[논문]감속 낙하산 Reefing 효과에 관한 실험적 연구

오세윤; 김찬기; 박금룡; 현재수

doi:10.5139/jksas.2002.30.2.039

문제 정의

감속 낙하산의 reefing 형상결정을 위한 reefing-line 길이에 관한 영향평가와 reefing 형상 및 un-reefed 형상의 공기역학적 특성을 실험적으로 고찰함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
그림 5는 낙하산 캐노피의 산줄 연결지점에만 reefing-line을 연결하는 일반적인 skirt-reefing 방식을 사용한 경우의 reefing-line 길이에 따른 항력 면적 비(reefing ratio)의 변화특성을 측정한 결과이며, 기존의 유사 시험자료들과 본 시험에서 측정된 항력자료간의 비교를 통해 본 연구 결과의 적합성을 평가하고자 하였다. 결과 비교에 사용된 자료[2][3]들은 낙하산의 산줄/공칭직 경의 비 (LJDo)가 모두 1.
풍동시험은 3종의 리본형 낙하산 모형을 사용하여, 시험속도 영역 20-60 m/s와 받음각(angle of attack) 0' -20' 영역에 대한 정상 상태(steady-state) 낙하산의 항력 계수(drag coefficient, Cd) 및 수직력계수(normal force coefficient, Cn) 등의 측정을 목적으로 수행되었다. 또한, 본 연구에서 측정된 결과와 기존 결과들과의 비교를 통해 본 연구에 사용된 시험기법 및 시험장치에 대한 적합성을 입증하고자 하였다.
대한 영향평가를 수행하였다. 또한, 확정된 reefing 형상과 더불어 캐노피 완전팽창 상태인 un-reefed 형상의 공기역학적 특성에 관한 연구를 통해 대상 낙하산의 설계 적합성을 확인하고자 하였다. 풍동시험은 3종의 리본형 낙하산 모형을 사용하여, 시험속도 영역 20-60 m/s와 받음각(angle of attack) 0' -20' 영역에 대한 정상 상태(steady-state) 낙하산의 항력 계수(drag coefficient, Cd) 및 수직력계수(normal force coefficient, Cn) 등의 측정을 목적으로 수행되었다.
본 연구에 적용된 낙하산의 reefing 기법 또한 하나 또는 여러 단계 reefing의 적용을 통해, 낙하산의 항력면적을 통제하여 낙하산의 최대 구조 하중을 제한할 수 있는 방안이다. 이렇게 캐노피팽창 시의 하중을 적절히 제한할 수 있게 된다면 낙하산을 보다 더 가벼운 재질로 제작할 수 있으며, 이에 따라 낙하산 용기(container)에 포장된 (packed) 낙하산의 중량이나 부피도 최소화할 수 있게 된다.
본 연구에서는 리본형 (conical ribbon type) 낙하산 reefing 형상의 결정을 위해 reefing-line 길이에 대한 영향평가를 수행하였다. 또한, 확정된 reefing 형상과 더불어 캐노피 완전팽창 상태인 un-reefed 형상의 공기역학적 특성에 관한 연구를 통해 대상 낙하산의 설계 적합성을 확인하고자 하였다.
또한, 확정된 reefing 형상과 더불어 캐노피 완전팽창 상태인 un-reefed 형상의 공기역학적 특성에 관한 연구를 통해 대상 낙하산의 설계 적합성을 확인하고자 하였다. 풍동시험은 3종의 리본형 낙하산 모형을 사용하여, 시험속도 영역 20-60 m/s와 받음각(angle of attack) 0' -20' 영역에 대한 정상 상태(steady-state) 낙하산의 항력 계수(drag coefficient, Cd) 및 수직력계수(normal force coefficient, Cn) 등의 측정을 목적으로 수행되었다. 또한, 본 연구에서 측정된 결과와 기존 결과들과의 비교를 통해 본 연구에 사용된 시험기법 및 시험장치에 대한 적합성을 입증하고자 하였다.

제안 방법

구간이었다. 그러나, 균일한 팽창 형상을 갖도록 reefing-line을 고정했음에도 불구하고 낮은 reefing-line ratio 영역에서 캐노피의 부분함몰 현상이 관측됨에 따라, 이후 시험에서는 이러한 현상을 피하고자 기존의 reefing 방식을 mid-gore reefing 방식으로 변경하여 시험을 수행하였다. Mid-gore reefing을 사용한 A 1 모형의 경우에는 낙하산 투영면적의 감소로 인해 약 0.
낙하산의 reefinge 캐노피(canopy)의 완전팽창 (full-inflation) 이나 과도팽창 (overinflation) 을 구속함으로써 캐노피의 점진적인 개방이 가능하도록 한다. 설계자는 낙하산 reefing을 사용함으로써 미리 설정된 시간과 reefing 단계에 따라 낙하산 팽창시의 하중을 제한할 수 있으며, 아울러 낙하산을 저 항력면적(small drag area) 상태로 만들어 높은 고도부터의 투하물(payload) 낙하를 좀 더 정밀하게 할 수 있도록 한다.
낙하산의 항력과 수직력은 초승달형 지지부 시스템 (crescent support system)에 장착된 6 분력내장형 밸런스와 받음각 시험장치[5]를 사용하여 측정하였으며, 낙하산 모형은 길이 150 cm, 직경 3 cm인 파이프 전단의 회전장치(swivel device) 에 산줄을 걸어서 장착하였다. 풍동 시험부내 받음각 시험장치에 장착되어 있는 모형 낙하산과 관련 시험장치에 대한 구성도는 그림 1과 같다.
따라서, 이와 같은 캐노피 부분함몰 현상을 최소화하기 위해 reefing-line을 캐노피 스커트 원주 방향에 대해 고정시킴으로써 캐노피가 균일한 팽창 형상을 갖도록 하여 시험을 수행하였다. 그러나, reefing-line을 캐노피 반경방향에 대해 여러 부분 고정했음에도 불구하고 reefing-line ratio 40% 이하 영역에서는 부분함몰 현상이 여전히 사라지지 않았다.
리본형 낙하산의 reefing 형상이 확정됨에 따라 이후 시험에서는 reefing-line ratio 30% 형상에 대한 정상 상태 항력계수와 안정성계수의 측정을 위한 시험을 수행하였다.
표 1은 풍동 시험에 사용된 3종 낙하산 모형에 대한 제원이다. 본 연구에 사용된 리본형 모형 낙하산 3종은 캐노피 설계에 사용된 수평 리본수(그림 2)가 조금씩 다른 유사한 모형들이었으며, reefing-line 길이의 영향을 평가하기 위해 reefing-line ratio 를 변경시키면서 항력면적의 감소비율인 reefing ratio를 만족시키는 형상을 결정하도록 하였다.
또한, 낙하산의 reefing 진행단계에서 팽창되지 못한 고어(gore)의 펄럭거림을 제한하기 위해 고어의 중간 지점 (mid-gore)에 추가적인 reefing-ring을 장착하기도 하며 이는 mid-gore reefin이 1]이라 한다. 본 연구에 사용된 모형 낙하산은 과다한 재봉으로 인한 모형의 유연성 감소를 방지하고 여러 reefing 방식의 적용에 대한 가능성을 감안하여, reefing ring을 사용하지 않고 모형 낙하산 스커트 끝단의 슬롯(slot) 구멍을 활용함으로써 이에 reefing-line을 직접 장착하도록 하였다.
본 연구에는 받음각 시험장치의 길이 제한으로 인해 모형 낙하산의 투영면적 (projected area) 이풍동측정부 면적의 최대 14% 가량인 모형이 사용되었다. 이는 일반적인 낙하산 풍동 시험에서 낙하산의 투영면적이 풍동 측정부 면적의 약 1 0~15%를 넘지 않아야 한다는 조건을 만족한다.
본 연구에서는 시험 초기에 그림 4와 같이 캐노피가 reefing-line을 따라 여러 부분에서 불균일하게 치우침으로 인해 발생하는 부분적인 캐노피의 함몰(deformation) 현상이 발생하였다. 따라서, 이와 같은 캐노피 부분함몰 현상을 최소화하기 위해 reefing-line을 캐노피 스커트 원주 방향에 대해 고정시킴으로써 캐노피가 균일한 팽창 형상을 갖도록 하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 시험대상 낙하산 저속 영역의 공기역학적 특성측정을 목표로 공칭직경(D) 4 8~50 cm의 리본형 낙하산 모형 3종을 사용하였으며, 풍동시험은 이 3종 리본형 낙하산 모형의 skirt-reefed 형상과 un-reefed 형상에 대해 각각 수행되었다.
한다. 설계자는 낙하산 reefing을 사용함으로써 미리 설정된 시간과 reefing 단계에 따라 낙하산 팽창시의 하중을 제한할 수 있으며, 아울러 낙하산을 저 항력면적(small drag area) 상태로 만들어 높은 고도부터의 투하물(payload) 낙하를 좀 더 정밀하게 할 수 있도록 한다. 낙하산 reefinge 2차 세계대전 중 독일에 의해 개발된 낙하산 설계방안으로 낙하산의 산줄(suspension line), 스커트(skirt), 벤트(vent) 주위에 별도의 줄을 연결하는 방식 등 그간 여러가지 형태의 reefing 방법이 고안되었다.
실제 낙하산에는 존재하지 않는 파이프 지지봉의 항력성분을 제거하기 위해 별도의 테어(tare) 시험을 수행하였다. 테어는 A 1 모형의 경우 낙하산의 받음각이 20'이 고 시험 속도가 60 m/s일 때 축력 (tangential force)의 약 1.
이 시험결과로부터 항력면적 감소의 설계요구 조건을 만족하는 reefing-line의 길이와 시험대상 낙하산의 최종 reefing 형상을 결정하였다. 리본형 낙하산의 reefing 형상이 확정됨에 따라 이후 시험에서는 reefing-line ratio 30% 형상에 대한 정상 상태 항력계수와 안정성계수의 측정을 위한 시험을 수행하였다.

대상 데이터

본 시험에 사용된 아음속 풍동은 측정부의 제원이 폭 3.0 m, 높이 2.25 m, 길이 8.75 m이며, 수축비 9.0 인 단일 폐회로식으로써, 최저속도 10 m/s에서 최고속도 120 m/sec 까지 변화시킬 수 있다. 풍동 내부흐름의 난류도(turbulent level)는 0.

이론/모형

따라서, 매우 거대한 풍동 시설에서 시험을 수행할 경우 외에는 어떤 형태로든지 풍동에서 측정된 항력면적에 대한 보정이 필요하다. 이를 위해 Macha와 Buffington [6]이 Maskell[기의 근사 보정방법을 적용하여 상관관계를 이끌어낸 보정 계수(correction factor)를사용하여 풍동 측정부의 동압을 보정하였으며 보정된 유효 동압(q<g)은 다음의 식(1)과 같다.

성능/효과

1. Skirt-reefing 방식을 사용한 시험으로부터 측정된 항력계수는 reefing-line 길이 변화에 따라 크게 변화하였으며, 이 항력계수는 기존시험 결과들과 잘 일치하였다.
2. 상대적으로 항력면적의 감소가 크게 요구되는 reefing 형상에서 발생하였던 캐노피의 부분함몰 현상은 스커트 중간에 추가적인 reefing-line을 연결함으로써 안정적인 캐노피팽창 형상으로 전환할 수 있었다. 또한, 이러한 reefing 방식의 변경이 항력계수에 미치는 영향도 평가할 수 있었으며, 이 경우 일반적인 reefing 방식에 비해 항력면적이 약 25% 가량감소됨을 알 수 있었다.
3. 본 연구에 적용된 reefing 방식과 형상이 시험에 사용된 3종 리본형 낙하산의 정적 안정성을 향상시킴을 알 수 있었다.
영향이 없다.[2] 따라서, 산줄 길이가 상대적으로 긴 A 1 모형의 reefing ratio 변화경향이 다른 유사 시험 결과들에 비해 약간 완만함을 알 수 있으며, 시험 결과가 기존의 유사 시험결과들과 잘 부합되고 있음을 알 수 있다. 아울러, 이 시험 결과로부터 시험대상 낙하산의 캐노피 최대 팽창시의 스커트 직경과 최대 reefing-line 길이를 결정할 수 있다.
더 가깝다는 것을 알 수 있다. 그러므로, 모형의 강성 (stiffness)이 본 연구에 사용된 리본형 낙하산과 flexible 낙하산간의 정적 안정성 차이에 영향을 준 것으로 판단할 수 있다.
리본형 낙하산 모형 3종은 수평 리본 수와 다공도(porosity)만 약간씩 차이가 있는 관계로 상호간에 큰 차이가 없는 보정효과를 보였다. 또한, 시험부에 대한 모형 낙하산의 투영면적 비율이 약 1.4% 정도로 매우 작았고, reefing 형상에 대한 항력면적도 작았으므로 이에 대한 보정 효과가 크지 않았음을 알 수 있다.
상대적으로 항력면적의 감소가 크게 요구되는 reefing 형상에서 발생하였던 캐노피의 부분함몰 현상은 스커트 중간에 추가적인 reefing-line을 연결함으로써 안정적인 캐노피팽창 형상으로 전환할 수 있었다. 또한, 이러한 reefing 방식의 변경이 항력계수에 미치는 영향도 평가할 수 있었으며, 이 경우 일반적인 reefing 방식에 비해 항력면적이 약 25% 가량감소됨을 알 수 있었다.
041 가량 감소시키는 것을 보여주고 있다. 리본형 낙하산 모형 3종은 수평 리본 수와 다공도(porosity)만 약간씩 차이가 있는 관계로 상호간에 큰 차이가 없는 보정효과를 보였다. 또한, 시험부에 대한 모형 낙하산의 투영면적 비율이 약 1.
본 시험에서 측정하고자 하는 낙하산 reefing 형상에 대한 주된 관심영역은 reefing-line ratio 20~30%의 구간이었다. 그러나, 균일한 팽창 형상을 갖도록 reefing-line을 고정했음에도 불구하고 낮은 reefing-line ratio 영역에서 캐노피의 부분함몰 현상이 관측됨에 따라, 이후 시험에서는 이러한 현상을 피하고자 기존의 reefing 방식을 mid-gore reefing 방식으로 변경하여 시험을 수행하였다.
그림에서 reefing 상태의 A 1 모형은 캐노피에 대한 reefing-line의 형상제한으로 인해 상대적으로 매우 작은 항력계수 특성(약 28%)을 보이고 있다. 본 시험은 보다 유효성 있는 시험결과를 얻기 위해 레이놀즈수의 영향이 상대적으로 작은 영역[1]인 레이놀즈수 5X105 이상에서 수행하였으며, 시험결과에서는 레이놀즈수가 증가함에 따라 0.001~0.068 가량의 항력계수(공칭직경 기준) 증가가 있었다.
[2] 따라서, 산줄 길이가 상대적으로 긴 A 1 모형의 reefing ratio 변화경향이 다른 유사 시험 결과들에 비해 약간 완만함을 알 수 있으며, 시험 결과가 기존의 유사 시험결과들과 잘 부합되고 있음을 알 수 있다. 아울러, 이 시험 결과로부터 시험대상 낙하산의 캐노피 최대 팽창시의 스커트 직경과 최대 reefing-line 길이를 결정할 수 있다.

후속연구

4. 실물과 모형 낙하산간의 유연성의 차이가 정적 안정성의 차이에 크게 영향을 주는 것으로 판단되므로, 향후 낙하산 강성도 (stiffness index)에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
따라서, 향후 낙하산의 정적성능과 동적 특성에 영향을 주는 것으로 알려진 강성도 (stiffness index)[이와 같은 모형의 유연성에 대한 정량적인 지표를 시험요소에 반영함으로써 낙하산 재질 특성과 무게 등에 대한 영향을 감안해야만, 불가피한 축소모형 사용으로 인해 발생하는 실물 낙하산과의 성능특성 차이를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

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