가스 발생기를 이용한 미사일 발사 시스템
제1도는 본 발명의 발사 시스템이 내장된 발사관체 또는 발사용기의 종단면도. 제2도는 발사전의 미사일을 내장하고 있는 본 발명에 의한 미사일 발사 시스템의 발사관체 또는 발사용기를 도시하는 도면. 제3도는 제1도와 유사한 도면으로서, 점화직후의 미사일 발사 시스템에 대한 확대 단면도. 제4도는 제2도와 유사한 도면으로서, 발사직후의 미사일 발사관체 또는 발사용기를 벗어나는 것을 나타내는 도면. 제5도, 제6도 및 제7도는 여러가지의 동작특성에 대한 그래프. * 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 10 : 발사용기 12 : 미사일 15 : 발사시스템 26 : 압축가스발생기
본 발명은 미사일 발사 시스템에 관한 것으로, 특히 넓은 가스작동압력 및 온도범위에 걸쳐서 상당히 약한 반동특성을 나타내는 발사용기를 이용하여 미사일을 발사시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 액체 또는 고체 연료의 연소에 의해 발생한 압축가스를 이용해서 발사용기로부터 미사일등과 같은 물체를 발사시키는 기술은 공지되어 있다. 미사일의 발사시 발생하는 반동력은 이것을 적당한 방법으로 상쇄시키지 못할 경우에는 미사일 발사기지 또는 그 주위의 사람에게 악영향을 미칠 수도 있다. 종래에는 이러한 반동력을 상쇄시키기 위해서 여러가지의 기법을 사용해 왔는바, 구체적인 예로는 평형추, 공압 충격흡수기, 파열판 및 기타 반동력을 허용가능한 수준까지 약화시킬 수 있는 특수장치를 이용하여 반동력을 상쇄시키는 방법을 들 수 있다. 이와 같은 종래기술은 반동력을 어느 정도 감소시킬 수는 있으나 완전히 만족할만한 것은 아니었다. 특히, 이들 종래기술은 제작비용이 많이 소모되거나 작동이 비교적 복잡해서 시스템의 전반적인 작동신뢰성을 저하시키게 되는 특수한 장치를 사용할 필요가 있었다. 또한, 종래기술의 가스 발생식 발사시스템은 비교적 강렬한 소음을 발생시키게 되는 바, 이러한 소음은 발사기지 주변의 사람들에게 방해가 되며, 어떤 경우에는 유해하기까지 하다. 본 발명의 주목적은 지금까지 문제시 되어온 비교적 강한 반동력을 유발시키는 일없이 압축가스를 이용해서 미사일 등과 같은 물체를 용기로부터 발사시키기 위한 방법 및 시스템을 제공하는데에 있다. 본 발명의 다른 목적은 넓은 범위의 작동가스압력 및 온도에 걸쳐서 작동될 수 있고 소음의 발생량을 상당히 감소시킬 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는데에 있다. 본 발명을 실시함에 있어서, 미사일 또는 기타 발생대상물체는 세장형 중공 관상용기의 선단을 통해서 그 내부에 수납된다. 용기의 내부에는 미사일을 지지하기 위한 경량의 피스톤이 설치되며, 이러한 피스톤은 용기의 내벽에 미끄럼운동 가능하게 조립되는 벽면을 갖는다. 피스톤의 뒷쪽에 해당하는 용기의 후미에는 추진용 가스 발생기가 중앙부에 고정적으로 설치된다. 점화가 이루어지면, 가스발생기는 피스톤을 미사일쪽으로 가압함으로써 당해 미사일이 용기의 선단을 통해서 발사되도록 한다. 이와 동시에 가스발생기의 가스는 특수 노즐을 통해서 용기의 바깥쪽으로 배출되며, 이 과정에서 미사일의 추진력에 대항하는 관성 반발력이 발생하여 반동효과를 감소시킨다. 피스톤의 단면적과 노즐의 출구면적은 대기압의 영향을 거의 0까지 감소시킬 수 있도록 서로 같게 되어 있다. 또한, 노즐의 교축부면적에 대한 피스톤 단면적의 비율은 사용하고자 하는 추진가스의 비열비에 의해서 주로 정해진다. 더우기, 미사일 또는 기타 물체가 그것의 수납용기를 떠난후에는 추진가스가 연소되지 않도록 해야한다. 이를 위해서는, 최저대기압, 예상되는 최대의 관체 또는 용기 길이 및 미사일 출구속도를 고려해서 최저온에서의 피스톤 챔버 압력을 결정할 필요가 있다. 상기 미사일 출구속도는 최저 요구속도에 어느 정도의 속도증가분을 더한 값과 같다. 속도증가분을 선정함에 있어서는, 최대의 대기압력 및 최저온도에서 최저 출구 속도가 충분히 실현될 수 있도록 해야 한다. 첨부도면, 특히 제1도 내지 제4도를 참조하면, 미사일등과 같은 물체를 발사할 수 있도록 된 본 발명의 발사용기 또는 발사관체는 참조번호(10)으로 일괄해서 표시되어 있다. 일반적으로, 발사용기는 균일한 단면적 및 매끄러운 내면을 갖는 일단부가 개방된 원통형 관체로 구성되며, 그것의 길이는 발사시키고자 하는 미사일의 길이 및 후술하는 것과 같은 몇가지의 다른 인자에 따라서 달라진다. 본 실시예에 있어서 발사물체(12)는 대략 원통형의 미사일이며, 이러한 미사일의 외경은 수납용기(10)내에 미끄럼 조립될 수 있는 정도의 크기를 갖는다. 미사일(12)을 장전하기 위한 선단부(18)의 반대쪽에 해당하는 수납용기의 후미(16)에는 참조번호(14)로서 일괄해서 나타낸 발사시스템이 내장된다. 가동피스톤(20)은 원통형의 부재로서, 용기의 내부공간을 완전히 가로질러 그 둘레의 림 또는 측벽(24)에 일체로 연결된 밀폐중앙벽(22)을 갖추고 있다. 피스톤의 단면 형상은 원형이며 그것의 외경은 수납용기(10)의 내면에 미끄럼운동 가능하게 밀봉조립될 수 있는 크기를 갖는다. 초기 상태에서 상기 피스톤은 미사일(12)의 내측단부와 접촉하고 있거나 그것으로부터 약간 떨어져 있게 된다. 압축가스 발생기(26)는 원통형의 중공 하우징(28)을 갖는 통상적인 구성을 취하고 있으며, 그 표면에는 복수개(30)의 통공이 균일하게 분포되어 있다. 상기 하우징은 캡(32)에 고정된다. 추진장약(34)은 캡의 내부에 위치하여, 일반적으로 도화선(36)을 통해서 전기적으로 점화된다. 가스 발생기는 용기 후미(16)의 바로 안쪽에서 당해 용기의 종축을 따라 대칭으로 설치된다. 일반적으로, 추진제는 고형물질로 되어 있으며, 그것의 특성은 후에 상세히 설명하는 바와 같이 본 발명의 장점을 충분히 실현하는데에 있어서 중요하다. 발사동작에 관하여 개괄적으로 설명하면, 미사일(12)의 수납용기의 내부에서 피스톤(20)에 접촉한 상태로 또는 그것에 근접하게 장전된 후, 추진제는 점화되고, 압축가스(38)는 제3도에 도시한 것과 같이 피스톤을 미사일의 내측단부쪽으로 이동시켜서 수납용기의 선단으로부터 미사일을 발사시킨다. 피스톤은 수납용기의 내면과 기밀상태로 당접하고 있으므로, 피스톤을 지나서 압축가스가 누출되는 일은 거의 없다. 따라서, 전방을 향한 추진력을 전적으로 피스톤과 미사일에만 작용한다. 가스 발생기에 의해 생성된 가스는 피스톤(20)을 구동하는 외에도, 수납용기의 내부에서 후단부(16)의 바깥쪽을 향해 후방으로 이동함으로써 미사일에 작용하는 힘에 대한 반대방향의 힘을 발생시킨다. 이러한 반대방향의 힘은 후에 구체적으로 설명하는 바와 같이 발사시스템 내에서 발생하는 반동력을 거의 소멸시킨다. 발사용기의 후미 부근에는 참조번호(40)으로 일괄해서 나타낸 노즐을 설치하게 되는바, 이러한 설치작업은 발사용기의 내면상에 연속형의 내향돌출링(42)을 부착시켜서 행한다. 상기 내향 돌출링은 발사용기 그 자체의 균일한 내경(d)에 비해서 약간 작은 직경(D)의 노즐 교축부를 형성한다. 본 발명의 시스템이 효과적으로 작동되도록 하기 위해서는 이들 2가지의 지수관계가 정확히 설명되어야 하는바, 이에 관하여는 후술한다. 이하에서 본 발명은 상세히 설명하기에 앞서서, 발사 시스템을 비교적 작은 각도에서 점화하였을때에 발생하는 공기 역학적인 힘, 마찰력 및 중력은 가스 발생기(26)의 압축가스에 의해 발생하는 힘에 비해서 무시할 수 있을 정도로 작다는 것을 밝혀둔다. 따라서, 이하의 논의 및 분석을 진행함에 있어서 이러한 힘은 무시하기로 한다. 상술한 시스템을 이용해서 유리한 결과를 얻어내기 위한 첫번째의 필수조건은 피스톤의 단면적으로 (16)의 위치에서 측정한 용기의 출구면적과 거의 같게 해야하는 점이다. 이들 2가지의 면적을 같게하면, 대기압의 변화에 따른 영향이 거의 없는 것으로 밝혀졌다. 이것은 노즐(40)에 대한 수학적 분석에 의해서도 입증된다. 상기 노즐은 플러그 노즐의 특성을 갖는 것으로 표준형의 드 라발(De Laval) 노즐에 적용되는 원리를 이용해서 분석할 수 있다. 노즐 표면에 작용하는 압력에 의한 추력은 다음과 같이 수학적으로 표현할 수 있다. 식중, A t = 노즐의 교축부 면적, P P = 피스톤 챔버의 압력, C R = 추력계수로서, 이고, 여기서, 이다. 그리고, 교축부면적에 대한 출구면적의 비율은 다음과 같은 상관관계를 갖는다. 반동력은 기본적으로 미사일의 전향력과 추력간의 차이로서 정의할 수 있다 : 상기 식중, P P = 피스톤 챔버 압력, P a = 대기압력, A p = 피스톤 단면적으로서, 방정식(Ⅰ)을 대입하면 다음의 식이 얻어진다. 피스톤 단면적과 출구면적이 동일한 것으로 가정하면, 상기 식은 대기압의 영향이 무시되어 다음과 같이 변환된다 : 식중, 상기 식에서 P e 는 발사용기의 출구압력이다. 반동력이 발생하지 않는 조건에 대한 분석을 계속하고, C rec 를 0으로 놓고, 교축부면적에 대한 피스톤 면적의 비율을 구하면 다음식으로 표현된다. 출구면적에 대한 피스톤 면적의 비율을 정확히 구한다는 것은 불가능하므로, 방정식(Ⅳ)를 (Ⅸ)에 대입하면 다음식이 얻어진다 : 식중, a, b, c는 다음과 같이 정의되는 계수이다. 제7도의 그래프는 M16으로 알려진 추진제에 대응하는 r=1.272에서의 출구압력 대 피스톤 압력의 비율과 방정식(X)과의 관계를 나타낸다. 방정식(X)은 출구압력 대 피스톤 압력의 비율이 예를들면 4.62인 것으로 가정하여 그 해답을 구할 수 있다. 이어서, 상기 압력비를 방정식(IV)에 대입하면 교축부면적 대 피스톤 면적의 비율을 쉽게 구할 수 있다. 즉, 1.365의 면적비가 얻어진다. 요컨대, 모든 대기압 범위하에서 반동력을 최소화하려면, 무엇보다도 먼저 피스톤(20)의 면적을 발사관체의 출구면적과 같게 해야 한다. 그후, 방정식(X)과 (IV)의 관계를 이용하여 사용하고자 하는 특정 추진제에 대한 A p /A t 의 비율을 구한다. 이들 2가지의 기준이 일치하면, 발사시스템은 모든 자동대기압의 범위하에서 반동력을 최소화할 수 있게 된다. 또한, 미사일이 발사관체를 이탈한 후에 추진제가 연소되지 않도록 하는 것도 중요하며, 추진제의 구성을 최적화하면서 그것의 연소를 방지하려면 주위온도를 최소한으로 낮게 유지해야 한다. 이것은 피스톤 챔버의 압력이 주위온도의 증가에 따라 지수함수적으로 증가한다는 사실만 보더라도 알 수 있다. 더욱 구체적으로 설명하면, 미사일이 발사관체를 이탈한 후 추진제가 연소되는 것을 방지하기 위해서는, 최저의 대기압, 최대의 발사관체길이, 최소 필요값에 증분 ∂V를 더한 값에 상당하는 미사일 출구속도를 기준으로 최저온도에 대한 피스톤 챔버압력 P p 을 구한다. 이들 변수간에는 다음과 같은 기본적인 관계가 성립할 수 있다. 식중, W m =미사일 중량, V m =미사일 속도, S g =스토로크이다. 충분한 실용성을 갖는 발사시스템을 실현하기 위해서는, 몇가지의 설계기준, 예를들면 추진제의 연소시간까지도 고려해야할 것이다. 그러나, 피스톤 면적과 출구면적을 동일한 값으로 유지하고 선택된 추진계에 대하여 교축부 면적 대 피스톤 면적의 비율을 정확한 값으로 유지하면, 반동력을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 발사소음까지도 감소시킬 수 있다. 제5도 및 제6도는 2가지의 서로 다른 주변온도, 즉 -25℉ 및 140℉의 온도와 14.7lb/in 2 의 표준 압력하에 있어서 반동력을 나타낸다. 이들 도면으로부터 알 수 있는 것처럼, 반동력은 예상했던 것과 같이 작다. 이상에서는 바람직한 실시예에 의거하여 본 발명은 설명하였으나, 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 형태로 변경실시를 할 수도 있을 것이다. |
