KR20240001832A - High performance bipropellant engine - Google Patents
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Abstract
실시예들에 따른 이원추진제 엔진은, 일 측이 추진체 본체 상에 마련되고 연료를 공급하는 연료 분사기 조립체; 상기 연료 분사기 조립체의 타 측에 배치되고, 상기 연료와 산화제가 혼합되는, 혼합실; 상기 혼합실 둘레에 배치되는, 촉매 점화기; 상기 추진체 본체로부터 상기 혼합실의 반대쪽에 배치된 연소실; 및 상기 추진체 본체로부터 상기 연소실의 반대쪽에 배치된 노즐;을 포함할 수 있고, 상기 촉매 점화기로 유입된 산화제는 촉매를 통과한 후 상기 혼합실로 공급될 수 있다.A dual propellant engine according to embodiments includes a fuel injector assembly on one side of which is provided on the propellant body and supplies fuel; a mixing chamber disposed on the other side of the fuel injector assembly, where the fuel and the oxidizer are mixed; a catalytic igniter disposed around the mixing chamber; a combustion chamber disposed on an opposite side of the mixing chamber from the propellant body; and a nozzle disposed on the opposite side of the combustion chamber from the propellant body, wherein the oxidant introduced into the catalyst igniter may be supplied to the mixing chamber after passing through the catalyst.
Description
본 발명은 고성능 이원추진제 엔진에 관한 것이다. The present invention relates to a high-performance binary propellant engine.
과산화수소 산화제는 로켓 개발 초기부터 널리 사용되었다. 대표적으로 V-2로켓의 가스발생기용 추진제로 사용되었고, 미국 머큐리 프로그램의 추력기 자세제어시스템의 추진제로도 사용되었다.Hydrogen peroxide oxidizer has been widely used since the early days of rocket development. Representatively, it was used as a propellant for the gas generator of the V-2 rocket, and was also used as a propellant for the thruster attitude control system of the U.S. Mercury program.
과산화수소는 촉매에 의해 산소와 물 분자로 쪼개지며 열을 발산한다. 이러한 발열 반응으로 인해 90 wt.% 과산화수소의 경우 약 1000 K 정도의 산소 기체 및 수증기를 발생시킬 수 있다. 이 성질을 이용하여 단일추진제 추력기의 추진제로 사용할 수도 있다. 또는 과산화수소의 분해 생성물인 고온의 산소 및 수증기 혼합 기체에 케로신 혹은 점화 가능한 물질을 분사함으로써 점화를 일으킬 수 있으며, 이렇게 생성된 연소 생성물은 기존 과산화수소 분해 생성물과 비교해 훨씬 높은 온도의 기체를 얻을 수 있어 추가적인 성능 향상을 기대할 수 있다. 이와 같이 산화제 역할을 하는 과산화수소 같은 물질과 연료 역할을 하는 물질을 분사하는 엔진을 이원추진제 엔진이라고 한다. Hydrogen peroxide is split into oxygen and water molecules by a catalyst and releases heat. Due to this exothermic reaction, oxygen gas and water vapor can be generated at about 1000 K in the case of 90 wt.% hydrogen peroxide. Using this property, it can be used as a propellant for a single propellant thruster. Alternatively, ignition can be caused by spraying kerosene or an ignitable substance into the high-temperature oxygen and water vapor mixed gas, which is a decomposition product of hydrogen peroxide. The combustion product produced in this way can be a gas of much higher temperature than the existing decomposition product of hydrogen peroxide. Additional performance improvements can be expected. An engine that injects a substance such as hydrogen peroxide, which acts as an oxidizing agent, and a substance that acts as a fuel, are called dual-propellant engines.
예를 들어, 과산화수소 이원추진제 엔진의 장점은 다음과 같다. 과산화수소는 상온에서 액체로 존재하여 액체 산소와 같은 극저온 환경에서 다뤄질 필요가 없으며, 추진제 탱크에 저장된 상태로 비교적 오래 보관할 수 있다. 또한 과산화수소의 독성이 낮아 취급 시 하이드라진과 비교해 보호 장구가 덜 필요하다. 물보다 1.4배 높은 밀도를 가지고 있어 추진제 탱크의 부피를 더 작게 설계할 수 있다. 과산화수소의 분해 생성물은 고온의 산소와 수증기 혼합 기체이므로 여러 가지 연료를 사용할 수 있다. 연료를 잘 선택하면 배출 기체가 물과 이산화탄소뿐이므로 친환경적이다. For example, the advantages of hydrogen peroxide binary propellant engines are: Hydrogen peroxide exists as a liquid at room temperature, so it does not need to be handled in cryogenic environments like liquid oxygen, and it can be stored for a relatively long time stored in a propellant tank. Additionally, due to the low toxicity of hydrogen peroxide, less protective equipment is required when handling it compared to hydrazine. It has a density 1.4 times higher than that of water, allowing the propellant tank to be designed with a smaller volume. The decomposition product of hydrogen peroxide is a high-temperature mixed gas of oxygen and water vapor, so it can be used as a variety of fuels. If the fuel is chosen well, it is environmentally friendly because the only emissions are water and carbon dioxide.
이러한 과산화수소 등 산화제의 특성을 이용하여 이원추진제 엔진에 관한 여러 연구들이 진행되고 있다.Several studies on binary propellant engines are being conducted using the characteristics of oxidizing agents such as hydrogen peroxide.
미국 등록번호 제2010-0252686 A1호에 로켓 엔진 펌프가 내연 기관에 의해 구동될 수 있게 한 방법과 장치(Method and device enabling a rocket engine pump to be driven by an internal combustion engine)가 개시되어 있다.U.S. Registration No. 2010-0252686 A1 discloses a method and device enabling a rocket engine pump to be driven by an internal combustion engine.
전술한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다. The above-mentioned background technology is possessed or acquired by the inventor in the process of deriving the disclosure of the present application, and cannot necessarily be said to be known technology disclosed to the general public before the present application.
일 실시예에 따른 목적은, 이원추진제 엔진의 촉매 점화기 내부의 압력강하를 획기적으로 감소시키면서 높은 성능을 낼 수 있는 이원추진제 엔진을 제공하는 것이다.The purpose of one embodiment is to provide a dual propellant engine that can achieve high performance while dramatically reducing the pressure drop inside the catalytic igniter of the dual propellant engine.
일 실시예에 따른 목적은, 산화제를 분해하는 촉매 점화기의 성능 및 내구성 향상을 동시에 추구할 수 있는 이원추진제 엔진을 제공하는 것이다.The purpose of one embodiment is to provide a dual propellant engine that can simultaneously improve the performance and durability of a catalytic igniter that decomposes an oxidizing agent.
일 실시예에 따른 목적은, 촉매 점화기의 유동 방향의 수직 방향 면적을 대폭 증가시킬 수 있고, 필요한 촉매 점화기 내부 부피를 확보하면서 촉매 점화기 내부 압력강하를 낮출 수 있는 이원추진제 엔진을 제공하는 것이다.The purpose of one embodiment is to provide a dual propellant engine that can significantly increase the area perpendicular to the flow direction of the catalytic igniter, secure the necessary internal volume of the catalytic igniter, and lower the pressure drop inside the catalytic igniter.
실시예들에 따른 이원추진제 엔진은, 일 측이 추진체 본체 상에 마련되고 연료를 공급하는 연료 분사기 조립체; 상기 연료 분사기 조립체의 타 측에 배치되고, 상기 연료와 산화제가 혼합되는, 혼합실; 상기 혼합실 둘레에 배치되는, 촉매 점화기; 상기 추진체 본체로부터 상기 혼합실의 반대쪽에 배치된 연소실; 및 상기 추진체 본체로부터 상기 연소실의 반대쪽에 배치된 노즐;을 포함할 수 있고, 상기 촉매 점화기로 유입된 산화제는 촉매를 통과한 후 상기 혼합실로 공급될 수 있다.A dual propellant engine according to embodiments includes a fuel injector assembly on one side of which is provided on the propellant body and supplies fuel; a mixing chamber disposed on the other side of the fuel injector assembly, where the fuel and the oxidizer are mixed; a catalytic igniter disposed around the mixing chamber; a combustion chamber disposed on an opposite side of the mixing chamber from the propellant body; and a nozzle disposed on the opposite side of the combustion chamber from the propellant body, wherein the oxidant introduced into the catalyst igniter may be supplied to the mixing chamber after passing through the catalyst.
일 측에 따르면, 상기 촉매 점화기는, 환형 형상으로 마련되는 하우징; 및 상기 하우징의 내부에 마련되고, 공급된 산화제를 분해하는 촉매;를 포함할 수 있고, 상기 하우징 내측이 상기 혼합실을 둘러싸고, 촉매를 통과한 상기 산화제가 상기 하우징 내측을 통과하여 상기 혼합실로 유입될 수 있다.According to one side, the catalytic igniter includes a housing provided in an annular shape; and a catalyst provided inside the housing to decompose the supplied oxidant, wherein the inside of the housing surrounds the mixing chamber, and the oxidizing agent that has passed through the catalyst passes through the inside of the housing and flows into the mixing chamber. It can be.
일 측에 따르면, 상기 촉매 점화기는 막냉각부 및 산화제 분사기부를 더 포함할 수 있고, 상기 막냉각부는, 상기 추진체 본체에 인접한 상기 하우징의 일 측에 마련되고, 산화제가 주입되는, 내측주입구; 및 상기 하우징 내측을 따라 마련되고, 상기 내측주입구로부터 산화제 중 일부 혹은 전부가 유입되는, 내측유로;를 포함할 수 있고, 상기 내측유로는 상기 하우징 내측을 냉각할 수 있다.According to one side, the catalytic igniter may further include a membrane cooling unit and an oxidizing agent injector unit, wherein the membrane cooling unit includes an inner inlet provided on one side of the housing adjacent to the propellant body and into which an oxidizing agent is injected; and an inner flow path provided along the inside of the housing, through which some or all of the oxidizing agent flows from the inner inlet. The inner flow path may cool the inside of the housing.
일 측에 따르면, 상기 막냉각부는, 상기 내측유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 일부를 상기 연소실의 일부에 분사하는 액막 형성부;를 더 포함할 수 있고, 상기 액막 형성부를 통하여, 상기 연소실의 일부 상에 액막이 형성될 수 있고, 상기 액막을 통하여 상기 연소실이 냉각될 수 있다.According to one side, the film cooling unit may further include a liquid film forming part connected to an end of the inner passage and spraying a portion of the oxidant to a portion of the combustion chamber, and through the liquid film forming part, the combustion chamber. A liquid film may be formed on part of the liquid film, and the combustion chamber may be cooled through the liquid film.
일 측에 따르면, 상기 산화제 분사기부는, 상기 내측유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는 외측유로; 및 상기 외측유로로부터 유입된 산화제 중 일부를 상기 촉매 상에 분사하는, 외방분사기;를 더 포함할 수 있고, 상기 외방분사기를 통하여 산화제가 촉매와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 상기 혼합실로 유입될 수 있다.According to one side, the oxidizing agent injector unit includes an outer flow path connected to an end of the inner flow path to guide another part of the oxidizing agent to the outside of the housing; and an external injector that sprays some of the oxidant introduced from the external passage onto the catalyst, wherein the oxidant reacts with the catalyst and decomposes through the external injector, and the decomposition product flows into the mixing chamber. You can.
일 측에 따르면, 상기 촉매 점화기는 재생냉각부를 더 포함할 수 있고, 상기 재생냉각부는, 상기 연소실 외부에 마련되고 산화제를 주입하는, 외측주입구; 및 상기 외측주입구로부터 상기 연소실의 일부를 따라서 상기 촉매 점화기로 연장하는 재생냉각 유로;를 더 포함할 수 있고, 상기 재생냉각 유로는 상기 외측주입구로부터 유입된 산화제 중 일부를 통해 상기 연소실과 상기 노즐의 일부 혹은 전부를 냉각할 수 있다. According to one side, the catalytic igniter may further include a regenerative cooling unit, wherein the regenerative cooling unit includes an external inlet provided outside the combustion chamber and injecting an oxidizing agent; and a regenerative cooling passage extending from the outer inlet to the catalytic igniter along a portion of the combustion chamber, wherein the regenerative cooling passage passes a portion of the oxidant introduced from the outer inlet to the combustion chamber and the nozzle. Part or all of it can be cooled.
일 측에 따르면 상기 촉매 점화기는 막냉각부를 더 포함할 수 있고, 상기 막냉각부는, 상기 연소실과 상기 하우징 사이에 마련되고, 재생냉각 유로의 단부와 연결되어 산화제 중 일부를 상기 연소실의 일부에 분사하는 액막 형성부;를 더 포함할 수 있고, 상기 액막 형성부를 통하여, 상기 연소실의 일부 상에 액막이 형성될 수 있고, 상기 액막을 통하여 상기 연소실을 추가적으로 냉각할 수 있다.일 측에 따르면, 상기 재생냉각 유로는 상기 하우징 내측을 따라 연장하고, 상기 하우징 내측을 냉각할 수 있다.According to one side, the catalytic igniter may further include a film cooling unit, and the film cooling unit is provided between the combustion chamber and the housing, and is connected to an end of the regenerative cooling passage to inject a portion of the oxidant into a portion of the combustion chamber. It may further include a liquid film forming unit, and a liquid film can be formed on a part of the combustion chamber through the liquid film forming unit, and the combustion chamber can be additionally cooled through the liquid film. According to one side, the regeneration The cooling passage may extend along the inside of the housing and cool the inside of the housing.
일 측에 따르면, 상기 재생냉각부는, 상기 하우징의 내부에 마련되고, 상기 재생냉각 유로와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는, 분배유로; 및 상기 분배유로로부터 유입된 산화제 중 일부를 상기 촉매 상에 분사하는, 분사기;를 더 포함할 수 있고, 상기 분사기를 통하여 산화제가 촉매와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 상기 혼합실로 유입될 수 있다.According to one side, the regenerative cooling unit includes: a distribution passage provided inside the housing and connected to the regenerative cooling passage to guide another part of the oxidizing agent to the outside of the housing; and an injector that injects some of the oxidant introduced from the distribution passage onto the catalyst, wherein the oxidant reacts with the catalyst and decomposes through the injector, and the decomposition product may flow into the mixing chamber. .
일 측에 따르면, 상기 분배유로는, 상기 재생냉각 유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는 1차 분배유로;를 포함할 수 있다.According to one side, the distribution passage may include a primary distribution passage connected to an end of the regenerative cooling passage to guide another portion of the oxidant to the outside of the housing.
일 측에 따르면, 상기 분배유로는, 상기 1차 분배유로로부터 산화제를 상기 분사기로 유도하여 균일하게 분배하는, 2차 분배유로;를 더 포함할 수 있다.According to one side, the distribution passage may further include a secondary distribution passage that guides the oxidant from the primary distribution passage to the injector and distributes it evenly.
일 실시예에 따른 이원추진제 엔진은, 산화제 및 염료 이원추진제 엔진의 촉매 점화기 내부의 압력강하를 획기적으로 감소시키면서 높은 성능을 낼 수 있다.The dual propellant engine according to one embodiment can achieve high performance while dramatically reducing the pressure drop inside the catalytic igniter of the oxidizer and dye dual propellant engine.
일 실시예에 따른 이원추진제 엔진은, 산화제를 분해하는 촉매 점화기의 성능 및 내구성 향상을 동시에 추구할 수 있다.The dual propellant engine according to one embodiment can simultaneously pursue improvements in the performance and durability of the catalytic igniter that decomposes the oxidizer.
일 실시예에 따른 이원추진제 엔진은, 촉매 점화기의 유동 방향의 수직 방향 면적을 대폭 증가시킬 수 있고, 필요한 촉매 점화기 내부 부피를 확보하면서 촉매 점화기 내부 압력강하를 낮출 수 있다.The dual propellant engine according to one embodiment can significantly increase the area perpendicular to the flow direction of the catalytic igniter, secure the necessary internal volume of the catalytic igniter, and lower the pressure drop inside the catalytic igniter.
도1은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 분해 결합도를 나타낸다.
도2는 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 단면도를 나타낸다.
도3은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 연료 분사기 조립체의 단면도를 나타낸다.
도4은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 촉매 점화기의 단면도를 나타낸다.
도5은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 연소실 및 노즐의 단면도를 나타낸다.
도6은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 분해 결합도를 나타낸다.
도7는 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 단면도를 나타낸다.
도8은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 연료 분사기 조립체의 단면도를 나타낸다.
도9은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 촉매 점화기의 단면도를 나타낸다.
도10은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 연소실 및 노즐의 단면도를 나타낸다.Figure 1 shows an exploded view of a binary propellant engine according to the first embodiment.
Figure 2 shows a cross-sectional view of a binary propellant engine according to the first embodiment.
Figure 3 shows a cross-sectional view of a fuel injector assembly of a binary propellant engine according to the first embodiment.
Figure 4 shows a cross-sectional view of a catalytic igniter of a binary propellant engine according to the first embodiment.
Figure 5 shows a cross-sectional view of the combustion chamber and nozzle of the binary propellant engine according to the first embodiment.
Figure 6 shows an exploded view of the binary propellant engine according to the second embodiment.
Figure 7 shows a cross-sectional view of a binary propellant engine according to the second embodiment.
Figure 8 shows a cross-sectional view of a fuel injector assembly of a binary propellant engine according to a second embodiment.
Figure 9 shows a cross-sectional view of a catalytic igniter of a binary propellant engine according to a second embodiment.
Figure 10 shows a cross-sectional view of the combustion chamber and nozzle of the binary propellant engine according to the second embodiment.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정하는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, since various changes can be made to the embodiments, the scope of the patent application is not limited or limited by these embodiments. It should be understood that all changes, equivalents, or substitutes for the embodiments are included in the scope of rights.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안 된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are for descriptive purposes only and should not be construed as limiting. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the embodiments, the detailed descriptions are omitted.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. Additionally, in describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are only used to distinguish the component from other components, and the nature, sequence, or order of the component is not limited by the term. When a component is described as being "connected," "coupled," or "connected" to another component, that component may be directly connected or connected to that other component, but there is no need for another component between each component. It should be understood that may be “connected,” “combined,” or “connected.”
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.Components included in one embodiment and components including common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless stated to the contrary, the description given in one embodiment may be applied to other embodiments, and detailed description will be omitted to the extent of overlap.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts unrelated to the description are omitted.
실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10, 20)은 산화제 및 연료 이원추진제 엔진으로 구성될 수 있으며, 일 예로, 산화제는 과산화수소 또는 과산화수소가 포함된 혼합물 혹은 아산화질소 등일 수 있다. 연소실 및 촉매 점화기의 냉각 방법에 따라 제1 실시예 및 제2 실시예로 나눠져 후술한다. 이때, 실현될 수 있는 실시예들은 이 기술된 실시예들에 한정되지 않는다. 이하, 도면들을 참조하여 실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10, 20)에 대하여 상세히 설명한다. The
도1은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 분해 결합도를 나타낸다. 도2는 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 단면도를 나타낸다. 도3은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 연료 분사기 조립체(1100)의 단면도를 나타낸다. 도4은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 촉매 점화기(1200)의 단면도를 나타낸다. 도5은 제1 실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 연소실(1400) 및 노즐(1500)의 단면도를 나타낸다.Figure 1 shows an exploded view of the
도 1을 참조하면, 제1실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)은, 일 측이 추진체 본체 상에 마련되고 연료를 공급하는 연료 분사기 조립체(1100), 연료 분사기 조립체(1100)의 타 측에 배치되고 연료와 산화제가 혼합되는 혼합실(1300), 혼합실(1300) 둘레에 배치되는 촉매 점화기(1200), 추진체 본체로부터 혼합실(1300)의 반대쪽에 배치된 연소실(1400), 및 추진체 본체로부터 연소실(1400)의 반대쪽에 배치된 노즐(1500)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the
도 3을 참조하면, 제1실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 연료 분사기 조립체(1100)는 연료를 주입하는 연료 주입구(1110), 및 주입된 연료를 연소실 내부로 분사하는 연료 분사기(1120)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3, the
도 2 및 도 4를 참조하면, 제1실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 촉매 점화기(1200)는, 환형 형상으로 마련되는 하우징(1210), 및 하우징(1210)의 내부에 마련되고, 공급된 산화제를 분해하는 촉매(1220)를 포함할 수 있다. 촉매(1220)는 공급된 산화제, 예를 들어 과산화수소를 분해할 수 있으며, 하우징 내측(12110)은 촉매가 고정되고 유출되지 않도록 방지하는 역할을 할 수 있다. 촉매 점화기(1200)로 유입된 산화제는 촉매(1220)를 통과한 후 혼합실(1300)로 공급될 수 있으며, 보다 구체적으로는 하우징 내측(1211)이 혼합실(1300)을 둘러싸고, 촉매(1220)를 통과한 산화제가 하우징 내측(1211)을 통과하여 혼합실(1300)로 유입될 수 있다.Referring to FIGS. 2 and 4, the
제1실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 촉매 점화기(1200)는, 막냉각부(1230) 및 산화제 분사기부(1240)를 포함할 수 있으며, 막냉각부(1230)는, 추진체 본체에 인접한 하우징(1210)의 일 측에 마련되고 산화제가 주입되는 내측주입구(1231), 및 하우징 내측(1211)을 따라 마련되고 내측주입구(1231)로부터 산화제 중 일부 혹은 전부가 유입되는 내측유로(1232), 내측유로(1232)의 단부와 연결되어 산화제 중 일부를 연소실(1400)의 일부에 분사하는 액막 형성부(1233)로 이어진다. 산화제 분사기부(1240)는 내측유로(1232)의 단부와 연결되어 산화제 중 다른 일부를 하우징(1210)의 외측으로 유도하는 외측유로(1241), 외측유로(1241)로부터 유입된 산화제 중 일부를 촉매(1220) 상에 분사하는 외방분사기(1242)를 포함할 수 있다. The
내측주입구(1231)로 주입된 일부 혹은 전부의 산화제는 내측유로(1232)로 분배될 수 있고, 주입된 산화제를 통해, 내측유로(1232)는 하우징 내측(1211)을 냉각할 수 있다. 이를 통해, 내측유로(1231)는 촉매 점화기(1200) 내부의 화염 때문에 발생하는 열 하중을 경감시킬 수 있다.Some or all of the oxidizing agent injected into the
내측유로(1231)를 빠져나온 산화제 중 일부를 사용하여, 액막 형성부(1233)는, 연소실(1400)을 막냉각할 수 있다. 액막 형성부(1233)를 통하여, 연소실(1400)의 일부 상에 액막이 형성되고, 액막을 통하여 연소실(1400)이 냉각될 수 있다. The liquid
막냉각으로 사용하지 않은 산화제는, 외측유로(1241)를 통해, 외방분사기(1242)에 균일하게 분배되고, 외방분사기(1242)는 촉매(1220) 상에 산화제를 분사할 수 있다. 이를 통해, 산화제가 촉매(1220)와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 혼합실(1300)로 유입될 수 있다. The oxidizing agent not used for film cooling is uniformly distributed to the
혼합실(1300)에 연소와 산화제의 분해 생성물이 혼합되고, 이어 연소실(1400)에 산화제와 연료가 연소되어, 노즐(1500)에 연소 생성물이 초음속으로 가속될 수 있다.Combustion and decomposition products of the oxidizer are mixed in the
이하, 제1실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)의 작동 원리를 자세히 후술한다.Hereinafter, the operating principle of the
도 2와 도 3을 참조하면, 제1실시예에 따른 이원추진제 엔진(10)은 연료 주입구(1110)를 통해, 외부에서 연료를 주입받을 수 있다. 연료 분사기(1120)는 연료 주입구(1110)를 통해 공급받은 연료를 혼합실(1300)에 분사할 수 있다. Referring to Figures 2 and 3, the
도 2와 도 4를 참조하면, 촉매 점화기(1200)의 막냉각부(1230)와 산화제 분사기부(1240)의 작동 원리는 다음과 같다. 내측주입구(1231)를 통해 산화제가 외부에서 공급될 수 있다. 내측주입구(1231)는 인치 혹은 미터 배관의 크기에 맞추어 가공될 수 있다.Referring to Figures 2 and 4, the operating principles of the film cooling unit 1230 and the oxidizing agent injector unit 1240 of the
내측주입구(1231)에서 공급받은 산화제는 하우징 내측(1211)에 있는 내측유로(1232)에 균일하게 분배될 수 있다. 내측유로(1232)는 하우징 내측(1211)을 둘러싼 고리 형상일 수 있으며, 단면은 다각형 혹은 원형일 수 있다. The oxidizing agent supplied from the
내측유로(1232)가 존재해야 하는 이유는 다음과 같다. 촉매 점화기(1200) 중심축에 있는 공간에서, 예를 들어 과산화수소 분해 생성물과 연료 분사기(1120)에서 분사된 연료가 만나 연소 반응을 일으킬 수 있다. 이때 2500 K 이상의 고온의 화염이 발생하므로 하우징 내측(1211)은 촉매(1220)의 유실을 방지할 뿐만 아니라 고온의 화염에도 견딜 수 있어야 한다. 따라서 내측유로(1232)에 흐르는 산화제를 이용하여 하우징 내측(1211)이 냉각될 수 있으며, 이를 통해 하우징 내측(1211)의 강건성이 유지될 수 있다. The reason why the
내측유로(1232)에서 빠져나온 산화제 중 일부는 액막 형성부(1233)를 통해 연소실(1400)의 벽면을 따라 분사될 수 있다. 연소실(1400)의 내부는 산화제와 연료의 연소 생성물이 통과할 수 있다. 이러한 연소 생성물은 고온의 기체 혼합물이며 연소실(1400)의 벽면을 손상할 수 있는 문제를 방지하기 위해, 산화제 유량의 일부가 액막 형성부(1233)를 통해 연소실(1400)의 벽면을 따라 분사됨으로써, 일종의 액막이 형성될 수 있다. 이 액막이 연소 생성물의 고열을 흡수하고 증발함으로써 연소실(1400)의 벽면을 보호할 수 있다. Some of the oxidant exiting the
액막 형성부(1233)는, 최대한 균일하고 얇게 냉각제 또는 산화제를 연소실(1400)의 벽면으로 분사할 수 있다. 액막 형성부(1233)는 동일한 구경을 가진 다수의 오리피스로 구성될 수 있다. 혹은 액막 형성부(1233)는, 시트 형태로 산화제를 분사하여 연소실(1400)의 벽면에 액막을 형성할 수도 있다. 액막 형성부(1233)는 촉매 점화기(1200)에 포함되어 있거나, 포함되지 않을 수도 있다.The liquid
산화제 분사기부(1240)의 외측유로(1241)는 액막 형성부(1233)에서 분사되지 않은 과산화수소를 외방분사기(1242)로 최대한 균일하게 공급할 수 있다. 외측유로(1241)는 고리 형태이거나 개별 외방분사기(1242)의 오리피스로 통하는 여러 개의 유로일 수 있다. The
외방분사기(1242)는 산화제를 촉매(1220)로 균일하게 분사할 수 있으며, 이를 위해 상호 대칭되는 오리피스를 다수 가공하여 샤워헤드 타입 분사기로 구성될 수 있다.The
도면 2와 도 5를 참조하면 연소실(1400) 및 노즐(1500)의 작동 원리는 다음과 같다. 연료 분사기 조립체(1100)와 촉매 점화기(1200)에서 각각 공급된 연료와 산화제가 연소실(1400)에서 만나 연소 반응을 일으킬 수 있다. 충분한 연소를 위해 연소실(1400)은 충분한 부피와 길이로 설계될 수 있다. 노즐(1500)에서 연소실(1400)에서 공급된 연소 생성물이 초음속으로 가속될 수 있다. 이렇게 가속된 가스가 분사됨으로써 추력이 생성될 수 있다. 노즐(1500)의 원리와 형태는 일반적인 압축성 유체역학에 따를 수 있으며, 도면에 기술된 대로 제한되지 않는다.Referring to Figures 2 and 5, the operating principles of the
도6은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 분해 결합도를 나타낸다. 도7는 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 단면도를 나타낸다. 도8은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 연료 분사기 조립체(2100)의 단면도를 나타낸다. 도9은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 촉매 점화기(2200)의 단면도를 나타낸다. 도10은 제2 실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 연소실(2400) 및 노즐(2500)의 단면도를 나타낸다.Figure 6 shows an exploded view of the
도 6을 참조하면, 제2실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)은, 연료 분사기 조립체(2100), 혼합실(2300), 촉매 점화기(2200), 연소실(2400), 및 노즐(2500)을 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 제2실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 연료 분사기 조립체(2100)는 연료 주입구(2110), 및 연료 분사기(2120)를 포함할 수 있다. 도 7 및 도 9를 참조하면, 제2실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 촉매 점화기(2200)는, 하우징(2210), 및 촉매(2220)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6, the
제2실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 촉매 점화기(2200)는 재생냉각부(2230)를 포함할 수 있다. 재생냉각부(2230)는, 연소실(2400) 외부에 마련되고 산화제를 주입하는 외측주입구(2231), 외측주입구(2231)로부터 연소실(2400)의 일부를 따라서 촉매 점화기(2200)로 연장하는 재생냉각 유로(2232)를 포함할 수 있다. The
재생냉각 유로(2232)는 외측주입구(2231)로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 통해 연소실(2400)과 노즐(2500)의 일부 혹은 전부를 냉각할 수 있다. 또한, 재생냉각 유로(2232)는 하우징 내측(2211)을 따라 연장할 수 있으며, 하우징 내측(2211)을 냉각할 수 있다.The
재생냉각부(2230)는, 하우징(2210)의 내부에 마련되고 재생냉각 유로(2232)와 연결되어 산화제 중 일부 혹은 전부를 하우징의 외측으로 유도하는 분배유로(2233, 2234) 및 분배유로(2233, 2234)로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 촉매(2220) 상에 분사하는 분사기(2235)를 더 포함할 수 있다. The regenerative cooling unit 2230 is provided inside the housing 2210 and is connected to the
분사기(2235)를 통하여 산화제가 촉매(2220)와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 혼합실(2300)로 유입될 수 있다.The oxidant reacts with the
분배유로(2233, 2234)는, 재생냉각 유로(2232)의 단부와 연결되어 산화제 중 다른 일부를 하우징(2210)의 외측으로 유도하는 1차 분배유로(2233), 및 1차 분배유로(2233)로부터 산화제를 분사기(2235)로 유도하여 균일하게 분배하는 2차 분배유로(2234)를 포함할 수 있다.The
이하, 제2실시예에 따른 이원추진제 엔진(20)의 작동 원리를 자세히 후술한다.Hereinafter, the operating principle of the
도 7과 도 8을 참조하면 연료 분사기 조립체(2100)의 작동 원리는 다음과 같다. 연료 주입구(2110)로 주입된 연료가 연료 분사기(2120)로 공급될 수 있다. 연료 분사기(2120)는 연료 주입구(2110)에서 공급받은 연료를 촉매 점화기(2200) 및 혼합실(2300)에 분사하는 역할을 수행할 수 있다. 7 and 8, the operating principle of the
도 7과 도 9를 참조하면, 촉매 점화기(2200)의 작동 원리는 다음과 같다. 산화제는, 연소실(2400)의 외부, 예를 들어 노즐(2500) 상에 마련된 외측주입구(2231)를 통해 주입될 수 있다. 외측주입구(2231)는 인치 혹은 미터 배관의 크기에 맞추어 구비될 수 있다. 주입된 산화제는, 외측주입구(2231)로부터 연장하여 연소실(2400) 측에 형성된 재생냉각 유료(2232)를 통해, 촉매 점화기(2200)로 공급될 수 있다. Referring to Figures 7 and 9, the operating principle of the
촉매 점화기(2200) 측에 형성된 재생냉각 유로(2232)는, 연소실(2400) 측에 형성된 재생냉각 유료(2232)로부터 연장하여 형성될 수 있으며, 촉매 점화기(2230) 중심축 공간, 예를 들어 혼합실(2300)에서 발생하는 화염의 고온으로부터 하우징 내측(2211)를 보호하는 역할을 수행할 수 있다. 촉매 점화기(2200)의 중심축 공간에서는 연료와 산화제, 예를 들어 과산화수소의 분해 생성물이 만나 연소가 진행될 수 있다. 이때 예를 들어 2500 K 이상의 고온의 화염이 발생하므로 하우징 내측(2211)이 냉각될 필요가 있다. 냉각을 수행하기 위해, 촉매 점화기(2200) 측에 형성된 재생냉각 유로(2232)는, 연소실(2400) 측에 형성된 재생냉각 유료(2232)에서 산화제를 공급받아, 하우징 내측(2211)를 냉각할 수 있다. 이후, 산화제는 1차 분배유로(2233)로 전달될 수 있다. 연소실(2400) 및 촉매 점화기(2200) 측에 형성된 재생냉각 유로(2232)의 단면은 원형이거나 다각형일 수 있다. The
1차 분배유로(2233)의 역할은 촉매 점화기(2200) 측에 형성된 재생냉각 유로(2232)에서 공급받은 산화제를 2차 분배유로(2234)에 균일하게 분배해주는 것이다. 1차 분배유로(2233)는 하우징 내측(2211)을 감싸는 고리 형태일 수 있다. The role of the
2차 분배유로(2234)는 1차 분배유로(2233)에서 공급받은 산화제를 분사기(2235)에 균일하게 분배할 수 있다. 2차 분배유로(2234)는 고리 형태이거나 분사기(2235)로 통하는 개별 유로일 수도 있다. The
분사기(2235)은 산화제 예를 들어 과산화수소를 촉매(2220)로 균일하게 분사할 수 있으며, 이를 위해 상호 대칭되는 오리피스가 다수 가공되어 샤워헤드 타입 분사기로 구비될 수 있다.The
도면 7과 도 10을 참조하면, 연소실(2400)과 노즐(2500)은 연소 생성물의 고온으로부터 보호하기 위해 재생냉각이 수행될 수 있다. 연소실(2400) 측에 형성된 재생냉각 유로(2232)는 외측주입구(2231)에서 공급받은 산화제를 이용해 연소실(2400) 및 노즐(2500)을 냉각할 수 있다. 연소실(2400) 측 재생냉각 유로(2232)는 다수의 유로로 구성될 수 있으며, 그 단면은 원형이거나 다각형일 수 있다.Referring to Figures 7 and 10, regenerative cooling may be performed on the
제3 실시예에 따른 이원추진제 엔진(미도시)는 막 냉각과 재생 냉각을 동시에 수행할 수 있다. 제3 실시예에 따른 이원추진제 엔진은, 연료 분사기 조립체, 혼합실, 촉매 점화기, 연소실 및 노즐을 포함할 수 있으며 촉매 점화기는 하우징, 촉매를 포함할 수 있다.The binary propellant engine (not shown) according to the third embodiment can simultaneously perform film cooling and regenerative cooling. The binary propellant engine according to the third embodiment may include a fuel injector assembly, a mixing chamber, a catalytic igniter, a combustion chamber, and a nozzle, and the catalytic igniter may include a housing and a catalyst.
제3 실시예에 따른 이원추진제 엔진의 촉매 점화기는 막냉각 분사기부 및 산화제 분사기부, 재생냉각부를 더 포함할 수 있다.The catalytic ignitor of the dual propellant engine according to the third embodiment may further include a film cooling injector unit, an oxidant injector unit, and a regenerative cooling unit.
재생냉각부는, 연소실 외부에 마련되고 산화제를 주입하는 외측주입구, 및 외측주입구로부터 연소실의 일부 혹은 전부를 따라서 촉매 점화기로 연장하는 재생냉각 유로, 하우징의 내부에 마련되고 재생냉각 유로와 연결되어 산화제 중 다른 일부를 연소실의 일부에 분사하는 막냉각부, 하우징의 내부에 마련되고 재생냉각 유로와 연결되어 산화제 중 일부를 하우징의 외측으로 유도하는 분배유로, 및 분배유로 및 분배유로로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 촉매 상에 분사하는, 분사기, 재생냉각 유로의 단부와 연결되어 산화제 중 다른 일부를 하우징의 외측으로 유도하는 1차 분배유로, 및 1차 분배유로로부터 산화제를 분사기로 유도하여 균일하게 분배하는, 2차 분배유로를 포함할 수 있다. 재생냉각 유로는 외측주입구로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 통해 연소실과 노즐의 일부 혹은 전부를 냉각할 수 있으며, 재생냉각 유로는 하우징 내측을 따라 연장하고, 하우징 내측을 냉각할 수 있다. 분사기를 통하여 산화제가 촉매와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 혼합실로 유입될 수 있다.The regenerative cooling unit includes an outer inlet provided outside the combustion chamber and injecting the oxidizing agent, a regenerative cooling passage extending from the outer inlet to the catalytic igniter along part or all of the combustion chamber, and a regenerative cooling passage provided inside the housing and connected to the regenerative cooling passage to inject the oxidizing agent. A film cooling unit that injects another portion into a portion of the combustion chamber, a distribution passage provided inside the housing and connected to the regenerative cooling passage to guide some of the oxidant to the outside of the housing, and a portion of the oxidant flowing in from the distribution passage or the distribution passage. An injector that injects all of the oxidant onto the catalyst, a primary distribution channel that is connected to the end of the regenerative cooling channel and guides another part of the oxidant to the outside of the housing, and an injector that guides the oxidant from the primary distribution channel to the injector and distributes it evenly. , may include a secondary distribution channel. The regenerative cooling passage can cool part or all of the combustion chamber and nozzle through some or all of the oxidant introduced from the external inlet, and the regenerative cooling passage extends along the inside of the housing and can cool the inside of the housing. Through the injector, the oxidant reacts with the catalyst and is decomposed, and the decomposition products may flow into the mixing chamber.
실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10, 20)의 연료 주입구(1110, 2110)는 인치 혹은 미터 배관의 크기에 맞추어 구비될 수 있다. 연료 분사기(1120, 2120)는 연료를 산화제 분해 생성물과 혼합될 수 있도록 혼합실(1300, 2300) 내부로 분사할 수 있다. 연료 분사기(1120, 2120)는 샤워 헤드 형태이거나, 동축형 혹은 충돌형 형태이거나, 스프레이 형태, 핀틀 분사기 등 연료를 균일하게 분사하기 위한 형태를 가질 수 있다. 실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10, 20)에 사용될 수 있는 연료는 탄화수소 계통의 액체 혹은 기체 혹은 탄화수소 혼합물일 수 있다.The
촉매 점화기(1200, 2200) 내부에 촉매(1220, 2220)가 충진될 수 있다. 촉매(1220, 2220)는 산화제 예를 들어 과산화수소를 고온의 산소와 수증기로 분해하는 장치일 수 있다. 촉매(1220)는 산화제와 반응하거나 반응하지 않는 촉매 지지체에 산화제와 격렬하게 반응하는 촉매 활성물질이 도포된 것으로 구비될 수 있다. 이때 촉매 지지체는 촉매 활성물질과 동일 물질일 수도 있고 아닐 수도 있다. 촉매(1220)의 형태는 펠렛, 그레인 형태, 메탈 시트, 메탈 폼 형태, 또는 모노리스 형태일 수 있다.A catalyst (1220, 2220) may be filled inside the catalytic igniter (1200, 2200). The
하우징 내측(1211, 2211)은 산화제, 예를 들어, 과산화수소 분해 생성물인 고온의 산소 및 수증기 혼합 기체의 흐름에 의해 촉매(1220, 2220)가 유실되지 않도록 촉매(1220, 2220)를 고정할 수 있다. 하우징 내측(1211, 2211)의 표면은 산화제 분해 생성물을 통과시킬 수 있는 구조를 구비할 수 있다. 이 구조는 다수의 원형 구멍, 또는 다각형 구멍, 혹은 방사형 구조일 수 있으며, 격자 구조일 수도 있다. The inside of the housing (1211, 2211) can fix the catalysts (1220, 2220) so that they are not lost by the flow of high-temperature oxygen and water vapor mixed gas, which is a decomposition product of oxidizing agent, for example, hydrogen peroxide. . The surface of the housing interior (1211, 2211) may have a structure that allows oxidizing agent decomposition products to pass through. This structure may be a large number of circular holes, polygonal holes, or a radial structure, or it may be a lattice structure.
실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10, 20)은 환형모양의 촉매 점화기(1200, 2200)를 이용하여, 산화제를 분해하는 촉매 점화기(1200, 2200)의 성능 및 내구성 향상을 동시에 추구할 수 있다. 촉매 점화기(1200, 2200)를 환형모양으로 배치함으로써 촉매 점화기(1200, 2200)의 유동 방향의 수직 방향 면적을 대폭 증가시킬 수 있다. 단위 면적당 흐르는 질량인 질량속과 촉매 점화기 내부 압력강하는 비례관계에 있으므로, 실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10, 20)을 통해, 높은 산화제 분해율을 유지하기 위해, 필요한 촉매 점화기(1200, 2200) 내부 부피가 확보되면서, 촉매 점화기(1200, 2200) 내부 압력강하가 낮춰질 수 있다. 이를 통해, 촉매 점화기(1200, 2200) 내부의 높은 압력강하로 인한 낮은 내구성 문제가 해결될 수 있다.The dual propellant engines (10, 20) according to the embodiments can simultaneously pursue improvements in the performance and durability of the catalytic ignitors (1200, 2200) that decompose the oxidizing agent by using the annular-shaped catalytic ignitors (1200, 2200). . By arranging the catalytic igniter (1200, 2200) in an annular shape, the area perpendicular to the flow direction of the catalytic igniter (1200, 2200) can be significantly increased. Since the mass flow, which is the mass flowing per unit area, and the pressure drop inside the catalytic igniter are proportional, in order to maintain a high oxidant decomposition rate through the binary propellant engine (10, 20) according to the embodiments, the necessary catalytic igniter (1200, 2200) ) As the internal volume is secured, the pressure drop inside the catalytic igniter (1200, 2200) can be lowered. Through this, the problem of low durability due to high pressure drop inside the catalytic igniter (1200, 2200) can be solved.
과산화수소를 이용한 이원추진제 로켓의 경우 촉매 점화기가 사용되는 경우와 사용되지 않는 경우로 나눠질 수 있다. 촉매 점화기가 사용되는 경우는 과산화수소와 연료가 접촉하였을 때 점화하는 접촉 점화성이 없는 경우이고, 촉매 점화기가 사용되지 않는 경우는 사용되는 연료가 과산화수소와 접촉하였을 때 점화되는 접촉 점화성 연료를 사용하는 경우이다. Binary propellant rockets using hydrogen peroxide can be divided into those in which a catalytic ignitor is used and those in which it is not used. When a catalytic igniter is used, there is no contact ignition property that ignites when hydrogen peroxide and fuel come into contact. When a catalytic igniter is not used, there is a case where the fuel used is a contact ignition type fuel that ignites when it comes into contact with hydrogen peroxide. This is the case.
촉매 점화기가 사용되는 경우에는, 공급되는 과산화수소 유량의 대부분 혹은 전부가 촉매 점화기에 투입되는 경우가 있고, 공급된 과산화수소 일부만 촉매 점화기에 투입되는 경우가 있다. 과산화수소의 대부분 혹은 전부가 촉매 점화기에 투입되는 경우, 연료와 만나는 산화제의 구성은 과산화수소 분해 생성물인 고온의 산소 및 수증기 혼합 기체이기 때문에 연료의 점화가 신속하고 확실하다. 그러나 촉매 점화기가 감당해야 하는 과산화수소 유량이 많으므로 촉매 점화기의 내구성을 확보할 필요가 있다. 촉매 점화기에 과산화수소 일부 유량만 투입되는 경우, 촉매 점화기에 흐르는 유량이 적으므로 촉매 점화기의 수명에 문제가 발생하지 않을 가능성이 크나, 연소실 내부에서 액체 상태의 과산화수소와 연료가 만나므로 점화 순서를 잘 설계해야 신뢰성 있는 점화가 수행될 수 있다. When a catalytic igniter is used, most or all of the supplied hydrogen peroxide flow rate may be input into the catalytic igniter, and only a portion of the supplied hydrogen peroxide may be input into the catalytic igniter. When most or all of the hydrogen peroxide is input into the catalytic igniter, ignition of the fuel is rapid and certain because the composition of the oxidant that meets the fuel is a high-temperature oxygen and water vapor mixed gas, which is a decomposition product of hydrogen peroxide. However, since the hydrogen peroxide flow rate that the catalytic igniter must handle is large, it is necessary to ensure the durability of the catalytic igniter. If only a partial flow rate of hydrogen peroxide is input to the catalytic igniter, there is a high possibility that there will be no problem with the life of the catalytic igniter because the flow rate flowing to the catalytic igniter is small. However, since liquid hydrogen peroxide and fuel meet inside the combustion chamber, the ignition sequence must be designed well. Only then can reliable ignition be performed.
촉매 점화기 내부에서는 촉매와 과산화수소가 접촉하여 과산화수소가 물과 산소로 분해된다. 이때 90 wt.% 과산화수소를 사용하면 단열분해온도는 약 1000 K, 95 wt.%를 사용하였을 때 1100 K 정도이다. 투입된 과산화수소의 분해가 완료되었을 때 과산화수소 분사기 내부 기체는 1000 K 이상의 고온의 산소와 수증기가 혼합된 상태가 된다. 이러한 기체가 촉매 사이를 흐를 때 높은 압력강하가 발생하게 된다. 이러한 압력강하가 촉매 점화기에 충진된 촉매에 큰 압축하중을 발생시키고 촉매를 파손시킨다. 지속적이고 반복적으로 이원추진제 추력기가 작동된다면 촉매 점화기 내부의 압력강하로 인해 파손되는 촉매의 양이 늘어난다. 파손된 촉매가 많아질수록 촉매 점화기의 성능이 감소하며, 촉매 파손량이 임계점을 넘을 경우 유동 저항이 매우 커져 과산화수소 흐름이 멈출 수 있다. 이 경우 촉매 점화기 자체가 역할을 하지 못할 수도 있다. Inside the catalytic igniter, the catalyst and hydrogen peroxide come into contact, and hydrogen peroxide decomposes into water and oxygen. At this time, when 90 wt.% hydrogen peroxide is used, the adiabatic decomposition temperature is about 1000 K, and when 95 wt.% is used, it is about 1100 K. When the decomposition of the introduced hydrogen peroxide is completed, the gas inside the hydrogen peroxide injector becomes a mixture of high temperature oxygen and water vapor of over 1000 K. When these gases flow between catalysts, a high pressure drop occurs. This pressure drop generates a large compressive load on the catalyst filled in the catalytic igniter and destroys the catalyst. If the binary propellant thruster is operated continuously and repeatedly, the amount of catalyst damaged increases due to the pressure drop inside the catalytic igniter. As the number of damaged catalysts increases, the performance of the catalytic igniter decreases, and if the amount of catalyst damage exceeds a critical point, the flow resistance becomes very large and the flow of hydrogen peroxide may stop. In this case, the catalytic igniter itself may not do its job.
촉매 점화기 내부에서 발생하는 압력강하는 여러 가지 요인으로 발생한다. 그 중 촉매 점화기의 형상에서 기인하는 인자는 질량속과 촉매 점화기 길이이다. 촉매 점화기 내부 압력강하와 질량속과 촉매 점화기 길이와의 관계는 다음과 같다. The pressure drop that occurs inside the catalytic igniter is caused by several factors. Among them, the factors resulting from the shape of the catalytic igniter are the mass flux and the length of the catalytic igniter. The relationship between the internal pressure drop and mass of the catalytic igniter and the length of the catalytic igniter is as follows.
(ΔP는 압력강하, G는 질량속, L은 촉매 점화기 길이) (ΔP is pressure drop, G is mass flux, L is catalytic igniter length)
따라서 촉매 점화기의 압력강하가 감소되려면 질량속이 감소되거나 촉매 점화기 길이가 감소되어야 한다. 실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10, 20)은 환형모양 촉매 점화기(1200, 2200)를 적용함으로써 촉매 점화기(1200, 2200)의 유동 방향의 수직 방향 면적이 대폭 증가한 면적으로 확보될 수 있다. 그럼으로써 촉매 점화기(1200, 2200)의 일정 부피에 비해 질량속이 현저히 감소될 수 있으며, 촉매 점화기(1200, 2200) 내부의 압력강하가 현저히 감소될 수 있다. 또한 질량속이 감소된 만큼 촉매 점화기(1200, 2200)의 증가된 길이가 확보되어, 촉매(1220, 2220)의 충진 부피가 증가할 수 있으므로 산화제 예를 들어 과산화수소 분해 성능 또한 충분히 확보될 수 있다. Therefore, in order to reduce the pressure drop of the catalytic igniter, the mass flux must be reduced or the length of the catalytic igniter must be reduced. The
실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10,20)을 통해, 과산화수소 등 산화제 이원추진제 엔진의 촉매 점화기 내부의 압력강하를 획기적으로 감소시키면서도 높은 성능을 낼 수 있는 엔진 형태가 제안될 수 있다.Through the
실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10,20)을 통해, 환형모양 촉매 점화기(1200, 2200)와 함께 사용할 수 있는 냉각 방법도 제안될 수 있다.Through the binary propellant engine (10, 20) according to the embodiments, a cooling method that can be used with the annular-shaped catalytic igniter (1200, 2200) can also be proposed.
실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10,20)을 통해, 촉매 점화기(1200, 2200) 내 압력 강하량이 약 10 bar등 매우 커서 촉매 점화기의 장수명을 보장하지 못하는 문제가 방지될 수 있다.Through the
실시예들에 따른 이원추진제 엔진(10,20)을 통해, 촉매 점화기(1200, 2200)의 압력강하를 낮추기 위한 촉매 변경으로 인해, 촉매 점화기(1200, 2200)의 성능도 같이 감소하고 이에 따라 이원추진제 엔진 자체의 성능도 감소하는 문제가 방지될 수 있다.Through the
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the embodiments have been described with limited drawings as described above, those skilled in the art can apply various technical modifications and variations based on the above. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or components of the described system, structure, device, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components are used. Alternatively, appropriate results may be achieved even if substituted or substituted by an equivalent.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims also fall within the scope of the following claims.
10 : 제1실시예에 따른 이원추진제 엔진
1100 : 연료 분사기 조립체
1110 : 연료 주입구
1120 : 연료 분사기
1200 : 촉매 점화기
1210 : 하우징
1211 : 하우징 내측
1220 : 촉매
1230 : 막냉각부
1231 : 내측주입구
1232 : 내측유로
1233 : 액막 형성부
1240 : 산화제 분사기부
1241 : 외측유로
1242 : 외방분사기
1300: 혼합실
1400 : 연소실
1500 : 노즐
20 : 제2실시예에 따른 이원추진제 엔진
2100 : 연료 분사기 조립체
2110 : 연료 주입구
2120 : 연료 분사기
2200 : 촉매 점화기
2210 : 하우징
2211 : 하우징 내측
2220 : 촉매
2230 : 재생냉각부
2231 : 외측주입구
2232 : 재생냉각 유로
2233 : 1차 분배유로
2234 : 2차 분배유로
2235 : 분사기
2300: 혼합실
2400 : 연소실
2500 : 노즐10: Bipropellant engine according to the first embodiment
1100: Fuel injector assembly
1110: fuel inlet
1120: fuel injector
1200: Catalytic igniter
1210: housing
1211: Inside housing
1220: catalyst
1230: Membrane cooling unit
1231: Inner injection port
1232: Internal flow passage
1233: Liquid film forming part
1240: Oxidizing agent spray unit
1241: External flow path
1242: Outward sprayer
1300: Mixing room
1400: combustion chamber
1500: nozzle
20: Bipropellant engine according to the second embodiment
2100: Fuel injector assembly
2110: fuel inlet
2120: fuel injector
2200: Catalytic Igniter
2210: housing
2211: Inside housing
2220: catalyst
2230: Regenerative cooling unit
2231: External inlet
2232: Regenerative cooling channel
2233: 1st distribution channel
2234: 2nd distribution channel
2235: sprayer
2300: Mixing room
2400: combustion chamber
2500: nozzle
Claims (11)
연료 분사기 조립체의 타 측에 배치되고, 상기 연료와 산화제가 혼합되는, 혼합실;
상기 혼합실 둘레에 배치되는, 촉매 점화기;
상기 추진체 본체로부터 상기 혼합실의 반대쪽에 배치된 연소실; 및
상기 추진체 본체로부터 상기 연소실의 반대쪽에 배치된 노즐;
을 포함하고,
상기 촉매 점화기로 유입된 산화제는 촉매를 통과한 후 상기 혼합실로 공급되는,
이원추진제 엔진.
A fuel injector assembly on one side provided on the propellant body and supplying fuel;
a mixing chamber disposed on the other side of the fuel injector assembly, where the fuel and oxidizer are mixed;
a catalytic igniter disposed around the mixing chamber;
a combustion chamber disposed on an opposite side of the mixing chamber from the propellant body; and
a nozzle disposed on an opposite side of the combustion chamber from the propellant body;
Including,
The oxidant introduced into the catalyst igniter passes through the catalyst and is then supplied to the mixing chamber.
Bipropellant engine.
상기 촉매 점화기는,
환형 형상으로 마련되는 하우징; 및
상기 하우징의 내부에 마련되고, 공급된 산화제를 분해하는 촉매;
를 포함하고,
상기 하우징 내측이 상기 혼합실을 둘러싸고, 촉매를 통과한 상기 산화제가 상기 하우징 내측을 통과하여 상기 혼합실로 유입되는,
이원추진제 엔진.
According to paragraph 1,
The catalytic igniter,
A housing provided in an annular shape; and
a catalyst provided inside the housing and decomposing the supplied oxidant;
Including,
The inside of the housing surrounds the mixing chamber, and the oxidizing agent that has passed through the catalyst passes through the inside of the housing and flows into the mixing chamber.
Bipropellant engine.
상기 촉매 점화기는 막냉각부를 더 포함하고,
상기 막냉각부는,
상기 추진체 본체에 인접한 상기 하우징의 일 측에 마련되고, 산화제가 주입되는, 내측주입구; 및
상기 하우징 내측을 따라 마련되고, 상기 내측주입구로부터 산화제 중 일부 혹은 전부가 유입되는, 내측유로;
를 포함하고,
상기 내측유로는 상기 하우징 내측을 냉각하는,
이원추진제 엔진.
According to paragraph 2,
The catalytic igniter further includes a film cooling unit,
The membrane cooling unit,
an inner inlet provided on one side of the housing adjacent to the propellant body, into which an oxidizing agent is injected; and
an inner flow path provided along the inside of the housing, through which some or all of the oxidizing agent flows from the inner inlet;
Including,
The inner flow path cools the inside of the housing,
Bipropellant engine.
상기 막냉각부는,
상기 내측유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 일부를 상기 연소실의 일부에 분사하는 액막 형성부;
를 더 포함하고,
상기 액막 형성부를 통하여, 상기 연소실의 일부 상에 액막이 형성되고, 상기 액막을 통하여 상기 연소실이 냉각되는,
이원추진제 엔진.
According to paragraph 3,
The membrane cooling unit,
a liquid film forming portion connected to an end of the inner flow path to spray a portion of the oxidant into a portion of the combustion chamber;
It further includes,
A liquid film is formed on a part of the combustion chamber through the liquid film forming unit, and the combustion chamber is cooled through the liquid film.
Bipropellant engine.
상기 촉매 점화기는 산화제 분사기부를 더 포함하고,상기 산화제 분사기부는,
상기 내측유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는 외측유로; 및
상기 외측유로로부터 유입된 산화제 중 일부를 상기 촉매 상에 분사하는, 외방분사기;
를 더 포함하고,
상기 외방분사기를 통하여 산화제가 촉매와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 상기 혼합실로 유입되는,
이원추진제 엔진.
According to clause 3,
The catalytic igniter further includes an oxidant injector unit, the oxidant injector unit,
an outer passage connected to an end of the inner passage to guide another portion of the oxidizing agent to the outside of the housing; and
an external injector that injects some of the oxidant introduced from the external passage onto the catalyst;
It further includes,
Through the external injector, the oxidant reacts with the catalyst and is decomposed, and the decomposition product flows into the mixing chamber.
Bipropellant engine.
상기 촉매 점화기는 재생냉각부를 더 포함하고,
상기 재생냉각부는,
상기 연소실 외부에 마련되고 산화제를 주입하는, 외측주입구; 및
상기 외측주입구로부터 상기 연소실의 일부 혹은 전부를 따라서 상기 촉매 점화기로 연장하는 재생냉각 유로;
를 포함하고,
상기 재생냉각 유로는 상기 외측주입구로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 통해 상기 연소실과 상기 노즐의 일부 혹은 전부를 냉각하는,
이원추진제 엔진.
According to paragraph 2,
The catalytic igniter further includes a regenerative cooling unit,
The regenerative cooling unit,
An outer injection port provided outside the combustion chamber and injecting an oxidizing agent; and
a regenerative cooling flow path extending from the outer inlet to the catalytic igniter along part or all of the combustion chamber;
Including,
The regenerative cooling passage cools part or all of the combustion chamber and the nozzle through some or all of the oxidant introduced from the external inlet,
Bipropellant engine.
상기 재생냉각 유로는 상기 하우징 내측을 따라 연장하고, 상기 하우징 내측을 냉각하는,
이원추진제 엔진.
According to clause 6,
The regenerative cooling passage extends along the inside of the housing and cools the inside of the housing.
Bipropellant engine.
상기 재생냉각부는,
상기 하우징의 내부에 마련되고, 상기 재생냉각 유로와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부 혹은 전부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는, 분배유로; 및
상기 분배유로로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 상기 촉매 상에 분사하는, 분사기;
를 더 포함하고,
상기 분사기를 통하여 산화제가 촉매와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 상기 혼합실로 유입되는,
이원추진제 엔진.
According to clause 6,
The regenerative cooling unit,
a distribution passage provided inside the housing and connected to the regenerative cooling passage to guide some or all of the oxidizing agent to the outside of the housing; and
an injector that injects some or all of the oxidant introduced from the distribution passage onto the catalyst;
It further includes,
Through the injector, the oxidant reacts with the catalyst and is decomposed, and the decomposition product flows into the mixing chamber.
Bipropellant engine.
상기 분배유로는,
상기 재생냉각 유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는 1차 분배유로;
를 포함하는,
이원추진제 엔진.
According to clause 8,
The distribution flow path is,
a primary distribution passage connected to an end of the regenerative cooling passage to guide another portion of the oxidant to the outside of the housing;
Including,
Bipropellant engine.
상기 분배유로는,
상기 1차 분배유로로부터 산화제를 상기 분사기로 유도하여 균일하게 분배하는, 2차 분배유로;
를 포함하는,
이원추진제 엔진.
According to clause 9,
The distribution flow path is,
a secondary distribution channel that guides the oxidant from the primary distribution channel to the sprayer and distributes it evenly;
Including,
Bipropellant engine.
상기 촉매 점화기는 재생냉각부를 더 포함하고,
상기 재생냉각부는,
상기 연소실 외부에 마련되고 산화제를 주입하는, 외측주입구; 및
상기 외측주입구로부터 상기 연소실의 일부 혹은 전부를 따라서 상기 촉매 점화기로 연장하는 재생냉각 유로;
를 포함하고,
상기 촉매 점화기는 막냉각부를 더 포함하고,
상기 막냉각부는,
상기 추진체 본체에 인접한 상기 하우징의 일 측에 마련되고, 상기 재생냉각 유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부를 상기 연소실의 일부에 분사하는 액막 형성부;
를 포함하고,
상기 촉매 점화기는,
상기 하우징의 내부에 마련되고, 상기 재생냉각 유로와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부 혹은 전부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는, 분배유로;
상기 분배유로로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 상기 촉매 상에 분사하는, 분사기;
상기 재생냉각 유로의 단부와 연결되어 상기 산화제 중 다른 일부를 상기 하우징의 외측으로 유도하는 1차 분배유로; 및
상기 1차 분배유로로부터 산화제를 상기 분사기로 유도하여 균일하게 분배하는, 2차 분배유로;
를 더 포함하고,
상기 재생냉각 유로는 상기 외측주입구로부터 유입된 산화제 중 일부 혹은 전부를 통해 상기 연소실과 상기 노즐의 일부 혹은 전부를 냉각하고,
상기 재생냉각 유로는 상기 하우징 내측을 따라 연장하고, 상기 하우징 내측을 냉각하고,
상기 분사기를 통하여 산화제가 촉매와 반응하여 분해되고, 분해 생성물이 상기 혼합실로 유입되고,
상기 액막 형성부를 통하여, 상기 연소실의 일부 상에 액막이 형성되고, 상기 액막을 통하여 상기 연소실이 냉각되는,
이원추진제 엔진.
According to paragraph 2,
The catalytic igniter further includes a regenerative cooling unit,
The regenerative cooling unit,
An outer injection port provided outside the combustion chamber and injecting an oxidizing agent; and
a regenerative cooling flow path extending from the outer inlet to the catalytic igniter along part or all of the combustion chamber;
Including,
The catalytic igniter further includes a film cooling unit,
The membrane cooling unit,
a liquid film forming portion provided on one side of the housing adjacent to the propellant body and connected to an end of the regenerative cooling passage to spray another portion of the oxidant into a portion of the combustion chamber;
Including,
The catalytic igniter,
a distribution passage provided inside the housing and connected to the regenerative cooling passage to guide some or all of the oxidizing agent to the outside of the housing;
an injector that injects some or all of the oxidant introduced from the distribution passage onto the catalyst;
a primary distribution passage connected to an end of the regenerative cooling passage to guide another portion of the oxidant to the outside of the housing; and
a secondary distribution channel that guides the oxidant from the primary distribution channel to the sprayer and distributes it evenly;
It further includes,
The regenerative cooling passage cools part or all of the combustion chamber and the nozzle through some or all of the oxidant introduced from the external inlet,
The regenerative cooling passage extends along the inside of the housing and cools the inside of the housing,
Through the injector, the oxidant reacts with the catalyst and is decomposed, and the decomposition product flows into the mixing chamber,
A liquid film is formed on a part of the combustion chamber through the liquid film forming unit, and the combustion chamber is cooled through the liquid film.
Bipropellant engine.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220078614A KR20240001832A (en) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | High performance bipropellant engine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020220078614A KR20240001832A (en) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | High performance bipropellant engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20240001832A true KR20240001832A (en) | 2024-01-04 |
Family
ID=89542579
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1020220078614A KR20240001832A (en) | 2022-06-28 | 2022-06-28 | High performance bipropellant engine |
Country Status (1)
Country | Link |
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-
2022
- 2022-06-28 KR KR1020220078614A patent/KR20240001832A/en unknown
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