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문제 정의
- 제한된 설계 공간에 비하여 큰 전개력을 요구하고 있어 분리장치는 주로 화약을 이용하는 방식들이 다양한 형태로 사용되고 있다[1,2]. 본 연구에서는 소형 유도탄의 탐색기를 보호하기 위한 분리형 노즈캡과 파이로(pyro)를 작동원으로 하는 분리장치를 제안하였다. 체계 형상과 분리 환경에 대한 하중 조건, 체계의 운용성과 분리 성능 등을 다각도로 검토하여 노즈캡 구조와 분리장치 설계 개념을 정립하였으며 기계장치의 작동 신뢰도를 확보하기 위하여 여러 가지 조건에 대한 기능 및 성능 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 실험을 통하여 파이로풀러의 개략적인 거동을 분석하였다. 향후, 파이로장치의 폭발과 풀러의 작동을 포함한 해석모델을 구축하고 추가적인 시험을 통하여 노즈캡 분리장치의 신뢰도를 높이기 위한 연구가 요구된다.
가설 설정
- 풀러의 작동에 영향을 미치는 중요한 인자는 노즈캡의 조립토오크뿐만 아니라 착화기 압력의 불균일성을 들 수 있다. 비정상적으로 착화기의 압력이 떨어지는 경우를 가정하여 300 psi 착화기를 적용한 시험을 수행하였다. 시험결과, Table 1에서 보는 바와 같이 10 lb-ins와 20 lb-ins 조립 토오크를 부가한 조건에 대하여 모두 작동하였다.
제안 방법
- 노즈캡 조립상태에서의 풀러 작동시험을 수행하여 풀러의 작동 가능 영역을 확인하고 최종적으로 작동 여유를 판단하였다. Fig. 16에서 보는 바와 같이 노즈캡을 설정된 토오크로 조립하고 착화기를 점화하여 풀러의 작동 여부를 확인하였다.
- 풀러의 작동 능력을 확인하기 위하여 착화기의 폭발 압력과 생성되는 작동력을 측정하였다. Fig. 9에서 보는 바와 같이 피스톤의 끝에 로드셀을 연결하여 피스톤의 이동을 제한한 상태에서 피스톤으로 전달되는 풀러의 작동력과 실린더 내부의 압력을 측정하였다.
- 노즈캡 조립상태에서의 풀러 작동시험을 수행하여 풀러의 작동 가능 영역을 확인하고 최종적으로 작동 여유를 판단하였다. Fig.
- 이때 노즈캡이 전개되는 과정에서는 내부 동체의 영향을 반영한 공력계수를 사용하였고 기체로부터 이격되어 분리되는 과정에서는 노즈캡만의 공력을 각각의 비행 조건별로 적용하였다. 노즈캡의 전개력(Fp)은 전개되는 상/하부 노즈캡의 상대거리가 푸셔의 최대 작동거리보다 커지면 없어지는 것으로 모델링하였다. 분리장치(푸셔)의 실린더 내압은 10 cc를 기준으로 800 psi 압력조건을 적용하며 노즈캡이 전개되기 시작하면 분리장치의 피스톤과 실린더가 형성하는 밀폐공간의 부피가 증가하므로 전개력은 감소하는 형태로 적용하였다.
- 분리형 노즈캡을 개발함에 있어서 예상되는 가장 큰 위험 요소는 노즈캡이 분리되는 과정에서 기체와 충돌하는 것이다. 동역학 해석도구인 아담스(Adams)를 이용하여 노즈캡의 분리거동을 해석하였으며 이를 통하여 힌지 파단각을 결정하고 주요 비행조건에 대한 분리궤적을 개략적으로 분석하였다.
- 본 연구에서는 노즈캡의 전개 자세별로 계산한 3-DOF(degree of freedom) 공력 모델을 이용하여 노즈캡의 분리궤적을 계산하였으며 이를 이용하여 기체와의 충돌 가능성이 상대적으로 낮은 궤적을 얻을 수 있도록 노즈캡의 힌지 파단각을 선정하였다. 또한 실험을 통하여 노즈캡 분리장치의 성능을 평가하고 최종적으로 작동 여유(margin)을 제시하였다.
- 매 시험마다 조립토오크를 달리하면서 조립이 해제되는 시점까지 소요되는 작동력을 계측하였다. Fig.
- 먼저 선정된 착화기(800 pcs)를 적용하여 동일한 파이로 압력조건에서 조립토오크에 대한 작동 여유를 확인하였다. 시험결과, 100 lb-ins로 조립한 조건에서는 풀러가 작동하지 않았으며, 70과 80 lb-ins 조립 토오크 부가 조건에서는 모두 작동하였다.
- 먼저 힌지파단각의 영향을 검토하기 위한 해석을 수행하였다. Fig.
- 비행 중 유도탄의 항력을 최소화하고 탐색기 창을 공력가열로부터 보호하기 위하여 기체 전방에 조립되는 분리식 노즈캡은 탐색기 작동 시에 신속하고 안전하게 분리됨으로서 탐색기의 시야를 확보해 주어야 한다. 본 연구에서는 2조각으로 분리된 유선형 노즈캡을 제안하고, 비행 중 견고한 조립상태를 유지할 뿐만 아니라 필요한 시점에는 신속하게 분리시킬 수 있는 소형의 분리장치를 설계하였다. 분리장치에 대한 기능시험 및 다양한 작동 환경을 고려한 성능시험을 수행함으로서 주요 운용조건에서의 작동 성능을 확인하였다.
- 또한 힌지핀은 노즈캡이 전개되는 과정에서 힌지로써 충분한 강도를 확보하고 있어야 하지만 파단시점에서는 노즈캡에 부가되는 공력만으로도 쉽게 절단되어야 한다. 본 연구에서는 가장 낮은 비행속도 조건에서 산출한 공력의 20 % 수준에서 힌지핀이 파단되도록 설계하였다.
- 노즈캡을 체계에 적용하기 위해서는 지상 시험을 통하여 안전한 분리 성능을 확인하여야 하지만 국내에서는 비행 환경을 모사한 지상시험을 수행하기가 거의 불가능한 실정이다. 본 연구에서는 노즈캡의 전개 자세별로 계산한 3-DOF(degree of freedom) 공력 모델을 이용하여 노즈캡의 분리궤적을 계산하였으며 이를 이용하여 기체와의 충돌 가능성이 상대적으로 낮은 궤적을 얻을 수 있도록 노즈캡의 힌지 파단각을 선정하였다. 또한 실험을 통하여 노즈캡 분리장치의 성능을 평가하고 최종적으로 작동 여유(margin)을 제시하였다.
- 노즈캡의 전개력(Fp)은 전개되는 상/하부 노즈캡의 상대거리가 푸셔의 최대 작동거리보다 커지면 없어지는 것으로 모델링하였다. 분리장치(푸셔)의 실린더 내압은 10 cc를 기준으로 800 psi 압력조건을 적용하며 노즈캡이 전개되기 시작하면 분리장치의 피스톤과 실린더가 형성하는 밀폐공간의 부피가 증가하므로 전개력은 감소하는 형태로 적용하였다.
- 본 연구에서는 2조각으로 분리된 유선형 노즈캡을 제안하고, 비행 중 견고한 조립상태를 유지할 뿐만 아니라 필요한 시점에는 신속하게 분리시킬 수 있는 소형의 분리장치를 설계하였다. 분리장치에 대한 기능시험 및 다양한 작동 환경을 고려한 성능시험을 수행함으로서 주요 운용조건에서의 작동 성능을 확인하였다. 제안된 분할형 노즈캡 분리장치는 예상되는 운용조건에 대하여 충분한 작동 여유를 확보하고 있음을 확인하였다.
- 노즈캡에 작용하는 공력은 전개 자세별로 구한 정상상태(steady state)공력을 힌지점에서의 축방향 하중(Fz), 노즈캡 전개방향 하중(Fy), 회전모멘트(Mz)성분으로 분리하여 상/하부 노즈캡의 힌지에 부가하였다. 이때 노즈캡이 전개되는 과정에서는 내부 동체의 영향을 반영한 공력계수를 사용하였고 기체로부터 이격되어 분리되는 과정에서는 노즈캡만의 공력을 각각의 비행 조건별로 적용하였다. 노즈캡의 전개력(Fp)은 전개되는 상/하부 노즈캡의 상대거리가 푸셔의 최대 작동거리보다 커지면 없어지는 것으로 모델링하였다.
- 또한 옆미끄럼각이 분리 궤적에 미치는 영향도 크지 않은 것으로 나타났다. 이상에서 보는 바와 같이 노즈캡의 분리 거동을 해석적으로 예측해 보았다. 실제로 분리된 노즈캡의 거동은 본 해석에서 가정한 것과는 달리 6자유도의 매우 복잡한 거동을 한다.
- 걸쇠를 통하여 인가되는 노즈캡의 조립 토오크는 피스톤의 이동을 방해하는 마찰력을 증가시킴으로서 풀러를 동작시키는데 소요되는 작동력을 크게 증가시킨다. 인장시험기를 이용하여 풀러 작동에 요구되는 하중을 측정하였다. Fig.
- 주요 비행조건(비행속도 M0.8과 M2.6, 옆미끄럼각 (side slip angle) 0도와 5도)에 대한 노즈캡 분리 거동해석을 수행하였으며 결과는 Fig. 7과 같다. 노즈캡 분리시의 비행속도가 증가할수록 분리 궤적은 기체로부터 멀어지며 카나드 장착 위치를 기준으로 모든 비행조건에 대하여 최소 1 m 이상의 분리거리를 확보하고 있어 노즈캡이 기체와 충돌할 가능성은 낮을 것으로 판단하였다.
- 본 연구에서는 소형 유도탄의 탐색기를 보호하기 위한 분리형 노즈캡과 파이로(pyro)를 작동원으로 하는 분리장치를 제안하였다. 체계 형상과 분리 환경에 대한 하중 조건, 체계의 운용성과 분리 성능 등을 다각도로 검토하여 노즈캡 구조와 분리장치 설계 개념을 정립하였으며 기계장치의 작동 신뢰도를 확보하기 위하여 여러 가지 조건에 대한 기능 및 성능 시험을 수행하였다. 노즈캡을 체계에 적용하기 위해서는 지상 시험을 통하여 안전한 분리 성능을 확인하여야 하지만 국내에서는 비행 환경을 모사한 지상시험을 수행하기가 거의 불가능한 실정이다.
- 풀러의 실제적인 거동을 확인하기 위하여 작동 환경과 유사한 조건에서 작동 특성을 측정하였다. Fig.
- 풀러의 작동 능력을 확인하기 위하여 착화기의 폭발 압력과 생성되는 작동력을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 전개 성능 관점에서는 높은 전개력을 가질수록 유리하지만 기체로 전달되는 파이로 충격이 문제가 될수 있다. 본 연구에서는 800 pcs(800 psi/10 cc)의 착화기를 작동원으로 선정하였다.
성능/효과
- 7과 같다. 노즈캡 분리시의 비행속도가 증가할수록 분리 궤적은 기체로부터 멀어지며 카나드 장착 위치를 기준으로 모든 비행조건에 대하여 최소 1 m 이상의 분리거리를 확보하고 있어 노즈캡이 기체와 충돌할 가능성은 낮을 것으로 판단하였다. 또한 옆미끄럼각이 분리 궤적에 미치는 영향도 크지 않은 것으로 나타났다.
- 가속도로부터 얻어진 작동력은 마찰력의 영향이 포함되기 때문에 압력으로부터 계산한 작동력보다 작은 값을 가진다. 동적 작동 환경에서 풀러의 작동력은 약 200 kgf로서 최소 설계 작동력(210 kgf)과 유사한 수준으로 나타났다.
- 먼저 선정된 착화기(800 pcs)를 적용하여 동일한 파이로 압력조건에서 조립토오크에 대한 작동 여유를 확인하였다. 시험결과, 100 lb-ins로 조립한 조건에서는 풀러가 작동하지 않았으며, 70과 80 lb-ins 조립 토오크 부가 조건에서는 모두 작동하였다. “3.
- 10과 같다. 실린더 내부압력은 파이로 점화시 최고 압력 5600 psi를 기록하고 시간이 경과함에 따라 감소하는 경향을 보였으며 작동력은 초기에 큰 진폭을 가지고 진동하면서 시간이 경과함에 따라 150 kgf에 수렴하는 결과를 보였다. 파이로가 점화되면서 발생하는 순간 고열로 인하여 초기에 높은 압력이 생성되었으나 실린더의 온도가 내려가면서 압력이 감소하는 경향을 보인다.
- 실제 적용 토오크가 10 lb-ins이므로 8배 이상의 조립토오크가 부가되어도 풀러는 정상적으로 작동될 수 있으며 기준 작동 압력의 40 % 수준으로 압력이 저하되어도 작동되는 여유(margin)을 보유하고 있음을 확인 하였다.
- 노즈캡의 조립토오크는 운용환경에 대하여 충분한 조립력을 유지할 수 있는 가장 작은 크기로 결정하였다. 운용환경에 대한 조립력 유지 성능은 환경시험을 통하여 충분히 검증하였다.
- 힌지 파단각이 작아질수록 기체로부터의 이격거리 확보에는 유리할 수 있지만 상대적으로 힌지핀 파단에 이용할 수 있는 하중은 줄어들게 된다. 이상의 결과로부터 힌지파단각은 상대적으로 이격거리 감소량이 크지 않고 충분한 힌지핀 파단 하중을 확보할 수 있다는 점을 고려하여 40도로 결정하였다.
- 15는 노즈캡 조립토오크에 따른 풀러의 작동력을 측정한 결과이다. 작동력은 조립토오크에 대하여 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 최대 100 lb-ins의 조립토오크를 부가한 조건에서 80 kgf 수준의 작동력을 필요로 하였다. 노즈캡의 조립 후 형상과 작동성 등을 고려하여 노즈캡의 조립토오크는 10 lb-ins로 선정하였으며 이때 소요되는 풀러의 고정핀 추출력은 약 20 kgf로서 풀러의 최소 설계 작동력의 10 % 수준이다.
- 분리장치에 대한 기능시험 및 다양한 작동 환경을 고려한 성능시험을 수행함으로서 주요 운용조건에서의 작동 성능을 확인하였다. 제안된 분할형 노즈캡 분리장치는 예상되는 운용조건에 대하여 충분한 작동 여유를 확보하고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 본 연구에서는 실험을 통하여 파이로풀러의 개략적인 거동을 분석하였다. 향후, 파이로장치의 폭발과 풀러의 작동을 포함한 해석모델을 구축하고 추가적인 시험을 통하여 노즈캡 분리장치의 신뢰도를 높이기 위한 연구가 요구된다.
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