KR101301338B1 - 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 단열재 내부에 불활성 기체가 충진되므로, 단열재가 열로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있고, 전도와 복사 열 전달을 동시에 차단할 수 있는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 발사체의 외면에 부착되는 단열재에 있어서, 단열재의 내부에는 기공이 형성되고, 기공에는 불활성 기체가 충진되어, 주변 압력이 진공이 되면 불활성 기체가 단열재의 외부로 빠져나오는 것을 특징으로 한다.

Description

진공 탈기 방식의 발사체용 단열재{THERMAL INSULATOR FOR PROJECTILES OF VACUUM DEGASSING METHOD}

본 발명은 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재에 관한 것으로, 구체적으로 본 발명은 단열재 내부에 불활성 기체가 충진되므로, 단열재가 열로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있고, 전도와 복사 열 전달을 동시에 차단할 수 있는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재에 관한 것이다.

일반적으로 단열재는 높은 열용량과 낮은 열전도도를 갖는 재질로 만들어져 외부에서 열이 가해져도 온도가 서서히 증가하거나 내부로 전달되는 것을 방지하는 역할을 하게 된다.

고속으로 비행하는 발사체는 추진 기관의 연소나 고속 비행으로 인한 대기마찰로 인하여 비행체 외면이 고온·고압의 환경에 노출된다. 우주선의 경우, 대기 밖에서는 태양으로부터의 복사 열전달을 차단하여야 하고, 대기 진입 시에는 공기와의 마찰로 인해 우주선의 표면온도가 상승하므로 전도 열전달에 대한 단열도 필요하다.

일반적으로 열전달을 차단하기 위한 방법으로, 산업체나 파워 플랜트, 배관 설비 등 고온 환경에서는 전도열전달을 차단할 수 있는 폼(form) 형태의 단열재가 사용되며, 우주 발사체와 같이 우주 환경에 노출되는 인공위성 등에는 복사열전달을 차단하는 필름(film) 형태의 단열재가 사용된다. 그러나, 폼 형태의 단열재는 열전달 계수가 작으므로 전도에 의한 열전달을 차단할 수 있는데, 단열재를 두껍게 적층하여 사용한다.

그러나, 발사체 중에서 공력 가열이 심한 선단부 또는 로켓 엔진의 고온의 배기가스에 노출되는 하단부의 경우에는 비행 중 산소와의 접촉을 통해 단열재가 열에 의해 손상되는 것을 방지하기 어려운 문제가 있다.

또한, 필름 형태의 단열재는 복사 흡수율이 낮으므로 복사에 의한 열전달을 차단할 수 있는데, 차단할 수 있는 열량에 한계가 있어, 외부에서 유입되는 열량이 큰 경우에는 완벽한 열차단이 어려운 문제가 있다.

이외에도, 폼 형태의 단열재와 필름 형태의 단열재는 각각 전도, 복사에 의한 열전달에 대한 단열 성능만 있기 때문에, 전도 및 복사 열전달이 혼재되어 있는 환경에서 기존의 단열재는 충분한 단열효과를 기대할 수 없다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 단열재 내부에 불활성 기체가 충진되므로, 단열재가 열로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 단열재에 코팅층을 더 형성하여 충진된 불활성 기체가 소정의 압력 차이가 발생된 상태에서 빠져나가므로 효율적인 단열이 이루어지는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 전도와 복사 열 전달을 동시에 차단할 수 있는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재을 제공하는 것이다.

상기와 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재는 발사체의 외면에 부착되고, 단열재의 내부에는 기공이 형성되고, 기공에는 불활성 기체가 충진되어, 주변 압력이 진공이 되면 불활성 기체가 단열재의 외부로 빠져나오는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재는 열경화성 수지로 이루어지고, 기공은 열경화성 수지가 발포되면서 형성된 기포인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재는 열경화성 수지와 다공성 분말이 혼련 성형되어 이루어지고, 기공은 열경화성 수지가 발포되면서 형성된 기포, 다공성 분말 사이의 공극 및 다공성 분말의 내부 공간(pore)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재는 다공성 분말을 판 형상으로 성형하여 이루어지고, 기공은 다공성 분말 사이의 공극 및 다공성 분말의 내부 공간(pore)인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 외주면에는 코팅층이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재에 의하면, 단열재 내부에 불활성 기체가 충진되므로, 단열재가 열로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재에 의하면, 코팅층을 더 형성하여 충진된 불활성 기체가 소정의 압력 차이가 발생된 상태에서 빠져나가기 때문에 효율적이다.

또한, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재에 의하면, 전도와 복사 열 전달을 동시에 차단할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재를 도시하는 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제1실시예를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제2실시예를 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제3실시예를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제4실시예를 도시하는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 발사체용 단열재 내부에 불활성 기체를 주입하는 모습을 도시하는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 단열재의 내부에서 불활성 기체가 빠져나오는 모습을 도시하는 개념도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재는 발사체는 물론, 그 내부 탑재물을 외부의 열전달로부터 보호하는 역할을 한다.

그리고 본 발명에서 발사체란 지구 중력장에서 벗어나도록 하는 로켓 장치에만 한정되는 것은 아니며, 지구의 대기권 중에서도 고도 10km 이상에서 비행하는 발사체도 포함하는 것이다. 따라서, 본 발명에서 진공의 의미는 일반적으로 해석되는 1/1000㎜Hg 정도 이하의 저압은 물론, 지상에서부터 고도 10km 이상의 높이에 해당하는 대기압의 압력까지 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재를 도시하는 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재(1)는 단열재(1)의 내부에는 기공(11)이 형성되고, 상기 기공(11)에는 불활성 기체가 충진되어, 주변 압력이 진공이 되면 상기 불활성 기체가 상기 단열재(1)의 외부로 빠져나오는 것이다.

본 발명에 따른 단열재(1)는 도 1과 같이 열경화성 수지(10)로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 내부에 기공이 형성될 수 있는 것이라면 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 불활성 기체는 발사체(200)의 외면에 가해지는 고온의 열을 차단하고, 특히 산소와의 접촉을 막아 단열재(1)가 연소되는 것을 방지하는 역할을 한다.

그리고 본 발명에 따른 불활성 기체는 헬륨, 네온, 아르곤 등은 물론, 질소(N₂) 및 탄산 가스(CO₂)와 같이 화학적으로 반응성이 약한 기체도 포함한다.

도 2는 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제1실시예를 도시하는 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 단열재(1a)는 열경화성 수지로 이루어지고, 기공(11)은 상기 열경화성 수지가 발포되면서 형성된 기포(110)로 이루어질 수 있으며, 불활성 기체는 상기 기포(110) 내로 충진된다. 불활성 기체가 기포(110) 내로 충진되는 과정에 대해서는 도 7을 참조하여 후술하도록 한다.

본 발명의 단열재(1)는 내열성이 우수한 열경화성 수지(10)를 사용할 수 있으며, 특히 페놀 수지는 난연성, 내열성, 저발연성, 가공성 및 높은 단열성을 가지기 때문에 바람직하다. 그리고 페놀 수지를 발포하기 위해서는 페놀 수지와 정포제, 발포제, 산성경화제 및 난연제 등의 첨가제를 첨가하여 발포시키게 된다. 다만, 발포 조건 및 첨가제의 조성은 단열재를 제조하는 업계에서 널리 알려진 사항에 해당하므로, 자세한 설명은 생략한다.

또한, 단열재의 재료로서 반드시 열경화성 수지만이 사용되어야 하는 것은 아니며, 난연성과 내열성이 우수한 재질이라면 열가소성 수지는 물론, 열경화성 수지와 열가소성 수지를 혼합하여 사용할 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제2실시예를 도시하는 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단열재(1b)는 열경화성 수지와 다공성 분말(20)이 혼련 성형되어 이루어질 수 있다.

본 발명의 다공성 분말(20)은 콜크(cork), 제올라이트(zeolite)와 같은 다공성 세라믹을 분말로 제조한 것을 예시할 수 있다. 다공성 분말(20)이 첨가되는 양과 입도는 단열재(1b)의 물성 향상에 영향을 주게 된다. 따라서 다공성 분말(20)과 상기 수지가 혼합되는 상대적인 양 및 다공성 분말의 입도는 단열재의 두께와 부착되는 위치 등을 고려하여 적절히 조절할 수 있으므로, 특별한 제한 없이 다양한 범위로 설계될 수 있다.

그리고 다공성 분말(20)을 혼련 성형하는 경우에는 열경화성 수지만을 사용하여 성형하는 것과 비교할 때 단열재의 난연성과 내열성과 같은 화학적 물성은 물론, 기계적 물성도 향상될 수 있다.

그리고 불활성 기체가 충진되는 기공(11)은 상기 열경화성 수지가 발포되면서 형성된 기포, 상기 다공성 분말과 분말 사이의 공극 및 상기 다공성 분말의 내부 공간(pore)을 포함하는 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제3실시예를 도시하는 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단열재(1c)는 다공성 분말(20)을 판 형상으로 성형하여 이루어질 수 있다. 이때 소정의 바인더 수지가 사용될 수 있고, 바인더 수지로는 실리콘과 같이 내열성이 강한 것이 사용될 수 있다.

한편, 상기 기공은 상기 다공성 분말 사이의 공극(111) 및 상기 다공성 분말(20)의 내부 공간(pore)으로 이루어질 수 있다.

그리고 불활성 기체를 상기 기공에 충진하는 방법으로는 불활성 기체가 과량으로 공급되는 분위기의 챔버에서 다공성 분말을 성형하는 것이다.

즉 먼저 다공성 분말을 건조시켜 내부 공간(pore)에 있는 수분을 제거한 상태에서 불활성 기체 분위기의 챔버에 넣어 내부 공간(pore)에 불활성 기체가 유입되도록 한 후, 소정의 바인더 수지를 이용하여 판 형상으로 성형하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재의 제4실시예를 도시하는 단면도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단열재(1d)의 외주면에는 코팅층(30)이 더 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 코팅층(30)은 복사 가열을 막는 역할과 주변 압력이 진공 상태가 되기 전까지 불활성 기체가 외부로 빠져나가는 것을 방지하는 역할을 수행한다.

본 발명의 코팅층(30)은 반사율과 내열성이 우수한 재질이라면 특별히 제한할 필요는 없으며, 예를 들어, 알루미늄 분말과 같은 금속 분말로 코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 코팅층(30)의 두께는 소정의 고도 또는 진공도에서 단열재 내부의 기체가 빠져나올 수 있는 두께로 형성되어야 하고, 대략 0.1㎛~5㎜의 범위에서 결정될 수 있다.

따라서, 발사체(200)가 발사된 직후의 온도 및 압력 하에서는 코팅층(30)에 의해 단열재(1d) 내의 기포(110)에 있는 불활성 기체가 외부로 빠져나가지 못하게 된다.

그러나 지상에서 발사된 발사체의 고도가 상승하면서 공력 가열 및 엔진 배기 가스의 플룸 가열 등에 의하여 발사체 외면의 온도가 상승하게 된다. 이와 같은 고온 상태에서, 단열재 내부의 불활성 기체의 압력과 외부 압력의 차이가 생기는 경우에는 얇은 코팅층에 틈이 발생하게 되며, 그 틈을 통해 내부의 불활성 기체가 빠져나오게 된다.

한편, 코팅층(30)을 형성하는 방법으로, 알루미늄 분말을 이용하여 10 마이크로 (㎛) 미만의 두께로 코팅층을 형성하기 위해서는 스퍼터링(sputtering) 방식을 이용할 수 있다.

그리고 코팅층(30)을 10 마이크로(㎛)를 초과하는 두께로 형성하기 위해서는 알루미늄 분말을 점착성 수지 등과 혼합하여 스프레이 또는 도포하는 방식을 이용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 발사체용 단열재 내부에 불활성 기체를 주입하는 모습을 도시하는 개념도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 몰드(100)에 열경화성 수지(10)를 넣고 발포시키게 되면 발포 가스가 발생하면서 기포(110)가 생성된다.

먼저, 열경화성 수지(10)의 발포가 시작되면 몰드(100)에 형성된 유입구를 통해 불활성 기체를 몰드(100) 내로 과량 주입하고, 과량으로 주입되는 불활성 가스는 경화되지 않은 기포(110) 내로 침투하게 된다. 여기에서 발포 가스란 수지가 발포되는 화학반응에서 발생되는 가스를 의미한다.

이렇게, 불활성 가스를 기포 내부로 주입하는 과정은 열경화성 수지가 경화되기 전까지 수행할 수 있고, 기포 내부에는 발포 가스가 불활성 기체로 치환된 상태에서 경화가 이루어진다.

그리고 단열재에 충진되는 불활성 기체의 양은 단열재의 두께 및 발포되는 정도에 의해 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 불활성 기체는 헬륨, 네온, 아르곤과 같이 주기율표 상의 불활성 기체는 물론, 질소(N₂)와 탄산 가스(CO₂)와 같이 화학적으로 반응성이 약한 기체도 포함한다.

도 7은 본 발명의 단열재의 내부에서 불활성 기체가 빠져나오는 모습을 도시하는 개념도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단열재는 발사체(200)의 외면에 부착될 수 있다. 그리고 발사체 중에서도 열 또는 압력의 영향이 상대적으로 큰 발사체의 선단부(201)와 로켓 엔진이 장착되는 하단부(202)에 부착될 때 단열 효과와 발화 방지 효과가 탁월하다.

즉, 발사체(200)의 선단부(201)의 경우에는 공력 가열과 강한 압력을 받게 되고, 단열재의 기공에서 빠져나오는 질소(N₂)와 같은 불활성 기체에 의해 단열재와 대기 중의 산소가 접촉하는 것이 방지되며, 상대적으로 낮은 온도의 불활성 기체에 의해 단열재의 온도가 연소되는 것을 방지할 수 있게 된다.

상기한 불활성 기체의 작용은 발사체의 로켓 엔진이 장착되는 하단부(202)의 경우에도 유사하게 작용한다.

단열재의 기포(110) 및 공극(미도시), 다공성 분말(20)의 내부 공간(pore) 등의 기공에 있던 불활성 기체는 단열재 내부의 압력과 주변 대기 압력의 차이에 의해 외부로 빠져나오게 된다. 그리고 불활성 기체의 온도가 상승함에 따라 충진시 보다 큰 압력을 가지게 되는 것도 하나의 구동력이 될 수 있다.

한편, 본 발명은 고도 10km 내외의 대류권에서부터 80km를 초과하는 열권까지 불활성 기체가 분사되도록 구성할 수 있다. 이때 불활성 기체의 양 및 분사되는 시간은 단열재의 두께와 기공의 부피에 의해 결정된다.

이상에서 설명된 본 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 단열재 10 : 열경화성 수지
11 : 기공 20 : 다공성 분말
30 : 코팅층 100 : 몰드
101 : 유출구 102 : 유입구
110 : 기포 111 : 다공성 분말 사이의 공극
200 : 발사체 201 : 선단부
202 : 하단부

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 발사체의 외면에 부착되는 단열재에 있어서,
   상기 단열재의 내부에는 기공이 형성되고,
   상기 기공에는 불활성 기체가 충진되어, 주변 압력이 진공이 되면 상기 불활성 기체가 상기 단열재의 외부로 빠져나오되,
   상기 단열재는 열경화성 수지와 다공성 분말이 혼련 성형되어 이루어지고,
   상기 기공은 상기 열경화성 수지가 발포되면서 형성된 기포, 상기 다공성 분말 사이의 공극 및 상기 다공성 분말의 내부 공간(pore)을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재.
4. 발사체의 외면에 부착되는 단열재에 있어서,
   상기 단열재의 내부에는 기공이 형성되고,
   상기 기공에는 불활성 기체가 충진되어, 주변 압력이 진공이 되면 상기 불활성 기체가 상기 단열재의 외부로 빠져나오되,
   상기 단열재는 다공성 분말을 판 형상으로 성형하여 이루어지고,
   상기 기공은 상기 다공성 분말 사이의 공극 및 상기 다공성 분말의 내부 공간(pore)인 것을 특징으로 하는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
   상기 단열재의 외주면에는 코팅층이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 탈기 방식의 발사체용 단열재.

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