[논문]ER 유체를 이용한 회전식 약실 축계의 비틀림 진동 제어

임승철; 김기갑; 길성진; 심정수; 차기업

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.1.017

초록
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간헐 회전식 약실 계가 화력 대 무장 공간의 비율 관점에서 볼 때 중구경 자동포에 크게 유익하다고 보고되었다. 그러나 약실계의 핵심 부품인 평행 인덱스가 인덱스 터릿에 설치되는 캠종동절의 상대적으로 낮은 횡 강성으로 인하여 비틀림 방향으로 유연해지는 경향이 있으며, 이는 결국 터릿과 약실 사이의 연결 축이 상당한 크기의 비틀림 잔류 진동에 노출되어 탄 장전과 발사 시에 심각한 비정렬 문제를 야기시킬 수 있다. 이러한 맥락에서 본 논문에서는 상기 진동을 억제하는 ER 유체 작동기와 그에 적합한 반능동 제어 알고리듬을 제안하게 되었으며, 전체 계의 수학적 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 그 성능이 만족스러움을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is reported that an intermittently rotating chamber system will improve the ratio of firepower to armament space in the case of mid-calibre automatic guns. However, the parallel index, which is a main component of the system, tends to be torsionally flexible due to the low lateral stiffness of ca...

It is reported that an intermittently rotating chamber system will improve the ratio of firepower to armament space in the case of mid-calibre automatic guns. However, the parallel index, which is a main component of the system, tends to be torsionally flexible due to the low lateral stiffness of cam followers on the index turret. This may cause the shaft system connecting the turret with the chamber prone to considerable residual torsional vibration so that serious misalignment problems occur during ammunition loading and firing processes. Herein, an electrorhelogical (ER) fluid actuator that can suppress such vibrations and the associated semiactive control algorithm are proposed. By mathematical modeling and computer simulations, the performance of the entire system is proved satisfactory.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 장갑차의 중구경 화기로서 화력 증강과 무장의 크기 제한을 동시에 만족시킬 수 있는 CTA 자동포 용 약실 축계의 비틀림 진동 제어에 대하여 고찰하였다.
이에 본 논문에서는 수학적 모델링을 통하여, 캠 종동절(follower)의 상대적으로 작은 횡강성에 기인하여 약실계의 핵심 부품인 평행 인덱스가 약실의 회전 방향으로 갖는 유연성의 정도, 그에 따른 인덱스 터릿(turret)으로부터 약실에 이르는 회전축계의 비틀림 진동이 탄 장전 및 발사 시 비정렬 문제에 미치는 영향 등을 분석한다. 그런 다음 상기 진동을 억제하기 위한 ER 유체 작동기와 그에 적합한 반능동 제어기를 제안하고 그들의 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 전체 시스템의 성능을 검증한다.

가설 설정

이 때 특히 kt1 은 유사품의 사양(6)을, 약실 축의 강성 kt2 는 직경과 길이가 각각 0.05, 0.06m 인 구조강 재질의 원형 단면축을 기준으로 구하였으며, 작동기의 내압을 5kV 로 가정하였다.

제안 방법

이에 본 논문에서는 수학적 모델링을 통하여, 캠 종동절(follower)의 상대적으로 작은 횡강성에 기인하여 약실계의 핵심 부품인 평행 인덱스가 약실의 회전 방향으로 갖는 유연성의 정도, 그에 따른 인덱스 터릿(turret)으로부터 약실에 이르는 회전축계의 비틀림 진동이 탄 장전 및 발사 시 비정렬 문제에 미치는 영향 등을 분석한다. 그런 다음 상기 진동을 억제하기 위한 ER 유체 작동기와 그에 적합한 반능동 제어기를 제안하고 그들의 모델링과 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 전체 시스템의 성능을 검증한다.
또한 작동기로서는 최근의 기술 개발로 그 응용 가능성이 대폭 확대된 ER 유체^(11,12)의 전단모드 유동을 이용한 원통형 구조의 작동기를 제안한다. 이를 Fig.
이를 위하여 약실 상부에 설치할 원통형 ER 유체 작동기와 그에 적합한 반능동식 귀환 제어기를 설계하였으며, ER 작동기용 전압 증폭기를 포함한 전체 계의 수학적 모델을 유도하였다. 이러한 모델을 근거로 약실 축계의 고유치 해석 및 제어 성능 시뮬레이션을 수행해 본 결과, ER 유체와 작동기의 유한한 응답속도를 무시한 채 전압 증폭기의 시상수 τ_A =0.
이에 그 영향을 정량적으로 평가하기 위하여 약실 구동 모터로부터 인덱스 드라이브까지의 전동 장치는 강체 계로 가정하되, 약실 축계는 Fig. 6 에서와 같이, 터릿 부분을 무질량의 가상부와 실제부로 나누고 그 사이에 캠 종동절의 유연성이 존재하는 것으로 이상화하였다. 그 경우 가상부는 약실 구동 모터와 연동하여 간헐적 회전 운동을 하지만, 약실과 터릿 실제부는 진동을 수반하는 간헐 회전 운동을 일으키며 그의 수학적 모델은 다음과 같이 3 자유도 계로 표현될 수 있다.

이론/모형

제안된 제어 시스템의 성능을 평가하기 위하여, 식 (1), (3)∼(5)와 ER 유체의 물성치(12)를 포함한 Table 1 의 시스템 제원을 적용하여 정지 상태로부터 200 spm 인 최대 발사속도에 이르도록 약실 구동 모터의 속도를 제어하며 Matlab 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

이러한 모델을 근거로 약실 축계의 고유치 해석 및 제어 성능 시뮬레이션을 수행해 본 결과, ER 유체와 작동기의 유한한 응답속도를 무시한 채 전압 증폭기의 시상수 τA =0.1ms 만을 고려한 경우 그리고 ER 유체와 작동기의 응답속도까지를 반영하여 τA =1ms 로 가정한 경우 각각 약실 위치에서의 최대 비틀림각을 1e-3, 2e-3 rad 정도로 억제할 수 있음을 알 수 있었다.
이로써 본 논문에서 제안한 제어 장치와 알고리듬이, ER 유체와 작동기의 응답속도가 허용하는 범위 내에서, 약실의 고속 간헐 회전 시 발생 가능한 비틀림 잔류 진동에 대한 매우 효과적인 대처 방안으로 판명되었다.

후속연구

의 적용 가능성도 있어 보인다. 그러나 인덱스가 이미 정해진 상황과 탄 발사 속도의 변화에 따른 가진 주파수의 가변성, 동력의 과도 사용이나 장치의 불안정화 가능성 등을 감안할 때 적은 에너지를 사용하면서도 안정적으로 능동 제어 수준의 성능을 확보할 수 있는 반능동식 제어기가 본 응용에 더욱 적합하다고 사료된다.
예를 들어 40mm CTA(Cased Telescoped Ammunition) ^(1~5)와 같이 외관상 원통형의 탄을 사용하는 경우, 밀어 넣기(push-through) 개념에 의한 장전과 탄피 방출이 가능한 간헐 회전식 약실을 적용할 수 있다. 이에 따라 발사율 제고와 함께 기존 대비 약 50% 정도 부품이 감소되면서 포 자체의 신뢰도 및 정비성이 대폭 향상될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반능동식 제어기가 전술한 약실 회전축계의 비틀림 진동을 억제하기 위하여 가장 적합한 이유는?	전술한 약실 회전축계의 비틀림 진동을 억제하기 위하여 여러 가지 사례를 검토한 결과, 인덱스캠 변위 곡선의 개선,(7) 전기 모터에 의한 능동 제어 방식(9) 등이 있었으며 점성 감쇠기를 포함하는 수동 감쇠기(10)의 적용 가능성도 있어 보인다. 그러나 인덱스가 이미 정해진 상황과 탄 발사 속도의 변화에 따른 가진 주파수의 가변성, 동력의 과도 사용이나 장치의 불안정화 가능성 등을 감안할 때 적은 에너지를 사용하면서도 안정적으로 능동 제어 수준의 성능을 확보할 수 있는 반능동식 제어기가 본 응용에 더욱 적합하다고 사료된다.
	공간의 제약에도 불구하고 화력 증대를 위하여 기존 탄보다 화력이 크면서도 단순한 형상을 갖는 탄의 사용이 바람직한 예시는?	현재 전투 장갑차의 주무장으로서 25 또는 35mm 구경의 자동포가 주류이나, 공간의 제약에도 불구하고 화력 증대를 위하여 기존 탄보다 화력이 크면서도 단순한 형상을 갖는 탄의 사용이 바람직하다. 예를 들어 40mm CTA(Cased Telescoped Ammunition) (1~5)와 같이 외관상 원통형의 탄을 사용하는 경우, 밀어 넣기(push-through) 개념에 의한 장전과 탄피 방출이 가능한 간헐 회전식 약실을 적용할 수 있다. 이에 따라 발사율 제고와 함께 기존 대비 약 50% 정도 부품이 감소되면서 포 자체의 신뢰도 및 정비성이 대폭 향상될 것으로 기대된다.
	현재 전투 장갑차의 주류는?	현재 전투 장갑차의 주무장으로서 25 또는 35mm 구경의 자동포가 주류이나, 공간의 제약에도 불구하고 화력 증대를 위하여 기존 탄보다 화력이 크면서도 단순한 형상을 갖는 탄의 사용이 바람직하다. 예를 들어 40mm CTA(Cased Telescoped Ammunition) (1~5)와 같이 외관상 원통형의 탄을 사용하는 경우, 밀어 넣기(push-through) 개념에 의한 장전과 탄피 방출이 가능한 간헐 회전식 약실을 적용할 수 있다.

참고문헌 (15)

Duckworth, M., 2005, "40mm CTWS Supporting UK
Leslie, D., 2001, "40mm Cased Telescoped Weapon
Lim, S., Kim, K. K., Shim, J. S., Kil, S. J., Lee, G. H.,
Lim, S., Kim, K. K., Shim, J. S., Kil, S. J., Kim, H.
Agency for Defense Development, 2006, A Study on
Yangheon Machinery Co., Handex, 2005.
Sankyo Korea Co., 2009, Educational Material on
Norton, R. L., 2004, Design of Machinery, McGraw-Hill.
Kim, J. B., Lee, S. J. and Park, Y. P., 1992,
Rao, S. S., Mechanical Vibrations, 2004, Pearson
Sung, K. G. and Choi, S. B., 2007, "Maneuver

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Lim, S., Park, S. M. and Kim, K. I., 2005, "AI
Kim, J. O. and Chun, H. Y., 2003, "Interaction
Dorf, R. C. and Bishop, R. H., 2001, Modern
Park, I. S., 2009, "The Experimental and Basic

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