[논문]공압식 날개전개장치 특성 연구

강춘길; 원명식

[국내논문] 공압식 날개전개장치 특성 연구
A Study on Characteristics of a Pneumatic Device for Deploying Fins 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.13 no.3, 2010년, pp.365 - 371

Abstract ▼ AI-Helper

The fins of a missile which is folded within a canister are deployed according to a command during the missile flight. The aerodynamic load generated by operating environments such as missile flight speed, platform movement speed and wind acts as an anti-deploying force and prevents the fins from deploying. As the diversification of platforms and the higher speed of missiles need a larger deploying force but the space for operating the fin deploying device is getting narrower, the new design concepts are required for developing such a device. In this study, a pneumatic device for deploying missile fins is designed and its characteristics are verified through experiments and analyses.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

유도탄의 고속화 및 운용 환경의 다변화는 큰 전개력을 보유한 날개전개장치를 요구하고 있지만 설계 공간은 오히려 줄어들고 있어 새로운 형태의 전개장치 개발이 요구된다. 본 연구에서는 작은 탑재공간과 증대되는 전개력 요구조건을 만족하는 공압식 날개전개장치의 특성을 해석 및 시험을 통하여 규명하였다. 고압용기의 압력을 변화시킴으로써 전개력 변화에 능동적으로 대응할 수 있으며 가스의 공급 시간을 적절히 지연시킴으로서 별도의 완충장치가 없이도 전개 충격을 완화시킴으로서 장치를 소형화할 수 있었다.

가설 설정

이러한 일반적인 거동을 수식화하여 해석하기는 거의 불가능하기 때문에 물리적 의미를 갖는 가정을 적용함으로써 해석상의 편이를 도모하고 수식을 단순화할 수 있다. 모든 열/유체역학적 거동을 극히 짧은 순간(10^-5~10^-4초 수준)으로 분할하여 생각하면 짧은 순간 동안의 고압가스 유동은 가역단열과정 및 정상상태 거동을 따른다고 가정할 수 있다. 또한 제어체적(control volume)내의 모든 열역학적 특성값은 균일하다고 가정한다.
모든 열/유체역학적 거동을 극히 짧은 순간(10^-5~10^-4초 수준)으로 분할하여 생각하면 짧은 순간 동안의 고압가스 유동은 가역단열과정 및 정상상태 거동을 따른다고 가정할 수 있다. 또한 제어체적(control volume)내의 모든 열역학적 특성값은 균일하다고 가정한다. 이러한 가정을 근거로 하여 열역학적 제1법칙, 질량보존의 법칙 및 기체 상태방정식 등을 적용하면 실린더로 공급되는 유량과 제어체적내의 압력 변화량은 방정식 (2)와 (3)으로 정리된다.

제안 방법

서보모타(servo motor, LF30_LG)를 이용하여 반전개력을 모사하고 날개와 서보모타 사이에는 토오크미터(YDRA-5K)를 설치하여 날개 전개 과정에서의 동적 토오크를 측정하였다. 또한 고압용기, 배관, 전개장치의 실린더 등 가스가 공급되는 주요 경로에서의 압력을 계측하여 해석결과와 비교하였다.
서보모타(servo motor, LF30_LG)를 이용하여 반전개력을 모사하고 날개와 서보모타 사이에는 토오크미터(YDRA-5K)를 설치하여 날개 전개 과정에서의 동적 토오크를 측정하였다. 또한 고압용기, 배관, 전개장치의 실린더 등 가스가 공급되는 주요 경로에서의 압력을 계측하여 해석결과와 비교하였다. 4개의 날개를 동시에 전개시키는 실제 운용시험에서는 1개의 날개에만 반전개력을 부가하고 3개의 날개는 무부하 조건으로 전개시킴으로써 가장 가혹한 전개 환경을 모사하였다.
또한 고압용기, 배관, 전개장치의 실린더 등 가스가 공급되는 주요 경로에서의 압력을 계측하여 해석결과와 비교하였다. 4개의 날개를 동시에 전개시키는 실제 운용시험에서는 1개의 날개에만 반전개력을 부가하고 3개의 날개는 무부하 조건으로 전개시킴으로써 가장 가혹한 전개 환경을 모사하였다.
고압용기의 압력을 1400psi로 고정하고 반전개력의 유무에 따른 실린더 내부의 압력과 전개 토오크를 해석결과와 비교하였다.
이상과 같이 비행환경을 모사한 풍동시험을 통하여 공압식 날개전개장치의 성능을 최종적으로 검증하였다.

대상 데이터

공압식 날개전개장치의 체계 적용 여부는 실제 비행환경을 모사하는 풍동시험을 통하여 최종적으로 결정된다. 시험에는 모든 운용환경을 고려하여 시험조건을 도출하고 4개의 날개와 구동기를 탑재한 모사 시편이 사용되었다.

성능/효과

본 연구에서 제안한 공압식 날개전개장치는 압력용기에 충전된 고압의 가스(N₂)를 이용하여 날개의 접힘 상태 유지 및 해제, 날개전개, 전개장치 분리 등 일련의 기능을 순차적으로 수행함으로써 높은 신뢰도를 확보하고 있으며 작동 완료 후 분리됨으로써 시스템의 경량화에도 기여하고 있다. 또한 공압의 특성을 이용하여 전개시 미익에 부가되는 반전개 환경에 따라 전개력이 어느정도 자동적으로 조절됨으로써 전개 충격을 최소화하고 있다.
본 전개장치는 공압을 사용함으로써 수반되는 작동 시간 지연 현상, 직선운동을 회전운동으로 변환시키기 위한 메커니즘의 기구학적 특성 등이 연계되어 매우 복잡한 전개 특성을 가진다. 이에 반전개력을 지상에서 모사할 수 있는 시험 장치를 개발하여 전개장치의 주요 특성과 능력을 확인하였으며, 최종적으로는 풍동시험을 통하여 반전개 공기력 작용시에 대한 전개 성능을 확인하고 체계 적용 가능성을 입증하였다.
본 연구에서는 작은 탑재공간과 증대되는 전개력 요구조건을 만족하는 공압식 날개전개장치의 특성을 해석 및 시험을 통하여 규명하였다. 고압용기의 압력을 변화시킴으로써 전개력 변화에 능동적으로 대응할 수 있으며 가스의 공급 시간을 적절히 지연시킴으로서 별도의 완충장치가 없이도 전개 충격을 완화시킴으로서 장치를 소형화할 수 있었다.

후속연구

개발된 전개장치는 추후 많은 유사체계에서 적용이 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발사체에서 날개의 전개를 방해하는 힘으로 작용하는 공기력은 어떻게 생성되는가?	원통형 발사관을 이용하는 대부분의 유도탄은 접는 날개를 채택하고 있으며 발사관을 이탈하여 필요한 시기에 날개를 전개시키는 형태로 운용된다. 이때 탄의 비행 속도나 바람과 같은 비행 환경, 운용 함정의 운항 속도 등이 복합적으로 결합되어 생성되는 공기력은 날개의 전개를 방해하는 힘으로 작용한다. 특히 비행체가 고속화됨에 따라 항력을 최소화는 과정에서 유도탄의 외형은 점점 더 유선형(streamline shape)화되어 날개 전개장치를 비롯한 주요 기계장치의 설계 공간은 훨씬 더 협소해지는 반면 요구되는 전개력은 큰 폭으로 증가되고 있다.
	새로운 형태의 날개전개장치 개발 필요성이 증대되는 배경은?	원통형 발사관을 이용하는 대부분의 유도탄은 접는 날개를 채택하고 있으며 발사관을 이탈하여 필요한 시기에 날개를 전개시키는 형태로 운용된다. 이때 탄의 비행 속도나 바람과 같은 비행 환경, 운용 함정의 운항 속도 등이 복합적으로 결합되어 생성되는 공기력은 날개의 전개를 방해하는 힘으로 작용한다. 특히 비행체가 고속화됨에 따라 항력을 최소화는 과정에서 유도탄의 외형은 점점 더 유선형(streamline shape)화되어 날개 전개장치를 비롯한 주요 기계장치의 설계 공간은 훨씬 더 협소해지는 반면 요구되는 전개력은 큰 폭으로 증가되고 있다. 이러한 운용 환경의 변화는 새로운 형태의 날개전개장치 개발 필요성을 증대시키고 있다.
	대부분의 유도탄은 어떤 형태로 운용되는가?	원통형 발사관을 이용하는 대부분의 유도탄은 접는 날개를 채택하고 있으며 발사관을 이탈하여 필요한 시기에 날개를 전개시키는 형태로 운용된다. 이때 탄의 비행 속도나 바람과 같은 비행 환경, 운용 함정의 운항 속도 등이 복합적으로 결합되어 생성되는 공기력은 날개의 전개를 방해하는 힘으로 작용한다.

참고문헌 (3)

Blaine W. Andersen, "The Analysis and Desing of Pneumatic Systems", Robert E. Krieger Publishing Company, 1976.
손병진 외, "유압공학", 탑출판사.
강춘길 외, "공압식 미익전개장치 개발보고서", 국방과학연구소, ADDR-S416-09079, 2009.

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