[논문]함정모델의 탈자프로토콜 변화에 따른 탈자성능 분석

김종왕; 김지호; 박현수; 정현주; 이향범

doi:10.5370/kiee.2011.60.9.1693

문제 정의

함정 모델의 영구자화에 의한 자기장 신호와 유도 자화에 의한 자기장 신호를 분기하기 위하여 Inter-cardinal Run을 이용하였으며 소형 탈자 시스템을 제작하여 영구가기장 신호를 최소화시키는 실험을 하였다. 또한 탈자 프로토콜의 초기 전류 변화와 탈자 전류가 0 A가 되는 Dead Time 구간을 탈자 프로토콜에 삽입하여 다양한 탈자 프로토콜 변화에 따른 함정모델 탈자 성능을 향상시키는 연구를 수행하였다.
본 논문에서는 해군 함정의 자기 정숙화를 위한 기초연구로 자기 정숙화의 방법 중 탈자 프로토콜 변화에 따른 탈자 성능 향상을 분석하는 연구를 수행하였다. 함정 모델의 영구자화에 의한 자기장 신호와 유도 자화에 의한 자기장 신호를 분기하기 위하여 Inter-cardinal Run을 이용하였으며 소형 탈자 시스템을 제작하여 영구가기장 신호를 최소화시키는 실험을 하였다.
본 논문은 해군 함정의 자기 정숙화를 위한 연구로 소형 탈자 처리 시스템을 제작하여 함정 모델의 영구자기장을 최소화 시키는 탈자 실험을 진행하였다. 소형 탈자 시스템의 X 코일과 Z 코일은 상용 전자장 수치해석 프로그램인 MagNet을 이용하여 설계하였으며 코일 제작 후 코일 위치에 대한 자기장 측정 데이터와 수치해석에서 예측된 데이터가 일치하는 결과를 얻을 수 있었다.

제안 방법

그림 13은 소형 탈자 처리 시스템의 구성을 나타낸다. X 코일에는 탈자 프로토콜을 인가하기 위하여 NF bipolar DC power supply와 DAQ 그리고 LabVIEW를 연결하여 LabVIEW에서 만들어진 전류를 X 코일에 인가되도록 하였으며, Z 코일은 소형 탈자 시스템이 있는 위치의 수직 방향 자기장을 상쇄하기 위하여 unipolar power supply를 이용하였다. 소형 탈자 시스템의 모든 power supply와 DAQ 및 노트북을 켠 상태에서 함정 모델이 위치 할 지점의 자기장을 Fluxgate를 이용하여 측정 한 결과 수직 방향(Z 방향)으로 28 μT (22.
0을 이용하였다. X 코일을 설계하기 위한 설계 조건은 첫째로 함정 모델 길이인 0.33m 이상의 균일한 자기장 X 코일 내부에서 발생되도록 하였으며, 둘째로 함정 모델 재질인 SM45C의 보자력 530 A/m의 4배인 약 2,100 A/m 이상의 자기장을 발생되도록 하였다. 그림 9와 표 2에서는 본 논문에서 제작된 소형 탈자 처리 시스템의 X 코일과 Z 코일의 구조 및 제원을 나타내었으며, 이를 바탕으로 탈자시스템의 제작이 완성된 모습은 그림 10에 나타내었다.
28 A/m)가 측정되었다. 따라서 Z 코일에 0.14A의 전류를 인가하여 -Z 방향으로 자기장을 생성하고 함정 모델의 위치에서의 총 수직 자기장을 0으로 만들었다.
여러 탈자 프로토콜에 의한 탈자 성능을 판단하기 위해서는 함정 모델의 초기 영구 자기장이 매번 동일한 상태에서 탈자가 진행되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 함정 모델의 임의 탈자 처리 후 2A의 직류 전류를 100초 동안 소형 탈자 처리 시스템의 X 코일에 인가하여 함정 모델을 착자 처리하였다. 총 5번의 실험 결과 5번 모두 그림 14와 같이 오차율 5% 이내에서 영구 자기장의 결과를 얻을 수 있었다.
08 A로 탈자가 끝나게 된다. 또한 그림 15는 탈자 지속 시간을 100초, 전류 dead time은 0%로 하였으며, 그림 16은 탈자 지속 시간을 200초, 전류 dead time은 50%로 하여 전류 dead time에 의한 탈자 효과를 비교하였다. dead time에 의한 전류 duty cycle로 dead time 50%인 경우는 전류의 high, 0, low가 동일한 시간동안 이루어진다.
소형 탈자 시스템의 X 코일과 Z 코일은 상용 전자장 수치해석 프로그램인 MagNet을 이용하여 설계하였으며 코일 제작 후 코일 위치에 대한 자기장 측정 데이터와 수치해석에서 예측된 데이터가 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 소형 탈자 시스템의 실험은 LabView 프로그램을 이용하여 제작된 탈자 프로토콜을 다양하게 변화 시키며 진행 하였다. 실험에서 사용한 탈자 프로토콜은 초기 탈자 전류를 8A, 6A, 4A로 변화 시켜 탈자 프로토콜 진행 동안 변화하는 전류 Step에 따른 탈자 성능을 연구 하였으며, 탈자 프로토콜에 전류 Dead Time을 삽입하여 전류 Dead Time의 탈자 효과를 실험을 통하여 연구하였다.
소형 탈자 시스템의 실험은 LabView 프로그램을 이용하여 제작된 탈자 프로토콜을 다양하게 변화 시키며 진행 하였다. 실험에서 사용한 탈자 프로토콜은 초기 탈자 전류를 8A, 6A, 4A로 변화 시켜 탈자 프로토콜 진행 동안 변화하는 전류 Step에 따른 탈자 성능을 연구 하였으며, 탈자 프로토콜에 전류 Dead Time을 삽입하여 전류 Dead Time의 탈자 효과를 실험을 통하여 연구하였다. 전류 Step 변화 실험 결과 탈자 전류 Step이 0.
표 1과 그림 4는 실험에서 사용한 함정 모델의 제원이며, 그림 5는 함정 모델의 재질인 SM45C의 M-H 곡선이다. 실험은 각종 자성체나 전기기기 그리고 상용 주파수에 의한 자기장 잡음 요소가 적으면서 지구자기장의 영향을 받을 수 있는 넓은 공터에서 실시하였다.
영구자기장과 유도자기장을 그림 1과 같이 방향성분으로 길이 방향 자기장(Longitudinal Magnetic field ; LM), 수직 방향 자기장(Vertical Magnetic field ; VM), 측 방향 자기장(Athwartship Magnetic field ; AM)으로 구분한다.
본 논문에서는 해군 함정의 자기 정숙화를 위한 기초연구로 자기 정숙화의 방법 중 탈자 프로토콜 변화에 따른 탈자 성능 향상을 분석하는 연구를 수행하였다. 함정 모델의 영구자화에 의한 자기장 신호와 유도 자화에 의한 자기장 신호를 분기하기 위하여 Inter-cardinal Run을 이용하였으며 소형 탈자 시스템을 제작하여 영구가기장 신호를 최소화시키는 실험을 하였다. 또한 탈자 프로토콜의 초기 전류 변화와 탈자 전류가 0 A가 되는 Dead Time 구간을 탈자 프로토콜에 삽입하여 다양한 탈자 프로토콜 변화에 따른 함정모델 탈자 성능을 향상시키는 연구를 수행하였다.
함정 모델 표면에는 함정 모델 길이의 중심이 되는 위치를 표시하여 플라스틱으로 제작된 카트 위에 놓이는 기준 위치로 설정하였고, 길이 방향으로 양쪽 끝에 각각 A와 B를 표시하여 함정 모델의 앞과 뒤를 구분하였다. 함정 모델의 위치에 따른 함정 모델의 자기장 데이터를 얻기 위하여 함정 모델의 왕복 기동 시 레이저 거리측정 센서(Leica Disto D8)를 이용하여 함정 모델의 이동 거리를 실시간으로 측정하였다. 카트의 높이와 알루미늄 레일의 두께를 고려하여 자기센서를 설치하였을 때 자기센서와 함정 모델 중심과의 이격 거리는 225mm이다.

대상 데이터

함정 모델은 비자성체인 플라스틱 카트에 의해 알루미늄으로 제작된 레일을 따라 왕복 기동한다. 실험에 사용된 자기센서는 1nT의 해상도를 갖는 모델로 알루미늄 레일 제작 시 비자성체 나사를 사용하여 함정 모델 이외의 자성체는 자기센서에서 영향을 주지 않도록 하였다. 함정 모델 표면에는 함정 모델 길이의 중심이 되는 위치를 표시하여 플라스틱으로 제작된 카트 위에 놓이는 기준 위치로 설정하였고, 길이 방향으로 양쪽 끝에 각각 A와 B를 표시하여 함정 모델의 앞과 뒤를 구분하였다.
실험에서 사용된 자기센서는 영국 Batington Instruments사의 three-axis fluxgate magnetometer MAG-03MCB70로 ±70μT까지 측정 가능하다[8].

이론/모형

따라서 함정 모델을 충분히 자기 포화시킬 수 있는 자기장을 발생시켜야 하는 구조적인 설계가 필요하며 이러한 자기장의 크기는 보통 함정 모델의 재질이 갖는 보자력(H_c)의 3～4배 정도의 크기이다[9]. 본 논문에서 소형 탈자 처리 시스템에 사용할 X 코일 및 Z 코일의 설계를 위하여 상용 전자장 해석 도구인 Magnet 7.0을 이용하였다. X 코일을 설계하기 위한 설계 조건은 첫째로 함정 모델 길이인 0.
함정에서 발생하는 수중 자기장 신호를 최소화시키기 위한 자기 정숙화 방법으로는 탈자(Deperming)와 소자(Degaussing)를 사용한다[3][4]. 탈자는 함정에 존재하는 영구 자화를 최소화시키기 위한 방법으로 해안가에 별도의 시설을 갖추고 Deperm ME, Flash D, Anhysteretic deperm 등의 규격화된 탈자 절차에 따라 탈자를 진행한다.

성능/효과

Bell사의 Model 6010 Gauss/Tesla Meter와 X 코일은 axial probe, Z 코일은 Transverse probe를 이용하였다. 그림 11을 통하여 결과를 비교하면 수치해석을 통한 자기장 세기 결과와 제작된 코일의 자기장 세기 결과가 상당히 일치하는 것을 알 수 있었다. 그림 12와 같이 실제 측정된 자기장 세기의 분석 결과 -110mm에서 120mm까지 균일한 자기장의 세기를 나타내는 것을 볼 수 있는데 이는 Gauss/Tesla Meter는 Hall Sensor를 이용하는 측정 장비로 측정 범위가 넓은 대신, 해상도가 낮기 때문에 발생한 오차이다.
수치의 계산은 [{1-(50% Dead Time data / 0% Dead Time data)}×100] [%]로 백분율이 높을수록 dead time에 의한 탈자 성능이 향상됨을 의미한다. 그림 15부터 그림 20까지의 비교 결과 탈자 프로토콜의 초기 전류의 크기에 상관없이 탈자 프로토콜의 전류 dead time을 50%를 적용한 경우가 dead time을 적용하지 않은 경우보다 48.51% 이상 함정 모델의 탈자 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
04A/step으로 줄어들수록 탈자 효과가 증대하였다. 또한 탈자 프로토콜에 전류 Dead Time 삽입 실험 결과 Dead Time을 삽입하지 않은 경우 보다 48.51% 이상 탈자 성능이 향상되었으며 이는 탈자 처리 동안 함정 모델 자화량 안정에 따른 결과로 분석되었다.
본 논문은 해군 함정의 자기 정숙화를 위한 연구로 소형 탈자 처리 시스템을 제작하여 함정 모델의 영구자기장을 최소화 시키는 탈자 실험을 진행하였다. 소형 탈자 시스템의 X 코일과 Z 코일은 상용 전자장 수치해석 프로그램인 MagNet을 이용하여 설계하였으며 코일 제작 후 코일 위치에 대한 자기장 측정 데이터와 수치해석에서 예측된 데이터가 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 소형 탈자 시스템의 실험은 LabView 프로그램을 이용하여 제작된 탈자 프로토콜을 다양하게 변화 시키며 진행 하였다.
소형 탈자 시스템의 모든 power supply와 DAQ 및 노트북을 켠 상태에서 함정 모델이 위치 할 지점의 자기장을 Fluxgate를 이용하여 측정 한 결과 수직 방향(Z 방향)으로 28 μT (22.28 A/m)가 측정되었다.
수치의 계산은 [{1-(50% Dead Time data / 0% Dead Time data)}×100] [%]로 백분율이 높을수록 dead time에 의한 탈자 성능이 향상됨을 의미한다.
실험에서 사용한 탈자 프로토콜은 초기 탈자 전류를 8A, 6A, 4A로 변화 시켜 탈자 프로토콜 진행 동안 변화하는 전류 Step에 따른 탈자 성능을 연구 하였으며, 탈자 프로토콜에 전류 Dead Time을 삽입하여 전류 Dead Time의 탈자 효과를 실험을 통하여 연구하였다. 전류 Step 변화 실험 결과 탈자 전류 Step이 0.08A/step, 0.06A/step, 0.04A/step으로 줄어들수록 탈자 효과가 증대하였다. 또한 탈자 프로토콜에 전류 Dead Time 삽입 실험 결과 Dead Time을 삽입하지 않은 경우 보다 48.
따라서 본 논문에서는 함정 모델의 임의 탈자 처리 후 2A의 직류 전류를 100초 동안 소형 탈자 처리 시스템의 X 코일에 인가하여 함정 모델을 착자 처리하였다. 총 5번의 실험 결과 5번 모두 그림 14와 같이 오차율 5% 이내에서 영구 자기장의 결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

본 논문의 연구 결과는 함정 자기정숙화를 위한 탈자 처리 시스템 확보와 탈자 프로토콜 개발에 필요한 자료가 될 것이며, 또한 함정 자기 피탐지 감소 기술을 높여 궁극적으로 국가 국방력 강화에 큰 도움이 될 것이라 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Inter-Cardinal Run 방법의 장점은?	Inter-Cardinal Run 방법은 ILM과 IAM을 분리하기 위하여 총 1회의 왕복 기동이 필요하고 Cardinal Run 방법에 비하여 기동 횟수가 작은 장점이 있다. 그림 2의 (b)를 보면 자북 기준 서편 45도 방향으로 1회 왕복 기동한 자기장 데이터를 측정하여 ILM과 IAM을 분리한다.
	강자성 선체를 갖는 함정의 자기장을 발생 원인에 따라 구분하면 어떻게 나눌 수 있는가?	강자성 선체를 갖는 함정의 자기장은 크게 발생 원인과 자기장 방향 성분에 따라 분리할 수 있다. 함정의 자기장을 발생 원인에 따라 구분하면 영구자기장(Permanent Magnetic field ; PM)과 유도자기장(Induced Magnetic field ; IM)으로 나눌 수 있다. 영구자기장은 외부 자기장이 자성체에 동일한 방향으로 지속적으로 작용한 경우 자기장이 제거된 후에도 자성체 내에 잔류자화가 존재하기 때문에 발생한다.
	Cardinal Run 방법이란?	Cardinal Run 방법은 자북방향과 자남방향으로 왕복 이동하면서 측정한 함정의 자기장 데이터를 이용하여 함정의 길이 방향 유도자기장(ILM)을 분리하는 방법이다. 같은 방법으로 함정으로 서쪽 방향과 동쪽 방향으로 왕복 이동하면서 측정한 함정의 데이터를 이용하여 측 방향 유도자기장(IAM)을 분리할 수 있다.

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