[논문]날개의 전개성능 확인을 위한 공압식 시험장치 성능 해석

이동훈

doi:10.9766/kimst.2016.19.2.145

날개의 전개성능 확인을 위한 공압식 시험장치 성능 해석
Performance Analysis of Pneumatic Device for Verification of Canard Deployment Performance 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.19 no.2, 2016년, pp.145 - 154

이동훈 (국방과학연구소 제1기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a pneumatic device for the deployment performance verification of canards deployed by inertia has been designed and the performance of the pneumatic device has been proven through analysis and tests. The pneumatic conveying process, orifice opening process and piston movement process of the pneumatic device were investigated by using numerical methods. The orifice diameter, pressure in a pressure tank and type of gas were regarded as the main design parameters of the pneumatic device. The error rate between analysis and test results under the same conditions was within 4 %. The accuracy of numerical methods used in this study were validated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 관성으로 전개되는 접이식 날개의 전개 성능을 확인하기 위해 공압을 이용한 시험장치를 설계하였다. 수치 해석적 방법을 이용하여 주요 설계 변수에 대한 공압식 귀날개 전개시험장치의 성능을 예측하였다.

가설 설정

- 모든 열역학적 거동은 짧은 순간 가역단열과정이며 정상상태(steady state)이다.
- 제어체적 내의 모든 열역학적 값은 균일한 상태를 유지한다.
- 피스톤 및 유체와 실린더 사이 마찰은 고려하지 않는다.
오리피스가 초기부터 완전히 열려 있다고 가정한 해석은 시험결과보다 빠르게 압력이 감소하였고 가속도도 훨씬 빠르게 증가하였다. 초기에 오리피스가 닫혀 있으며 시간이 경과함에 따라 식 (7)과 같이 개폐 면적이 점점 증가한다고 가정한 해석결과는 시험결과와 유사한 압력 및 가속도 거동을 나타내었다. 피스톤의 가속도는 피스톤 후방에 위치한 실린더의 부피(V₂)가 급격하게 증가하는 시점(0.

제안 방법

시험 조건은 오리피스 직경이 10 mm이고 작동 매체는 질소이다. 고압용기의 충진 압력은 초기 40 psi를 기준으로 점진적으로 증가 시키면서 전개장치의 거동을 측정하였다.
공압식 시험장치의 공압 전달 과정, 오리피스 개폐 및 피스톤의 운동과정을 해석적으로 모사하였으며 주요 설계변수에 따른 시험장치의 성능 변화를 분석하였다.
동일 조건의 해석 및 시험 결과를 비교하여 본 연구에서 모사한 수치 해석적 방법의 정확도를 검증하였다. 다양한 압력 조건에서 해석결과는 오차율 4 % 이하의 수준에서 시험결과와 일치하였다.
압력게이지를 통해 압력탱크 내 압력을 측정하고 귀날개가 조립되는 치구의 전방에 가속도계를 부착하여 피스톤의 가속도를 측정하였다. 또한 피스톤 표면에 테플론 코팅 작업을 하여 작동 중에 마찰을 최소화시켰다
본 논문에서는 관성으로 전개되는 접이식 날개의 전개 성능을 확인하기 위해 공압을 이용한 시험장치를 설계하였다. 수치 해석적 방법을 이용하여 주요 설계 변수에 대한 공압식 귀날개 전개시험장치의 성능을 예측하였다. 시험장치 내부를 3개의 제어체적(control volume)으로 정의하고 각 제어체적 별로 압력, 부피, 밀도 등 시험장치를 구동하는 기체의 특성을 계산하였다.
수치해석을 통하여 공압식 귀날개 전개시험장치의 주요 거동을 분석하였다. 해석조건은 고압용기 초기압력 180 psi, 오리피스 직경 10 mm이며 작동 기체는 질소이다.
수치 해석적 방법을 이용하여 주요 설계 변수에 대한 공압식 귀날개 전개시험장치의 성능을 예측하였다. 시험장치 내부를 3개의 제어체적(control volume)으로 정의하고 각 제어체적 별로 압력, 부피, 밀도 등 시험장치를 구동하는 기체의 특성을 계산하였다. 시험장치의 주요 설계 변수는 오리피스 직경, 압력 탱크 압력, 가스 종류 등이다.
고압가스에 의해 피스톤 앞쪽에 조립된 귀날개는 가이드를 따라 이동하면서 관성력에 의하여 전개된다. 압력게이지를 통해 압력탱크 내 압력을 측정하고 귀날개가 조립되는 치구의 전방에 가속도계를 부착하여 피스톤의 가속도를 측정하였다. 또한 피스톤 표면에 테플론 코팅 작업을 하여 작동 중에 마찰을 최소화시켰다
공압식 날개 전개시험장치는 압력탱크의 초기 압력, 오리피스의 직경, 작동매체의 종류 등에 따라 작동 특성이 달라진다. 이들 설계변수가 공압식 날개 전개 성능 시험장치의 거동에 미치는 영향을 분석하였다.
고압가스가 실린더 내로 유입되고 피스톤이 운동하는 일련의 과정은 비가역적, 비정상상태 거동이다. 이러한 거동을 수식화하여 해석하는 것은 불가능하기 때문에 다음의 가정과 지배법칙^[2]을 통해 해석상의 편이를 도모하고 수식을 단순화하였다.
작동 기체의 특성에 따른 시험장치의 성능 변화를 분석하였다. 본 해석에서 고려한 가스는 질소(N₂)와 헬륨(He)이며 주요 특성은 Table 3과 같다.
2와 같다. 작동압을 저장하는 압력탱크, 귀날개가 조립되는 장착부, 귀날개를 가속시키기 위한 실린더와 피스톤, 가이드 등으로 구성되며 가속도계와 레이저센서 등을 이용하여 귀날개의 전개 거동을 측정한다.
)으로 구성되며 식 (8)과 같다. 저항력은 피스톤의 이동에 따른 마찰력과 제어체적 V₃에서 생성되는 부압으로 구성되며 본 해석에서는 마찰력은 무시하고 부압만을 반영하였다.
두 번째 설계변수는 압력탱크의 충진 압력이다. 해석을 통해 고압 조건에서 피스톤의 최대 및 평균 가속도를 예측하였다. Fig.

대상 데이터

작동 기체의 특성에 따른 시험장치의 성능 변화를 분석하였다. 본 해석에서 고려한 가스는 질소(N₂)와 헬륨(He)이며 주요 특성은 Table 3과 같다. 밀도 측면에서 헬륨은 질소의 1/7 수준이며 기체상수(R)와 비열비(γ) 등에서도 차이를 가진다.
본 해석은 3개의 제어체적으로 구성된다. 제어체적 1은 Fig.
시험 조건은 오리피스 직경이 10 mm이고 작동 매체는 질소이다. 고압용기의 충진 압력은 초기 40 psi를 기준으로 점진적으로 증가 시키면서 전개장치의 거동을 측정하였다.
시험장치 내부를 3개의 제어체적(control volume)으로 정의하고 각 제어체적 별로 압력, 부피, 밀도 등 시험장치를 구동하는 기체의 특성을 계산하였다. 시험장치의 주요 설계 변수는 오리피스 직경, 압력 탱크 압력, 가스 종류 등이다. 수치해석 결과는 동일 조건에 대한 시험을 수행하여 비교함으로써 해석의 정확도를 확인하였다.
수치해석을 통하여 공압식 귀날개 전개시험장치의 주요 거동을 분석하였다. 해석조건은 고압용기 초기압력 180 psi, 오리피스 직경 10 mm이며 작동 기체는 질소이다. 주요 해석결과는 다음과 같다.

데이터처리

시험장치의 주요 설계 변수는 오리피스 직경, 압력 탱크 압력, 가스 종류 등이다. 수치해석 결과는 동일 조건에 대한 시험을 수행하여 비교함으로써 해석의 정확도를 확인하였다.

성능/효과

이상에서 보는 바와 같이 시험을 통하여 본 논문에서 사용한 수치 해석 모델이 비교적 정확하게 전개장치의 성능을 모사하고 있음을 확인하였다. 또한 최대가속도 요구조건(35 g)을 만족하는 최적 설계 변수 조건은 오리피스 직경 10 mm, 작동 기체는 질소, 압력탱크의 압력은 160 psi인 것으로 확인되었다.
13은 피스톤의 가속도를 도시화한 것이다. 본 귀날개 전개성능시험에서 필요로 하는 최대가속도 요구조건(35g)을 만족하고 있음을 알 수 있다.
18, 19는 각각 Fig 7에서 기술한 오리피스 개폐 면적 변화의 고려 여부에 따른 압력탱크의 압력 및 피스톤의 가속도를 비교한 것이다. 오리피스가 초기부터 완전히 열려 있다고 가정한 해석은 시험결과보다 빠르게 압력이 감소하였고 가속도도 훨씬 빠르게 증가하였다. 초기에 오리피스가 닫혀 있으며 시간이 경과함에 따라 식 (7)과 같이 개폐 면적이 점점 증가한다고 가정한 해석결과는 시험결과와 유사한 압력 및 가속도 거동을 나타내었다.
이상에서 보는 바와 같이 시험을 통하여 본 논문에서 사용한 수치 해석 모델이 비교적 정확하게 전개장치의 성능을 모사하고 있음을 확인하였다. 또한 최대가속도 요구조건(35 g)을 만족하는 최적 설계 변수 조건은 오리피스 직경 10 mm, 작동 기체는 질소, 압력탱크의 압력은 160 psi인 것으로 확인되었다.

후속연구

본 연구에서 모사한 수치 해석적 방법은 유사한 공압식 기계장치의 기본설계에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원통형 발사관을 사용하는 유도무기가 접이식 날개를 적용하는 이유는?	원통형 발사관을 사용하는 유도무기는 발사관 내 공간상의 제한으로 인하여 접이식 날개를 적용한다. 접이식 날개는 작동기와 연결되는 하단날개와 상단날개로 구성되며 힌지로 연결된 상단날개를 접어 동체 내부로 수납함으로써 원통형 발사관에 장입될 수 있다.
	공압식 시험장치는 어디에 많이 사용되는가?	시험장치는 짧은 순간 일정 크기 이상의 가속도를 구현할 수 있어야 하며 안정적으로 반복적인 시험이 가능하여야 한다. 압축공기를 고압용기에 저장하여 필요에 따라 사용할 수 있는 공압식 시험장치는 출력 조정이 쉽고 성능 예측이 용이하므로 큰 힘을 필요로 하는 장치에 많이 사용되고 있다.
	귀날개의 전개성능을 시험할 장치에 요구되는 조건은?	귀날개의 전개성능을 지상에서 검증하고 충분한 신뢰도를 확보하기 위해서는 전개 환경을 모사할 수 있는 시험장치를 필요로 한다. 시험장치는 짧은 순간 일정 크기 이상의 가속도를 구현할 수 있어야 하며 안정적으로 반복적인 시험이 가능하여야 한다. 압축공기를 고압용기에 저장하여 필요에 따라 사용할 수 있는 공압식 시험장치는 출력 조정이 쉽고 성능 예측이 용이하므로 큰 힘을 필요로 하는 장치에 많이 사용되고 있다.

참고문헌 (3)

D. Lee, J. Kim, "The Spreading Performance Analysis and Test of Wings Deployed by the Inertia," KIMST Annual Conference Proceedings, pp. 1491-1492, 2014.
C. Kang, M. Won, "A Study on Characteristics of a Pneumatic Device for Deploying Fins," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 13, No. 3, pp. 365-371, 2010.
B. W. Andersen, "The Analysis and Design of Pneumatic Systems," John Wiley & Sons, Inc. USA, pp. 17-47, 2001.

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