[논문]카나드에 의하여 방향조종 되는 탄의 공력특성에 관한 실험적 연구

박영하; 제상언; 조수용

doi:10.6108/kspe.2013.17.1.042

카나드에 의하여 방향조종 되는 탄의 공력특성에 관한 실험적 연구
Aerodynamics Characteristics on a Canard-Controlled Projectile 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.1, 2013년, pp.42 - 51

박영하 (경상대학교 대학원 항공우주공학과) , 제상언 ((주)한화 종합연구소) , 조수용 (경상대학교 항공기부품기술연구센터)

초록
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카나드에 의하여 방향조정 되는 탄에서, 여러 상황에 대응하는 공력계수의 값을 획득하기 위한 실험적인 연구를 아음속 풍동에서 수행하였다. 탄의 받음각은 $-5^{\circ}{\sim}15^{\circ}$ 까지 변경하였으며, 카나드의 롤각은 $0^{\circ}{\sim}90^{\circ}$ 까지 변경하였다. 방향 전환을 위한 카나드의 받음각은 $-20^{\circ}{\sim}20^{\circ}$ 까지 변경하였다. 여러 입구유속에서 시험을 수행하였으며, 모델의 직경을 기준으로 최대 레이놀즈수는 $5.5{\times}10^5$ 였다. 측정된 공력계수의 값들은 유속의 변화에 대하여 동일한 결과를 보여주었으며, 카나드 롤각이 $0^{\circ}$ 인 경우에 방향 전환을 위한 카나드의 효과가 가장 크게 나타났었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study was conducted on a subsonic wind tunnel to obtain aerodynamic coefficients for various situations in order to control the direction of a projectile. The angle of attack on the projectile was varied from $-5^{\circ}$ to $15^{\circ}$ and the roll angle of canard was changed from $0^{\circ}$ to $90^{\circ}$. The angle of attack on the canard was adjusted from $-20^{\circ}$ to $20^{\circ}$ and various inlet velocities were applied. Maximum Reynolds number based on the diameter of projectile was $5.5{\times}10^5$. The measured aerodynamic coefficients showed the same results for the various inlet velocities, and the highest effect on the canard was shown when the canard was set to the roll angle of $0^{\circ}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

마지막으로 카나드의 롤각을 45^o 로 설정한 경우에는 앞서 수행한 두 실험에서 측정된 공력계수의 변화율에 비하여 중간정도에 해당하는 효과를 보여주었다. 따라서 본 실험을 통하여 카나드의 조정을 통하여 비행중인 탄의 방향전환을 위한 자료를 확보하였다.
방향 전환을 위한 카나드의 받음각은 –20o∼20o까지 변경하면서 아음속 풍동에서 실험을 수행하였으며, 아울러 CFD의 계산을 위한 자료로 제공하고자 한다.

제안 방법

까지 변경하면서 공력계수를 측정하였다. 155 m 탄의 회전안전탄에 대한 풍동실험을 Wernert et al[13]이 수행하였으며, 실험에서는 초음속 상태에서 받음각과 핀의 피치 변화에 따른 힘과 모멘트를 6축 발란스를 사용하여 측정하였다. Washington et al[14]은 격자형 핀을 장착한 탄에 대한 천음속에서의 공력계수에 대한 실험적 연구를 수행하였으며, 뒷부분에 장착된 핀의 다양한 두께 및 크기에 따라 공력계수를 측정하였다.
4개의 카나드 중에서 마주하는 두 개의 카나드는 고정날개로 각각 반대방향으로 4o 씩 회전각을 주어서 롤링 모멘트가 형성되도록 하였으며, 나머지 두 개의 마주하는 카나드는 방향조정을 위하여 탄의 축 방향을 기준으로 상하로 –20o∼20o까지 변경되도록 하였다.
만일 통상의 방식으로 장착한다면 6축 발란스에서 각 축의 최대 측정 스팬값을 예측값에 적합하도록 제작하기에 어려움이 있다. 따라서 모델의 자중점에 발란스를 설치하고, 모델내부에서 발란스의 축방향이 중력방향과 일치되도록 하는 방식을 채택하였다. 아울러 발란스는 모델내부에 있는 지지대 위에 설치되고, 이 지지대는 모델의 뒷부분으로 나와서 측정부 하단에 있는 고정장치에 설치되도록 하였다.
아울러 발란스는 모델내부에 있는 지지대 위에 설치되고, 이 지지대는 모델의 뒷부분으로 나와서 측정부 하단에 있는 고정장치에 설치되도록 하였다. 또한 실험에서 모델의 뒷부분에서 발생되는 후류에 의한 영향을 제거하기 위하여 모델의 단면과 동일한 원통형의 카바를 제작하여 고정장치를 감싸도록 하였다.
모델의 공력계수를 측정하기 위하여 모델의 받음각(α)은 –5o∼15o 까지 변경하였으며, 카나드의 롤각(β)은 0o, 45o, 90o 의 세 경우에 대하여 측정하였으며, 카나드 받음각(γ)은 –20o∼20o 의 범위에서 5o씩 변경하였다.
모델의 공력계수를 측정하기 위하여 6축 발란스를 제작하였으며, Table 1은 사용된 발란스의 사양을 보여주고 있다. 발란스에서 힘과 모멘트의 최대 스팬값은 CFD의 계산결과를 바탕으로 선정하였다. 발란스의 정밀도를 향상하기 위하여 발란스의 외경을 110 mm 까지 증대하였으며, Fig.
본 실험에서 γ각도는 카나드롤각이 0o 인 경우를 기준으로 두 개의 조정용 카나드 중에서 z축의 방향과 일치하는 카나드를 기준으로 카나드 받음각을 설정하였다.
본 연구에서는 탄의 앞부분에 카나드를 부착하여 탄도 수정을 위한 공력계수의 확보를 위하여 모델의 받음각을 –5o∼15o까지 변경하고, 카나드의 롤각은 0o∼90o까지 변경하였다.
3은 6축에 대하여 교정작업을 수행하였을 때 얻어진 힘과 모멘트의 결과를 각각 하나씩 참고로 보여주고 있으며, 3축 방향의 힘과 모멘트들 간의 상호간섭이 미미하게 발생되고 있음을 보여주고 있다. 최대간섭도는 8% 이하이었으며 상호선형적인 관계를 갖고 있으므로 보정매트릭스를 구하여 힘과 모멘트를 구하였다.
또한 측정부에서 유속의 변화량은 평균유속의 1% 이내였다. 측정부의 상하에는 스텝핑 모터에 의하여 360^o 회전이 가능한 원형의 턴테이블이 설치되어 있으므로, 본 실험에서는 이를 이용하여 모델의 받음각을 조절하였다. Fig.
탄의 방향전환을 위하여 노즈부에 카나드를 부착하여 조정하는 모델에 대하여 모델의 받음각, 카나드의 롤각, 카나드의 받음각을 변경하면서 공력계수의 값들을 측정하였다. 카나드의 롤각을 0^o 로 하여 측정하였을 경우에는 모델의 받음각과 카나드의 받음각이 동일한 방향에 있으므로 카나드의 받음각 조정에 따라 피칭모멘트나 롤링모멘트의 공력계수값의 변화율이 가장 크게 나타났었다.

대상 데이터

실험에 사용된 모델은 운용되는 탄과 동일한 크기로 제작하였으며, 탄의 방향조정을 위하여 Fig. 2와 같이 탄도조정 키트의 주위에 4개의 카나드를 90^o 간격으로 설치하였다. 4개의 카나드 중에서 마주하는 두 개의 카나드는 고정날개로 각각 반대방향으로 4^o 씩 회전각을 주어서 롤링 모멘트가 형성되도록 하였으며, 나머지 두 개의 마주하는 카나드는 방향조정을 위하여 탄의 축 방향을 기준으로 상하로 –20^o∼20^o까지 변경되도록 하였다.
실험장치로는 132 kW 의 순환식 아음속 풍동을 사용하였으며 풍동 측정부의 단면은 정사각형으로 1 m⨯1 m 이며, 길이는 3m 이다. 측정부에서의 최대 유속은 60 m/sec 이며, 난류강도는 0.

성능/효과

DeMar[15]는 탄의 형상 변화에 따른 항력계수의 분석을 위하여 실험을 수행하였으며, Pettersson et al[16]은 천음속 풍동에서 최상의 CCF(Course Correcting Fuze)형상과 공기역학적 계수를 향상하기 위한 탄도수정탄 실험을 수행하였다. 공력계수는 5축 발란스를 이용하여 다양한 형태의 회전하는 스핀에 대해 측정하였으며, 신관 외부 형상은 공기 흐름의 변화에 상당한 영향을 미치고 있음을 보여주었다. 아울러 신관 외부 형상은 탄의 동적안정성, 공력계수 및 탄착 정확도를 결정함을 보여주었다.
따라서 카나드의 롤각이 0^o 인 경우와 90^o 인 경우에 측정된 결과값들의 중간에 해당하는 결과를 보이게 된다. 따라서 측정된 측력은 카나드 롤각이 90^o 인 경우보다는 카나드 받음각의 변화에 대하여 완만한 변화율을 나타내었다. Cn, Cp, Cr의 측정값들은 카나드 롤각이 0^o 인 경우보다는 동일한 모델의 받음각에서 카나드 받음각의 변화에 대하여 공력계수의 변화율은 상당히 완화된 변화를 보여주고 있다.
발란스에서 힘과 모멘트의 최대 스팬값은 CFD의 계산결과를 바탕으로 선정하였다. 발란스의 정밀도를 향상하기 위하여 발란스의 외경을 110 mm 까지 증대하였으며, Fig. 3은 6축에 대하여 교정작업을 수행하였을 때 얻어진 힘과 모멘트의 결과를 각각 하나씩 참고로 보여주고 있으며, 3축 방향의 힘과 모멘트들 간의 상호간섭이 미미하게 발생되고 있음을 보여주고 있다. 최대간섭도는 8% 이하이었으며 상호선형적인 관계를 갖고 있으므로 보정매트릭스를 구하여 힘과 모멘트를 구하였다.
탄의 방향전환을 위하여 노즈부에 카나드를 부착하여 조정하는 모델에 대하여 모델의 받음각, 카나드의 롤각, 카나드의 받음각을 변경하면서 공력계수의 값들을 측정하였다. 카나드의 롤각을 0^o 로 하여 측정하였을 경우에는 모델의 받음각과 카나드의 받음각이 동일한 방향에 있으므로 카나드의 받음각 조정에 따라 피칭모멘트나 롤링모멘트의 공력계수값의 변화율이 가장 크게 나타났었다. 반면에 카나드 롤각을 90^o 로 하고 측정한 경우에는 카나드 받음각의 변화와 모델의 받음각이 변화하는 방향이 수직한 관계를 가지므로 방향전환을 위한 카나드의 효과가 가장 미미하게 나타났었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄의 정밀성을 향상하기 위한 방법에는 무엇이 있는가?	탄의 정밀성을 향상하기 위하여서는 비행중에도 지속적으로 탄도의 수정이 가능하여야 하는데, 이를 위하여 GPS장치를 장착하여 탄의 방향을 유도제어하거나, 탄의 앞부분에 카나드를 부착하여 제어하거나, 추력장치를 사용하는 등 여러 가지 방식의 연구가 수행되고 있다[5]. 하지만 이러한 제어를 위하여서는 운용되고 있는 탄의 공력계수를 파악하는 것이 우선적으로 수행되어야 한다.
	CFD 기술의 발달에 따라 미사일형상에서 어떤 예측을 하는가?	최근에는 CFD 기술의 발달에 따라 탄뿐만 아니라 미사일형상에서도 공력계수를 예측한다[6-8]. 하지만 받음각이 큰 경우에는 동체에서의 유동박리와 카나드에서 형성된 와류와 혼합으로 복잡한 유동이 된다.
	탄의 정밀성 향상을 위한 제어를 위해 우선적으로 수행되어야 하는 것은 무엇인가?	탄의 정밀성을 향상하기 위하여서는 비행중에도 지속적으로 탄도의 수정이 가능하여야 하는데, 이를 위하여 GPS장치를 장착하여 탄의 방향을 유도제어하거나, 탄의 앞부분에 카나드를 부착하여 제어하거나, 추력장치를 사용하는 등 여러 가지 방식의 연구가 수행되고 있다[5]. 하지만 이러한 제어를 위하여서는 운용되고 있는 탄의 공력계수를 파악하는 것이 우선적으로 수행되어야 한다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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