[논문]강제선회시험을 이용한 수중운동체의 유체력 미계수 추정

정재훈; 한지훈; 옥지훈; 김형동; 김동훈; 신용구; 이승건

doi:10.5574/ksoe.2016.30.1.025

강제선회시험을 이용한 수중운동체의 유체력 미계수 추정
Prediction of Hydrodynamic Coefficients for Underwater Vehicle Using Rotating Arm Test 원문보기

韓國海洋工學會誌 = Journal of ocean engineering and technology, v.30 no.1, 2016년, pp.25 - 31

정재훈 (부산대학교 조선해양공학과) , 한지훈 (부산대학교 조선해양공학과) , 옥지훈 (부산대학교 조선해양공학과) , 김형동 (국방과학연구소) , 김동훈 (국방과학연구소) , 신용구 (국방과학연구소) , 이승건 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, hydrodynamic coefficients were obtained from a Rotating Arm (RA) test, which is one of the captive model tests used to provide accurate coefficients in the control motion equation of an underwater vehicle. The RA test was carried out at the RA facility of ADD (Agency for Defense Development), and the forces and moments acting on the underwater vehicle were measured using a six-axis waterproof gage. A multiple regression analysis was used in the analysis of the measured data. The experimental results were also verified by comparison with the theoretical values of the previous linear coefficients. In addition, the stability indices in the horizontal plane were calculated using the linear and nonlinear coefficients, and the dynamic stability of the underwater vehicle was estimated to have a good dynamic performance with a depth ratio of 6.0.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

특히, 조종성능 해석에 필요한 선수동요(Yaw) 각속도 r에 관련된 유체력 미계수들을 RA 시험을 이용하여 정밀도 높게 추정하고자 하였다. 또한 수심에 따른 힘과 모멘트의 경향을 분석함으로써 잠수함 부상시 시뮬레이션에 적용되는 심도비(H/D)별 계수값에 대한 타당한 결과를 제시하고자 하였다. 최종적으로, 추정된 선형계수들을 이용하여 동안정성 지수를 산정함으로써 수중운동체의 직진 안정성도 함께 평가하였다.
본 논문은 수중운동체 중 하나인 잠수함 모형을 대상으로 하였으며, 국내의 RA 시험 설비(국방과학연구소)를 이용하여 조종 유체력 미계수들을 추정하고자 하였다. 특히, 조종성능 해석에 필요한 선수동요(Yaw) 각속도 r에 관련된 유체력 미계수들을 RA 시험을 이용하여 정밀도 높게 추정하고자 하였다.
본 논문은 수중운동체 중 하나인 잠수함 모형을 대상으로 하였으며, 국내의 RA 시험 설비(국방과학연구소)를 이용하여 조종 유체력 미계수들을 추정하고자 하였다. 특히, 조종성능 해석에 필요한 선수동요(Yaw) 각속도 r에 관련된 유체력 미계수들을 RA 시험을 이용하여 정밀도 높게 추정하고자 하였다. 또한 수심에 따른 힘과 모멘트의 경향을 분석함으로써 잠수함 부상시 시뮬레이션에 적용되는 심도비(H/D)별 계수값에 대한 타당한 결과를 제시하고자 하였다.

제안 방법

1(a) 참조). 즉, 부전차 PC로부터 계측 신호를 전송받아 화면상에서 계측과정과 데이터를 실시간으로 관측하면서 실험을 실시하였다.
또한 수심에 따른 힘과 모멘트의 경향을 분석함으로써 잠수함 부상시 시뮬레이션에 적용되는 심도비(H/D)별 계수값에 대한 타당한 결과를 제시하고자 하였다. 최종적으로, 추정된 선형계수들을 이용하여 동안정성 지수를 산정함으로써 수중운동체의 직진 안정성도 함께 평가하였다.

대상 데이터

RA 시험 운동계측을 위한 데이터 획득 시스템은 2조의 PC와 무선 LAN Card를 사용한 Peer-to-peer 방식의 무선 Network 계측 시스템으로 구성되었다(Fig. 3 참조).
본 논문의 대상 모형인 수중운동체는 일반적인 잠수함 모형을 대상으로 하였고 크게 몸체와 사령탑(Conning tower) 그리고 십자형 타로 구성되어 있다. 그리고 프로펠러는 없는 상태에서 수행되었으며 시험모형의 기본제원은 Table 3과 같다.

데이터처리

본 RA 시험의 선형계수 결과에 대한 검증을 위해 계수 타당성을 평가하였다. 평가 방법은 본 논문의 잠수함 모델 형상과 유사하고 이론적 계산결과를 제시한 Shin(2007)의 결과와 비교·평가하였으며, 그 결과를 Table 6과 Fig.
0을 요구한다(Feldman, 1995). 본 논문에서는 동안정성 해석을 위해 Table 5에 정리된 심도 6.0과 1.5의 선형계수 결과를 이용하여 수평면에 대한 동안정성을 평가하였다.
본 유체력 미계수 추정 시험에서는 수심 변화가 크게 대비되는 심도비 6.0과 심도비 1.5 두 개의 실험케이스에 대한 결과를 분석하여 최종적인 유체력 미계수를 도출하였다.
6 분력계는 모형에 작용하는 3축에 대한 힘과 모멘트 6가지 성분을 측정하는 센서로서 모형의 내부에 장착되는 수밀형 분력계이다. 시험 전 교정 장비에서 다양한 분동(Weight)을 이용하여 각 성분별로 작용하는 힘과 모멘트를 측정한 후, 그 결과를 선형회귀분석(Linear regression analysis)함으로써 센서 전압을 힘과 모멘트로 변환하는 식을 도출한다.

이론/모형

RA 시험에 적용된 수학모형은 Gertler and Hagen(1967)이 제안한 수중운동체 표준 수학모델의 평면운동 (Surge-sway-yaw)에 관한 운동방정식이며, 식 (2)~(4)와 같이 나타내었다. 여기서 m은 모형의 질량을 의미하며, Ix, Iy, Iz는 x, y, z축에 관한 질량 관성모멘트를, xG , yG , zG 는 각각 무게중심의 x, y, z 좌표를 의미한다.
그리고 위첨자 Dot(ㆍ) 기호는 시간미분을 나타내며, 위첨자 Prime(′) 기호는 무차원화된 계수를 의미한다. 각 계수들은 SNAME(1950)의 Prime I-system을 적용하여 무차원화하였다.
이는 x방향의 힘이 편류각의 변화에 따른 y방향 속도 (v)와 각속도(r)의 영향에 의한 결과로 보여진다. 따라서 외력 성분을 결정함에 있어, Gertler and Hagen(1967)이 제안한 기존 방정식에서 v, r의 고차항과 간섭항을 적용하여 무차원 유체력 미계수를 구하였다.

성능/효과

(1) 국내의 회전팔 시험 장비를 이용하여 잠수함의 조종 유체력 계수들을 추정하였으며, 유사 모형에 대한 이론적인 계산치와 본 실험결과를 비교·분석한 결과, 타당한 계수값임을 확인하였다.
(2) 5개의 심도별 시험을 통해 심도비 3.5~6.0 범위에서 힘과 모멘트가 일정한 값으로 나타났으며, 조종운동 시뮬레이션을 수행할 경우, 수심의 영향을 받지 않는 심도비 3.5 이상에서 추정된 유체력 미계수를 이용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
(3) 수중운동체가 수면으로 급부상시 조종시뮬레이션을 수행하기 위한 심도별 유체력 계수를 추정하였고 동적 안정성 지수도 산정하였다. 산정결과, 심도비 1.
5)로서 양의 값을 나타내었다. 따라서 본 실험을 통해 잠수함의 방향 안정성 조건도 만족하는 것으로 나타났다.
(3) 수중운동체가 수면으로 급부상시 조종시뮬레이션을 수행하기 위한 심도별 유체력 계수를 추정하였고 동적 안정성 지수도 산정하였다. 산정결과, 심도비 1.5, 6.0 모두 0보다 크게 나타남으로써 동적 안정성 조건을 만족하는 것으로 평가되었다. 특히 심도비 6.
0 모두 0보다 크게 나타남으로써 동적 안정성 조건을 만족하는 것으로 평가되었다. 특히 심도비 6.0에서 잠수함의 안정성 지수에 대한 적정크기 범위 내에 속하는 것으로 나타났다.

후속연구

향후 심도별 유체력 추정 실험에 있어서 더욱 다양한 수심에 따른 계수를 추정할 필요가 있으며, 추정된 조종 유체력 계수는 수중운동체의 정밀도 높은 조종성능 예측 개발에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (11)

Feldman, J., 1995. Method of Perfoming Captive-Model Experiments to Predict the Stability and Control Characteristics of Submarines. Report CRDRNSWC-HD-0393-25.
Feldman, J., 1987. Straightline and Rotating Arm Captive-Model Experiments to Investigate the Stability and Control Characteristics of Submarine and Other Submerged Vehicles, Report DTRC/SHD-0393-20.
Gertler, M., Hagen, G.R., 1967. Standard Equations of Motion for Submarine Simulation. NSRDC-Report SR 009 01 01, TASK 0102.
Jung, J.W., Jeong, J.H., Kim, I.G., Lee, S.K., 2014. Experimental Study on Hydrodynamic Coefficients of Autonomous Underwater Glider Using Vertical Planar Motion Mechanism Test. Journal of Ocean Engineering and Technology, 28(2), 119-125.

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Shin, Y.K., 2007. Prediction of Hydrodynamic Coefficients for Maneuvering of Underwater Vehicles. Doctoral Degree Dissertation, Pusan National University.
SNAME, 1950. Nomenclature for Treating the Motion of a Submerged Body Through a Fluid. The Society of Naval Architects and Marine Engineerings, Technical and Research Bulletin, 1-5, 1-15.
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