[논문]몰수체의 CPMC 구속모형시험

김연규; 윤근항; 김선영; 김동진

doi:10.3744/snak.2012.49.4.296

몰수체의 CPMC 구속모형시험
Captive Model Test of Submerged Body Using CPMC 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.4, 2012년, pp.296 - 303

김연규 (한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소) , 윤근항 (한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소) , 김선영 (한국해양과학기술원 선박해양플랜트연구소) , 김동진 (서울대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The captive model test of submerged body using CPMC(Computerized Planar Motion Carriage) was carried out at the Ocean Basin of KORDI/MOERI. The target model is a submarine with general hullform. The forces and moments acting on the submerged body were measured by 6-axis waterproof gage. The oblique motion test and turning test were carried out in horizontal and vertical planes of the model. Maneuvering coefficients and derivatives were obtained from the test results. The stability indices in horizontal and vertical planes were obtained by using maneuvering derivatives. In this paper the introduction of test equipment and test results are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는, 일반적인 잠수함 선형에 대하여 한국해양연구원 해양시스템안전연구소(KORDI/MOERI)의 해양공학수조에 설치되어 있는 대형 제어형 예인전차 CPMC(Computerized Planar Motion Carriage)와 몰수체용 구속모형시험장치를 이용하여 수행된 구속모형시험결과를 정리하고, 구속모형시험장치에 대하여 소개하였다. CPMC 구속모형시험은 참고문헌(Kim, et al.

가설 설정

본 연구의 대상선형인 일반적인 잠수함 선형에 대한 안정성 지수는 Table 6에 나타나 있다. 단, 본 선형의 무게중심 위치는 게이지 중심에 있다고 가정하였다.

제안 방법

각 시험에서 계측된 힘과 모멘트로부터 조종유체력 계수를 구하였다. 이러한 해석에 의하여 구해진 조종유체력 계수들이 Table 5에 정리되어 있다.
모형선의 경우 좌우 대칭이고, 상하 비대칭은 그다지 크지 않다는 가정하에 시험 조건을 설정하였으며, β와 r′, α와 q′이 있는 경우에 대한 시험조건은 실선 시운전 중의 선회시험 상태에서의 관계와 시험장치의 스트럿에 의한 유동교란 영향을 최소화하기 위한 조건을 설정하였다.
이러한 해석에 의하여 구해진 조종유체력 계수들이 Table 5에 정리되어 있다. 선형계수는 각각의 계측결과로부터 선형 구간을 설정하여 구하였고, 비선형계수는 선형 구간을 제외한 영역에 대해서 구해진 선형계수에 의한 값을 제외한 후 구하였다.
31 m/s에 대해서 프로펠러가 없는 상태에서 시험이 수행되었다. 정적 시험을 수행하여 수평면 및 수직면에 대한 조종성 계수들을 구하기 위한 시험을 수행하였다. 모형선의 경우 좌우 대칭이고, 상하 비대칭은 그다지 크지 않다는 가정하에 시험 조건을 설정하였으며, β와 r′, α와 q′이 있는 경우에 대한 시험조건은 실선 시운전 중의 선회시험 상태에서의 관계와 시험장치의 스트럿에 의한 유동교란 영향을 최소화하기 위한 조건을 설정하였다.
한국해양연구원 해양시스템안전연구소(KORDI/MOERI)의 해양공학수조에서 일반적인 잠수함 선형에 대하여 CPMC 구속모형시험을 수행하여 저항계수와 조종유체력 계수를 구하였다. 그리고 선형 조종유체력 계수를 이용하여 수직면과 수평면에 대한 안정성 해석을 수행하였으며, 이러한 결과로부터 본 선형은 수직면과 수평면에 대한 직진 안정성을 가지고 있는 것으로 추정되었다.

대상 데이터

2에는 게이지의 사진이 나타나 있다. 시험에 사용된 게이지는 10m 수심이내에서 사용가능한 6축 방수형 게이지이다. 게이지의 크기는 지름이 7.
시험에 사용된 모형선은 일반적인 잠수함 선형이며, 실선의 제원은 Table 3에 정리되어 있다. Fig.

이론/모형

13에 나타낸 것과 같이 해석하였다. 레이놀즈 수에 대한 마찰저항 계수(C_F)는 ITTC 1957 모형선-실선 상관곡선을 사용하여 구하였고(Lewis, 1989), 잉여저항 계수(C_R)는 전저항 계수(C_T)에서 마찰저항 계수를 빼서 구하였다. 해석결과에서 보면 속도가 작은 영역에서는 계측된 전저항 계수가 마찰저항 계수보다 작은 것을 볼 수 있으며, 전체적으로 잉여 저항 계수가 작게 구해진 것을 볼 수 있다.

성능/효과

구속모형시험에서 계측된 결과와 해석된 결과가 다음의 그림들에 실려 있다. 계측된 결과는 도형으로 나타나 있고, 해석된 결과는 해석된 조종유체력 계수들을 이용하여 fitting한 선으로 나타냈다. Fig.
한국해양연구원 해양시스템안전연구소(KORDI/MOERI)의 해양공학수조에서 일반적인 잠수함 선형에 대하여 CPMC 구속모형시험을 수행하여 저항계수와 조종유체력 계수를 구하였다. 그리고 선형 조종유체력 계수를 이용하여 수직면과 수평면에 대한 안정성 해석을 수행하였으며, 이러한 결과로부터 본 선형은 수직면과 수평면에 대한 직진 안정성을 가지고 있는 것으로 추정되었다.
레이놀즈 수에 대한 마찰저항 계수(C_F)는 ITTC 1957 모형선-실선 상관곡선을 사용하여 구하였고(Lewis, 1989), 잉여저항 계수(C_R)는 전저항 계수(C_T)에서 마찰저항 계수를 빼서 구하였다. 해석결과에서 보면 속도가 작은 영역에서는 계측된 전저항 계수가 마찰저항 계수보다 작은 것을 볼 수 있으며, 전체적으로 잉여 저항 계수가 작게 구해진 것을 볼 수 있다. 이에 대해서는 추가적인 시험과 검토가 필요하다.

후속연구

본 선형은 일반적인 잠수함 선형이므로 앞으로 잠수함의 조종성능 추정 연구에 대한 대상선형으로 활용될 수 있으며, 추후 동적시험과 제어판 작동시험을 수행하여 잠수함 선형에 대한 종합적인 조종성능 추정 자료로 활용되어 잠수함 성능 추정 기술 개발에 기여할 것으로 사료된다.
일반적으로 안정성 지수가 0보다 크면 직진 안정성을 가지고 있다고 할 수 있으며, 본 선형의 경우 수직면과 수평면 모두에 대해서 직진 안정성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 추후 선회성능과 변침성능 등을 포함한 종합적인 조종성능을 추정하기 위해서는 부가질량을 구하기 위한 동적시험과 제어판 성능을 구하기 위한 제어판 작동시험이 수행되어야 하며, 구해진 계수들을 이용한 조종운동 시뮬레이션이 수행되어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	몰수체란 무엇이고, 몰수체에 속하는 물체는 무엇인가?	해양에 존재하는 광물 자원의 탐사 및 채취, 수중 탐사 및 작업, 해양 방위력의 증강 등은 몰수체의 개발 필요성을 증가시키고 있으며, 이에 따라 몰수체에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 몰수체는 수중에서 작동하는 모든 운동체를 의미하며, 수중무기, ROV(Choi, et al., 2008), AUV(Hwang & Seong, 2004; Beak, et al., 2009), 유인 및 무인 잠수정(Sohn, et al., 2006; Bae & Sohn, 2009), 잠수함 등이 포함된다.
	본 연구의 대상선형인 일반적인 잠수함 선형에 대한 안정성은 어떠한가?	일반적으로 안정성 지수가 0보다 크면 직진 안정성을 가지고 있다고 할 수 있으며, 본 선형의 경우 수직면과 수평면 모두에 대해서 직진 안정성을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 추후 선회성능과 변침성능 등을 포함한 종합적인 조종성능을 추정하기 위해서는 부가질량을 구하기 위한 동적시험과 제어판 성능을 구하기 위한 제어판 작동시험이 수행되어야 하며, 구해진 계수들을 이용한 조종운동 시뮬레이션이 수행되어야 한다.
	몰수체의 조종 성능을 추정하는 방법은 어떻게 나눌 수 있는가?	이러한 성능 중 몰수체의 조종 성능에 대한 연구는 다수 수행되고 있다(Bae & Sohn, 2009; Yeo & Rhee, 2006). 몰수체의 조종 성능을 추정하는 방법은 크게 조종운동 수학모형을 이용하여 조종운동을 시뮬레이션 하는 방법과 모형선을 제작하여 자유항주시켜서 조종성능을 평가하는 방법으로 나눌 수 있다. 조종운동 시뮬레이션 방법은 수학 모형에 사용되는 조종성 계수들을 추정하는 방법에 따라 구분된다.

참고문헌 (12)

Bae, J.Y. & Sohn, K.H., 2009. A Study on Manoeuvring Motion Characteristics of Manta-type Unmanned Undersea Vehicle. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(2), pp.113-126.

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Beak, H. Jun, B.H. Lee, P.M. & Lee, F.Y., 2009. Coefficients Correction of the Numerical Method for the ISiMI100 AUV Using the Zigzag Maneuvering Test Results. Journal of Ships & Ocean Engineering, 48, pp.27-34.
Choi, D.H. Lim, G.N. & Kim, S.H., 2008. A Study On the Position Control System of the Small ROV Using Sonar Sensors. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45(6), pp.579-589.

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Gertler, M. & Hagen, G.R., 1967. Standard Equations of Motion for Submarine Simulation, NSRDC-Report SR 009 01 01, Task 0102, NSRDC.
Goodman, A., 1979. Description and Operation of Sub Planar Motion Mechanism System, Hydronautics Technical Manual, Hydronautics.
Hwang, A.R. & Seong, W.J., 2004. Concurrent mapping and Localization for controlling the heading angle of SNUUV I in towing tank, Proceedings of the Annual Autumn Meeting of the Society of Naval Architects of Korea, pp.431-437.
Jang, J.H. & Park, W.G., 2006. The Variation of Flow Field and Hydrodynamic Coefficients of Submarine by Changes of Angle of Attack and Yaw Angle. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 43(4), pp.460-466.

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Kim, D.J. Rhee, K.P. Choi, J.W. & Lee, S.K., 2009. Depth Control of a Submerged Body Near the Free Surface by LQR Control Method. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 46(4), pp.382-390.

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Kim, Y.G. et al., 2006. Captive Model Test Using CPMC, Proceedings of the Annual Spring Meeting of the Society of Naval Architects of Korea, pp.670-676.
Lewis, E.V., 1989. Principles of Naval Architecture. 2nd Ed. - Volume II. Resistance, Propulsion and Vibration, SNAME, pp.7-15.
Sohn, K.H. Lee, S.K. & Ha, S.P., 2006. Mathematical Model for Dynamics of Manta-Type Unmanned Undersea Vehicle with Six Degrees of Freedom and Characteristics of Manoeuvrability Response. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 43(4), pp.399-413.

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Yeo, D.J. & Rhee, K.P., 2006. Design of Sensitivity -Maximizing Input for Submergibles' Manoeuvring Coefficients using Genetic Algorithm Technique. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 43(2), pp.156-163.

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