응 물질의 방출로 추력을 발생시키고, 상기 압력차에 의해 주변 유체가 엔진 안으로 끌려 들어가고 엔진 내부에서 a) 추가 연소를 위한 산화제 또는 b) 반응 물질 중의 적어도 하나로서 사용되는, 엔진.
제17항에 있어서,
상기 쉘 및 추력 발생 수단은 모두 단일 재료 편으로 형성되는, 엔진.
제17항에 있어서,
상기 엔진이 작동 중이고 또한 주변 유체가 산화제를 포함할 때, 엔진 안으로 끌려 들어가는 주변 유체는 연소를 위해 사용되는, 엔진.
제19항에 있어서,
상기 엔진이 작동 중이고 또한 주변 유체가 산화제를 포함하지 않을 때, 엔진 안으로 끌려 들어가는 주변 유체는 반응 물질로서 사용되는, 엔진.
추력 발생 방법으로서,
연료 및 산화제를 엔진 안으로 수용하는 단계; 및
엔진 안으로 수용된 상기 연료와 산화제를 연소시켜, 주변 유체가 엔진 안으로 끌려 들어가게 하는 압력차를 발생시키고, 또한
상기 압력차에 의해 엔진 안으로 끌려 들어온 주변 유체를 a) 추가 연소를 위한 산화제 또는 b) 반응 물질 중의 적어도 하나로서 사용함으로써,
반응 물질을 엔진으로부터 방출하여 추력을 발생시키는 단계를 포함하는, 추력 발생 방법.
제21항에 있어서,
상기 추력을 발생시키는 단계는 엔진 내부에서 어떤 움직이는 부품도 필요로 하지 않는, 방법.
제21항에 있어서,
상기 엔진 안으로 끌려 들어온 주변 유체를 반응 물질로서 사용하는 단계를 포함하는 방법.
제23항에 있어서,
상기 주변 유체가 산화제를 포함할 때, 상기 엔진 안으로 끌려 들어온 주변 유체 내의 산화제를 연소를 위한 추가 산화제로서 사용하는 단계를 더 포함하는 방법.