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문제 정의
- 케이블 자체의 설계 보다는 예인 속도 및 변화에 따른 예인 하중의 거동 특성 분석과 운용 관점의 시사점 도출이 목적 이였다. 본 연구개발은 운용 환경에 적합한 케이블의 설계제조와 검증에 중점을 두고 있다.
- . 케이블 자체의 설계 보다는 예인 속도 및 변화에 따른 예인 하중의 거동 특성 분석과 운용 관점의 시사점 도출이 목적 이였다. 본 연구개발은 운용 환경에 적합한 케이블의 설계제조와 검증에 중점을 두고 있다.
가설 설정
- 절연재료로 선정한 에틸렌 프로필렌 러버(EPR : Ethylene Propylene Rubber)의 연속 사용 가능 온도인 90 °C를 도체 허용 온도로 설정하였고, 케이블 주변온도는 40 °C로 가정하였다.
제안 방법
- 같은 재질을 사용하였으므로, 탄성계수는 제외 하였으며, 인장부재의 직경, 소선의 수 그리고 연합 각도등으로 비틀림 특성을 정의하여 비틀림 특성을 설계하였다. 일반적으로 마찰 등을 고려하여 0.
- 전기적인 시험의 경우내전압, 절연저항 및 도체 저항 시험을 광케이블이 포함된 경우는 광전송 특성을 측정하였다. 기계적인 요구 성능인 파단강도, 굽힘 내구성, 정수압 및 내환경특성은 전용 시험 설비를 통하여 시험하였다. 대표적인 시험의 방법과 결과 및 고찰은 각 시험 항목별로 정리 하였다.
- 내전압 시험을 통해 절연설계가 만족함을 확인 하였고, 허용 전류 시험을 통해, 기준치 이하의 온도상승결과를 확인하였다. 수신용 케이블의 광케이블 전송특성은 운용환경의 영향을 받는다.
- 대표적인 내환경 특성인 정수압의 경우 사용수심의 두배인 5 MPa의 압력에서의 시험을 통해 성능을 검증하였다. 온도시험은 보관온도와 운용온도 조건을 적용하여 이상 없음을 확인 하였다.
- 두 번째 단계는 이렇게 구성된 구성요소의 세부 설계 단계로 전송요소인 도체와 광섬유 그리고 이를 보호 하기 위한 절연, 베딩, 시스 및 외장 등의 재질과구조 설계를 진행한다. 이러한 과정을 거쳐 Fig.
- 설계에 적용한 튜브 재질은 스테인레스로, Table 3과같이 계산결과 사용수심 기준을 상회하는 내압 성능을 확인 하였다. 또한, 금속 튜브 안에 위치한 광섬유의 수밀 특성을 유지하기 위하여 수분 침투 및 이동을 억제하는 젤타입의 수밀재를 충진하는 구조로 적용하였다.
- 또한, 운용 시 케이블에 적용되는 굽힘 및 인장의 복합 하중에 의한 케이블의 내구성을 확인하였다. Fig.
- 곡률반경의 경우 케이블의 최소 곡률 지름을 반영하였으며, 인장 하중은 케이블이 가이드 롤에 밀착 될 수 있도록 적용한 값이다. 반복횟수의 산정은 사용기대 수명과 운용 횟수를 기준으로 산정하였으며, 안전율을 고려 실제 횟수는 이의 2배로 적용 하였다.
- 이를 위해 베딩층과 인장보강선 사이에 저 비중 발포층을 적용하였다. 발포는 물리적인 발포와 화학적인 발포의 두 가지 방식이 있으며, 본 개발에서는 Fig. 6과 같이 원재료에 화학발포 촉진제(CFA : Chemical FoamingAgent)를 추가하는 화학 발포 방식으로 진행하였다.
- 발포도 60 %를 목표로 압출물의 비중 0.65~0.7이 되도록 발포촉진제의 함량과 공정 조건을 조절하여 적용하였다. 1.
- 본 연구개발에서는 송신 장비용 고전압 복합 케이블 1종과 수신 센서용 광복합 중량, 경량케이블 2종 등총 3종의 케이블을 개발하였다. 일반적인 케이블 설계절차는 Fig.
- 이러한 단점을 보완하기위하여 두층 이상의 인장선을 구성하게 되며, 이때각 층의 인장선의 전체 강성과 연합 피치 등을 고려한 비틀림 균형설계를 통해 자가 회전성을 최소화 하였다. 본 연구개발에서는 이중 외장강선(DA : Double Armored) 구조를 적용하였으며, 내층과 외층의 설계변수에 따른 비틀림 비율은 아래와 같은 수식으로 검토 하였다.
- 설계를 기반으로 제조된 케이블은 주요 시험 설비를 이용하여 성능을 검증하였다.
- 8은 복합 케이블 전용 선형 해석 프로그램인 케이블 케드(Cable Cad)를 통한 송신용 케이블의 응력 해석결과이며, 인장선에 발생하는 응력은 약 600 MPa 수준으로 파단강도의 약 67 % 수준임을 알 수 있다. 실제로 인장선 간의 마찰에 의한 영향은 고려되지 않았으나, 본결과를 바탕으로 제작한 제품에서 실제 검증을 진행하였다.
- 예인 케이블의 요구 특성인 예인 하중을 만족하기 위하여 송신용과 수신 중량 케이블의 경우 아연도 강선을 적용하였으며, 수신 경량 케이블의 경우 고인장섬유를 적용하였다. 케이블에 적용하는 인장보강재의 경우 일정한 피치를 갖는 연합(Strand)형태로 적용하며, 실제 인장강도는 개별 소선이 갖는 인장강도와 피치 등을 고려하여 산정한다.
- 2 수준의 안전 계수를 반영하였다. 외경 제한조건을 만족하기 위하여 인장강선의 파단강도는 900 MPa급으로 케이블에 요구되는 파단강도 20톤(약 196 kN)을 만족하는 설계를 구현하였다. 아래 Fig.
- 이러한 사용 환경과 강선의 구조를 고려하면, 비틀림 균형설계가 누락된 외장 설계는 인장 하중에 따른 자가 회전현상을 발생시킬 수 있다. 이러한 단점을 보완하기위하여 두층 이상의 인장선을 구성하게 되며, 이때각 층의 인장선의 전체 강성과 연합 피치 등을 고려한 비틀림 균형설계를 통해 자가 회전성을 최소화 하였다. 본 연구개발에서는 이중 외장강선(DA : Double Armored) 구조를 적용하였으며, 내층과 외층의 설계변수에 따른 비틀림 비율은 아래와 같은 수식으로 검토 하였다.
- 센서 배열이 수중에서 수평한 상태를 유지하기 위해서이다. 이를 위해 베딩층과 인장보강선 사이에 저 비중 발포층을 적용하였다. 발포는 물리적인 발포와 화학적인 발포의 두 가지 방식이 있으며, 본 개발에서는 Fig.
- 인장시험의 경우 파단강도와 운용하중에서의 신율을 각각 측정하였으며, 각각의 요구 성능과 기준 신율을 만족하는 결과를 획득하였다. 상세 결과는 결과 종합 3.
- 설계를 기반으로 제조된 케이블은 주요 시험 설비를 이용하여 성능을 검증하였다. 전기적인 시험의 경우내전압, 절연저항 및 도체 저항 시험을 광케이블이 포함된 경우는 광전송 특성을 측정하였다. 기계적인 요구 성능인 파단강도, 굽힘 내구성, 정수압 및 내환경특성은 전용 시험 설비를 통하여 시험하였다.
- 주요 설계인자는 운용 환경에 따른 내환경 특성과 운용 중의 신뢰성 및 내구성을 검증하기 위한 항목들로 구성되었으며, 사용수심에 따른 수압, 진동과 염수특성 등이다. 그 밖에 구조적인 특성으로 윈치에 감기고 풀림에 대한 굽힘 내구성과 예인체의 수중 항력이 고려된 인장강도 등이 있다.
- 첫 번째로 주요 구성요소인 전원과 통신에 대한 구성요소를 설계한다. 전원선의 경우 사용 전압과 허용전류에 의한 도체 단면적과 절연 설계를 한다.
- 결과는 Table 6과 같이 각각의 파장대역에서 기준을 만족하는 결과를 확인 하였다. 파단 이외의 시험 항목에서는 내전압 또는 절연저항 그리고 광손실의 측정을 통해, 케이블 전송 성능을 확인 하였다.
대상 데이터
- 광케이블은 예인하중, 굽힘 그리고 사용 수심을 고려하여 금속 튜브형(Metal tube type)광케이블을 선정하여 적용하였다. 균일한 외압을 받는 튜브의 좌굴(buckling)이 발생하는 임계 압력은 아래와 같은 식으로 알려져 있다[3].
- 설계에 적용한 튜브 재질은 스테인레스로, Table 3과같이 계산결과 사용수심 기준을 상회하는 내압 성능을 확인 하였다.
- 5의 Table 8에 정리 하였다. 외장형 케이블의 경우 인장시험을 위한 별도의 아머팟(Armor Pot)을 적용하여 시험을 진행 하였다. 인장시험의 구성(Layout)은 Fig.
성능/효과
- 기준에 만족하는 결과를 확인하였으며, 특히 수신 경량 케이블의 경우 중성 부력을 만족함을 알 수 있었다.
- 목표 허용 전류인 20 A 대비 안전율 1.5를 적용 30 A 기준으로 절연체 허용온도 90 °C 이하의 만족여부를 검증하였으며, 도체 단면적 기준 13 mm2, 16 mm2 모두 만족함을 알 수 있다.
- 본 연구개발을 통해 예인 음탐기용 케이블 3종의 설계, 제작과 성능 검증을 완료하였다. 이를 통해 확보된수중 예인형 복합 케이블에 대한 핵심 기술은 방산 분야의 국산화 개발을 촉진함은 물론 민간 분야에도 확대 적용이 가능할 것으로 기대된다.
- 수신용 케이블의 광케이블 전송특성은 운용환경의 영향을 받는다. 실제 측정은 윈치환경과 유사한 케이블 이동용 보빈(bobbin)에 감겨진상태로 측정하여 기준치에 만족함을 확인하였다. 결과는 Table 6과 같이 각각의 파장대역에서 기준을 만족하는 결과를 확인 하였다.
- 대표적인 내환경 특성인 정수압의 경우 사용수심의 두배인 5 MPa의 압력에서의 시험을 통해 성능을 검증하였다. 온도시험은 보관온도와 운용온도 조건을 적용하여 이상 없음을 확인 하였다.
- 단, 사용 주파수가 높지 않은 점을 고려하여 유전체 손실과 교류 저항은 무시하고 계산 하였다. 허용 전류값은 약 13 mm2의 경우 28 A, 16 mm2의 경우 32 A로 만족하는 결과를 확인하였다.
후속연구
- 본 연구개발을 통해 예인 음탐기용 케이블 3종의 설계, 제작과 성능 검증을 완료하였다. 이를 통해 확보된수중 예인형 복합 케이블에 대한 핵심 기술은 방산 분야의 국산화 개발을 촉진함은 물론 민간 분야에도 확대 적용이 가능할 것으로 기대된다.
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