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문제 정의
- 본 논문은 국방과학연구소 아음속 풍동실험실에서 수행한 감속 낙하산 모형의 캐노피 전개 특성에 대한 풍동실험기법과 시험결과를 기술하고 있다. 외국의 기존 풍동시험들[3][4][기에 비해 비교적으로 간단한 실험장비들의 구성을 통해 국내에서는 처음으로 낙하산 캐노피의 전개력 특성을 측정하고자 하였으며, 총 7종 낙하산 모형에 대해 풍동시험이 수행되었다.
- 고찰하였다. 본 연구를 통해 경량, 고항력, 직물재질 낙하산의과도 상태 공력계수 측정을 위한 풍동 시험방안을 제시할 수 있었다. 측정된 시험결과들과 다른 유사 시험자료들간의 비교를 통해 본 풍동시험에대한 유효성을 검증하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 위한 인자이다. 본 연구에서는 낙하산 설계에 소요되는 최대 전개력의 산출을 위해 식(1) 의 전개력 상수를 실험을 통해 측정하고자 하였다.
- 65%이었다. 본 연구의 목적은 시험속도 20~80 m/s 영역에 대한 낙하산 전개력-시간의 과도상태 (transient) 측정을 통한 캐노피 의 전개 시 간(filling time)과 전개력 상수(opening force coefficient)의 획득이었으며, 본 연구를 통해 감속 낙하산 캐노피의 과도상태팽창에 관한 공기역학적 특성 및 설계 타당성 등을 확인할 수 있었다.
- 아음속 풍동을 이용한 감속 낙하산 축소모형에 관한 캐노피 전개특성을 실험적으로 고찰하였다. 본 연구를 통해 경량, 고항력, 직물재질 낙하산의과도 상태 공력계수 측정을 위한 풍동 시험방안을 제시할 수 있었다.
제안 방법
- 최대 전개력 상수와 전개 시간은 5회 반복시험에 대한 분석결과를 산술 평균하여 산출하였다. 그러나, 평균값 산출을 위한 반복시험의 횟수가 매우 적은 관계로 최종결과에는 5 회 반복시험결과의 산술평균을 구한 후에 Chauvenefs Criterion을 이용하여 측정자료의 배제 (rejection of data)[11] [12] 에 관한 검토를 수행함으로써 새로운 평균을 산출하였다.
- 생긴다[9]μ0]. 따라서, 본 연구에 사용된 낙하산 전개용 시험장치는 전방체로 인한 후류의 영향을 최소화하기 위해 유선형 전방 체를 사용하도록 하였으며, 시험대상 낙하산중 5종은전방체와 캐노피의 거리가 9(9.1 ~9.7)배를 넘도록 설계하였다. 나머지 2종(R2, R3)은 거리/직경의 비가 약 6.
- 3 (a)에서 전개시간의 기준점인 최대점(peak) 특성 Fx가 나타나지 않게 된다면 전개시간 &의 산출기준이 모호하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 낙하산의 항력계수가 정상상태 항력계수의 99%에 해당하는 지점을 최대 전개력점으로 정의하고 캐노피 전개시간 *의 산출을 위한 기준으로 삼았으며, Fig. 5는 이러한 기준점을 적용한 캐노피 전개시간을 나타낸 것이다.
- 시험결과의 신뢰성을 높이기 위해 모든 전개 특성 측정시험을 동일한 실험조건에서 5회씩 반복해서 수행하였다. 최대 전개력 상수와 전개 시간은 5회 반복시험에 대한 분석결과를 산술 평균하여 산출하였다.
- 외국의 기존 풍동시험들[3][4][기에 비해 비교적으로 간단한 실험장비들의 구성을 통해 국내에서는 처음으로 낙하산 캐노피의 전개력 특성을 측정하고자 하였으며, 총 7종 낙하산 모형에 대해 풍동시험이 수행되었다. 시험모형의 풍동 유로봉쇄율 (blockage ratio) 은 정상상태 (steady-state) 팽창형상을 기준으로 1.
- 이를 위해 본 연구에서는 가능한 한 실물 낙하산의 포장(packing) 방법과 동일한 방법을 사용하여 낙하산을 장착하도록 했으며, 캐노피 전개 방식도 실물과 같이 후방에서 당겨주도록 하였다. 당김줄 속도변화에 관한 분석결과, 캐노피 전개 시의 흐름속도가 낙하산을 당겨주는 당김줄 속도에 비해 매우 빠른 관계로 당김줄의 속도는 전개력 특성에 큰 영향을 주지는 않았다.
- 전개시험은 실물 낙하산과 동일한 방식으로 포장된 모형 낙하산을 풍동 시험부내 직경 4.5 cm 의 수직 지 지 대(single support)에 고정 되 어있는유선형 전방체 (streamlined-forebody) 내부에 장착하여 수행하였다. 시험장치는 수직 지지대와 유선형 전방체를 이루고 있는 실린더형 구조물, 전개력 측정 을 위해 전방체 내 부에 장착된 로드 셀(load cell), 낙하산을 사출(eject)시키기 위한 당김줄 지지부 및 선형 액추에이터 (linear actuator) 시스템 등으로 구성되어있다.
- 본 연구를 통해 경량, 고항력, 직물재질 낙하산의과도 상태 공력계수 측정을 위한 풍동 시험방안을 제시할 수 있었다. 측정된 시험결과들과 다른 유사 시험자료들간의 비교를 통해 본 풍동시험에대한 유효성을 검증하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 시험장치는 수직 지지대와 유선형 전방체를 이루고 있는 실린더형 구조물, 전개력 측정 을 위해 전방체 내 부에 장착된 로드 셀(load cell), 낙하산을 사출(eject)시키기 위한 당김줄 지지부 및 선형 액추에이터 (linear actuator) 시스템 등으로 구성되어있다. 캐노피 전개력은 1 축 로드셀을 이용하여 측정하였으며, 이 로드 셀은 예상되는 전개하중 전체범위에 대해 교정 (calibration)되 었다. 전개력 측정 에 사용된 로드 셀은 최대하중(500 IbQ에 대하여 3.
대상 데이터
- 따라서, 결과분석에는 unfiltered 자료와 동일한 세트의 디지털 후처리 과정을 거친 자료를 같이 사용하였으며, unfiltered 자료에 대한 주파수 성분을 검토한 결과 계측시스템 내부에서 발생된 노이즈 성분을 제거해야만 정량적인 자료를 추출할 수 있다는 결론을 이끌어 냈다. 따라서, 최종결과분석에서는 저 대역 통과필터가 낙하산 고유의 전개력 특성에 영향을 주지 않도록 하기 위해 unfiltered 자료에 대한 노이즈 분석을 수행한 filtered 자료가 사용되었다. Fig.
- 본 시험에'사용된 국방과학연구소 아음속 풍동은 측정부의 제원이 폭 3.0 m, 높이 2.25 m, 길이 8.75 m이며, 수축비 9.0 인 단일 폐회로 식으로서, 유속을 최저속도 10 m/s에서 최고속도 120 m/sec 까지 변화시킬 수 있다. 풍동 내부 흐름의 난류강도(turbulence level)는 시험영역에서 0.
- 본 연구에 사용된 유선형 전방체는 직경 11 cm 에 길이 23 cm의 반구형 두부형상을 갖고 있는 실린더 모양으로, 이 전방체의 형상을 유선형으로 제작하고 그 크기를 최소화함으로써 전방체로 인한 후류의 영향을 최소화할 수 있도록 하였다. 이 전방체 내부에 포장된 낙하산은 캐노피 팽창 전까지 실물상태의 포장형상을 유지하며, 시험 부속 도가 안정화되었을 때 전방체 후방에 장착된 당김줄과 선형 액추에이터에 의해 자유류 속으로 빠져나오게 된다.
- 본 연구에는 낙하산 캐노피의 과도상태 전개력측정을 위해 별도의 고속 자료획득 시스템(data acquisition system)이 사용되었으며, 이를 이용하여 5,000 sample/sec로 항력자료를 획득하였다. 이 고속 자료획득 시스템에는 National Instruments 사의 AT-MIO-16X 자료 획득 장치가 컴퓨터에 장착되어 사용되었으며, 이 장치의 분해능은 16bit이다.
- 본 연구에서는 저속영역에서의 캐노피 전개 특성 측정을 목표로 리본형 (conical ribbon type) 3 종 (Al, A2, A3) 과 링슬롯형 (conical ringslot type) 3종(FL R2, R3) 및 솔리드형 (conical solid type) 1종(S3) 등 총 7종의 낙하산 모형을 시험호} 였다. 이 낙하산 모형들은 받음각 장치를 이용한 낙하산의 공력특성 연구[8] 등에 사용되었던 모형들로서, 실물 낙하산과 동일한 재질을 사용하여 제작된 모형들이다.
- 5 cm 의 수직 지 지 대(single support)에 고정 되 어있는유선형 전방체 (streamlined-forebody) 내부에 장착하여 수행하였다. 시험장치는 수직 지지대와 유선형 전방체를 이루고 있는 실린더형 구조물, 전개력 측정 을 위해 전방체 내 부에 장착된 로드 셀(load cell), 낙하산을 사출(eject)시키기 위한 당김줄 지지부 및 선형 액추에이터 (linear actuator) 시스템 등으로 구성되어있다. 캐노피 전개력은 1 축 로드셀을 이용하여 측정하였으며, 이 로드 셀은 예상되는 전개하중 전체범위에 대해 교정 (calibration)되 었다.
데이터처리
- 본 논문에서 다루고 있는 전개시간 t『나 fill constant n 은 계측센서로 인한 계통오차 (bias error)나 우연오차(precision error) 등의 영향보다는 전개시스템 고유의 전개방식으로 인해 발생하는 공기역학적 불규칙성(randomness)이 지배적이므로, Table 2와 같이 5회 반복시험에 대한 표준편차를 사용하여 실험결과의 정확도를 표현하였다. 또한, 이때 측정된 항력계수의 부정확도 (Uncertainty, U95%)[12]는 ±0.
- 수행하였다. 최대 전개력 상수와 전개 시간은 5회 반복시험에 대한 분석결과를 산술 평균하여 산출하였다. 그러나, 평균값 산출을 위한 반복시험의 횟수가 매우 적은 관계로 최종결과에는 5 회 반복시험결과의 산술평균을 구한 후에 Chauvenefs Criterion을 이용하여 측정자료의 배제 (rejection of data)[11] [12] 에 관한 검토를 수행함으로써 새로운 평균을 산출하였다.
성능/효과
- 1. 고속 자료획득 장비와 낙하산 전개 시험 장치를 이용한 과도상태 낙하산의 항력측정을 통해 감속 낙하산 캐노피 팽창구간에 대한 최대 전개력과 전개시간을 측정할 수 있었다.
- 2. 본 연구에 적용된 낙하산 전개방식은 전개 초기에 캐노피의 부분적인 팽창을 가져오게 되며, 이로 인해 정상상태의 최대 3배에 달하는 snatch force가 발생함을 알 수 있었다.
- 3. 링슬롯형 낙하산은 기존의 시험자료들에 비해 약 10~40% 가량 빠른 전개특성을 보였으며, reefing 형상의 리본형은 약 10% 내외의 차이로 기존의 결과들과 잘 일치하였다. 또한, 솔리드 형은 다공도 효과를 고려한 기존의 시험 결과와 매우 잘 일치하였다.
- 결과분석 과정에서 캐노피 전개특성의 일반적인 추이는 unfiltered 자료로부터도 관측할 수 있으나 특정 변수들을 추출하기에는 계측자료의 노이즈 수준이 상당히 높았다. 따라서, 결과분석에는 unfiltered 자료와 동일한 세트의 디지털 후처리 과정을 거친 자료를 같이 사용하였으며, unfiltered 자료에 대한 주파수 성분을 검토한 결과 계측시스템 내부에서 발생된 노이즈 성분을 제거해야만 정량적인 자료를 추출할 수 있다는 결론을 이끌어 냈다.
- 6은 링슬롯형 낙하산이 전개되는 과정을 촬영한 결과이며, 여기서 T는 전개과정에 대한 상대적인 시간을 나타낸다. 그러나, 전개 과정에 대한 고속촬영결과 낙하산 전개 중에 부분적인 캐노피의 팽창현상(partial inflation)0] 발생하는 것으로 관측되었으며, 이 결과 정상상태의 1~3 배에 해당하는 snatch force의 발생과 함께 앞뒤 방향으로 캐노피 출렁거림(fluctuation)(Fig. 5) 이나타났다. 이러한 현상은 모형 제작상의 어려움으로 인해 실물 낙하산과 동일한 재질을 모형 낙하산 제작에 사용함으로써 직물특성과 같은 구조역학적 상사요소들이 충분히 반영되지 못한 점에도 원인이 있을 것으로 생각되지만, 낙하산 전개 방식의 특성상 캐노피가 후방으로 당겨지는 과젔중에 Fig.
- 이를 위해 본 연구에서는 가능한 한 실물 낙하산의 포장(packing) 방법과 동일한 방법을 사용하여 낙하산을 장착하도록 했으며, 캐노피 전개 방식도 실물과 같이 후방에서 당겨주도록 하였다. 당김줄 속도변화에 관한 분석결과, 캐노피 전개 시의 흐름속도가 낙하산을 당겨주는 당김줄 속도에 비해 매우 빠른 관계로 당김줄의 속도는 전개력 특성에 큰 영향을 주지는 않았다. 실험에 사용된 7종 모형 가운데 R2는 모형 제원상의 문제로 인해 최종 결과분석에서 제외되었다.
- 같고 산줄길이가 짧은 R3의 전개시간은 거의 변하지 않았다. 대략적으로 모든 낙하산들이 0.08초 내외에 전개되었으며 캐노피의 출렁거림도 비교적 다른 낙하산들에 비해 작았다. 이 결과 비교에 사용된 경험식들은 주로 낮은 다공도 (porosity) 낙하산의 시험결과를 토대로 만들어진 것으로[2], 본 연구에 사용된 링슬롯형 낙하산의 결과와는 다소간 차이가 있는 것으로 판단된다.
- 수준이 상당히 높았다. 따라서, 결과분석에는 unfiltered 자료와 동일한 세트의 디지털 후처리 과정을 거친 자료를 같이 사용하였으며, unfiltered 자료에 대한 주파수 성분을 검토한 결과 계측시스템 내부에서 발생된 노이즈 성분을 제거해야만 정량적인 자료를 추출할 수 있다는 결론을 이끌어 냈다. 따라서, 최종결과분석에서는 저 대역 통과필터가 낙하산 고유의 전개력 특성에 영향을 주지 않도록 하기 위해 unfiltered 자료에 대한 노이즈 분석을 수행한 filtered 자료가 사용되었다.
- 링슬롯형 낙하산은 기존의 시험자료들에 비해 약 10~40% 가량 빠른 전개특성을 보였으며, reefing 형상의 리본형은 약 10% 내외의 차이로 기존의 결과들과 잘 일치하였다. 또한, 솔리드 형은 다공도 효과를 고려한 기존의 시험 결과와 매우 잘 일치하였다.
- 10에서 더욱 뚜렷하게 알 수 있으며, 결과적으로 reefing 상태의 낙하산들은 속도의 증가에 큰 관계없이 약 10 정도의 fill constant 결과를 보이고 있다. 시험부 유동에 노출된 투영면적이 링슬롯형에 비해 상대적으로 작은 reefing 상태의 리본형 낙하산은 고속촬영결과에서 약간의 부분팽 창 현상만을 보였으며, 이로 인해 시험속도 변화에 따른 전개 특성이 보다 더 뚜렷하게 나타난 것으로 판단된다.
- fill constant를 구할 수 있게 된다. 이 fill constant를 통해 시험대상 낙하산의 크기와 속도에 따른 낙하산 전개특성의 상관관계(correlation) 를 파악할 수 있으며, 기존 시험자료들과의 비교를 통해 캐노피 전개특성에 대한 시험결과의 유효성 검증도 가능하다.
- 08초 내외에 전개되었으며 캐노피의 출렁거림도 비교적 다른 낙하산들에 비해 작았다. 이 결과 비교에 사용된 경험식들은 주로 낮은 다공도 (porosity) 낙하산의 시험결과를 토대로 만들어진 것으로[2], 본 연구에 사용된 링슬롯형 낙하산의 결과와는 다소간 차이가 있는 것으로 판단된다.
- 링슬롯형 낙하산의 경우 속도증가에 따라 증가하는 특성을 보이며 약 8~13 가량으로 측정되었다. 이 결과는 Knacke[l]의 fill constant 14와 비교할 때 약간 작은 값이었으며 시험속도 증가에 관계없이 일정한 값으로 수렴하는 특성은 보이지 않았다. 이와 같은 결과는 Fig.
후속연구
- 4. 실물과 모형 낙하산 사이의 유연성 차이가 정적 안정성의 차이에 크게 영향을 주는 것으로 판단되므로, 향후 낙하산 강성도 (stiffness index)에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 본 연구를 통해 감속 낙하산의 설계타당성 확인과 다음 설계단계 및 비행시험에 소요되는 낙하산 캐노피의 전개특성에 관한 공력자료를 획득할 수 있었으며, 이는 향후 다른 낙하산의 전개시험에도 확장 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서, 캐노피 전개중에 부분적인 팽창이 일어나지 않도록 하여 과도한 snatch force의 발생을 억제하기 위해서는 낙하산 전개방식의 수정이 필요하다는 것을 알 수 있다. 아울러, 향후 유사 풍동 시험에서는 풍동모형 제작시 모형 낙하산의 전개 특성을 보다 더 근사적으로 구현할 수 있도록 축소모형에 대한 유연성(flexibility) 및 낙하산 모형 제작기술(fabrication method)에 대한 추가적인 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 0로측정되었다. 향후 전개과정시의 부분팽창과 앞뒤 방향으로의 캐노피 출렁거림을 배제한 보다 정밀한 측정이 필요할 것으로 사료된다.
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