[논문]에어백 인플레이터의 수중폭발 특성에 대한 실험 연구

김형준; 최걸기; 나양섭; 박경훈; 정현

doi:10.3744/snak.2017.54.5.439

에어백 인플레이터의 수중폭발 특성에 대한 실험 연구
An Experimental Study on UNDEX Characteristics of Airbag Inflators 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.54 no.5, 2017년, pp.439 - 446

김형준 (KAIST 기계공학과) , 최걸기 (KAIST 기계공학과) , 나양섭 (KAIST 재난학연구소) , 박경훈 (국방과학연구소 6본부) , 정현 (KAIST 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with an experimental study of the dynamics of an underwater bubbles and shock waves, generated by rapid underwater release of highly compressed gas. Aribag inflators, which are used for automobile's airbag system, are used to generate the extremely-rapid underwater gas release. Experimental studies of the complex underwater bubble dynamics as well as underwater shock wave were carried out in a specifically designed cylindrical water tank. The water tank is equipped with a high-speed camera and pressure sensors. The high-speed camera was used to capture the expansion and collapse of the gas bubble created by inflators, while pressure sensors was used to measure the underwater shock propagation and magnitudes. The experimental results were compared against the results of explosion of pentolite explosive. Several physical phenomena that has been observed and discussed, which are different from the explosive underwater explosion.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 실험연구는 무폭약 실선 충격시험장치 개발을 위한 기초 연구로서, 폭약을 사용하지 않는 안전한 수중 충격파 발생원으로서 하이브리드 타입의 에어백 인플레이터의 가능성을 확인하였다. 또한 에어백 인플레이터의 수중폭발로 발생하는 충격파와 버블의 특성과 에어백 인플레이터의 규격 (압력용기의 크기, 초기 압력 등)의 관계에 대해서 고찰하였다. 본 연구의 결과는 향후 무폭약 충격시험 장치 개발을 위한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
본 실험연구는 무폭약 실선 충격시험장치 개발을 위한 기초 연구로서, 폭약을 사용하지 않는 안전한 수중 충격파 발생원으로서 하이브리드 타입의 에어백 인플레이터의 가능성을 확인하였다. 또한 에어백 인플레이터의 수중폭발로 발생하는 충격파와 버블의 특성과 에어백 인플레이터의 규격 (압력용기의 크기, 초기 압력 등)의 관계에 대해서 고찰하였다.
본 연구는 무폭약 충격시험 기술 개발을 위해, 에어건과 같이 고압의 압축공기를 수중에서 빠른 속도로 방출할 때 발생하는 수중 버블과 수중 충격파의 특성을 관찰하기 위한 실험 연구이다. 에어건에 비해 크기가 훨씬 작고 경제적인, 상용차에 사용되는 에어백 인플레이터를 수중에서 고압가스를 고속으로 팽창시키기 위해 사용하였다.
본 연구는 수중에서 고압의 가스 분출로 인해 발생하는 버블의 거동과 수중 충격파의 특성을 에어백 인플레이터를 사용하여 실험을 수행하여 정량적으로 계측하고 분석하고자 하였다. 이를 위해 초고속 카메라를 사용하여 버블의 거동을 관측하였고, 수중 압력센서를 사용하여 수중 충격파를 계측하였다.
9는 사이드 에어백의 길이방향을 수평으로 두고 발파했을 때 버블의 사진이다. 인플레이터의 인플레이터 반경방향으로 긴 타원면이 발생하고, 버블이 수축할 때 반경반향으로 버블이 두 개로 나뉘는 현상에 중력이 영향을 미치는지 확인하기 위하여 실험을 진행하였다. 그림에서 보이듯 시간이 흐르면서 부력에 의해 다소 수면방향으로 버블 전체가 떠오르긴 하지만, 인플레이터의 반경방향으로 긴 타원면 형태의 버블이 발생하고, 버블이 수축하면서 두 개의 버블로 나뉘는 거동 모두 중력의 영향보다 에어백 인플레이터의 노즐의 방향에 따른 것으로 보인다.

제안 방법

1MHz의 샘플링 주파수 (sampling rate)로 3개의 압력센서를 사용하여 에어백 인플레이터 발파시 수중 충격파를 측정하였다. Fig 11은 3개의 센서에서 측정된 압력값들이다.
에어백 인플레이터의 수중 발파시 발생하는 버블의 복잡한 거동과 수중 충격파를 관찰하기 위해 초고속 카메라를, 수중충격파의 크기와 전파를 측정하기 위해 3개의 수중 압력센서를 사용하였다. 가스발생량이 서로 다른 에어백 인플레이터를 사용하여 가스 발생량이 수중폭발 거동에 미치는 영향을 고려하였다. 다수의 인플레이터가 동시에 발파할 때의 현상도 고려하였다.
다수의 인플레이터가 동시에 발파할 때의 현상도 고려하였다. 실험의 결과는 펜톨라이트(pentolite)를 사용한 폭약시험의 결과와 비교하여, 폭약에 의한 수중폭발과 고압 가스 방출에 따른 수중폭발의 특성에 대해 논의하였다.
에어건 인플레이터가 발생시키는 충격하중의 특징을 폭약의 경우와 비교하기 위해서, 펜톨라이트 5g을 사용하여 수중폭발 실험도 수행하였다. 펜톨라이트는 1.
4와 같이 압력센서를 설치하였다. 에어백 인플레이터의 노즐(nozzle)을 수조의 정중앙 수심 1.5 m 지점에 배치하였으며, 수조 중앙에서 수평으로 500 mm 떨어진 위치에 수심 50 cm, 100 cm, 150 cm 위치에 총 3개의 압력센서를 배치하였다. Table 2는 사용한 압력센서의 제원이다.
에어백 인플레이터의 발파로 발생하는 수중 버블의 거동을 관찰하기 위해 7500 fps (single SAB explosion) 및 2000 fps (double SAB, CAB explosion)로 촬영된 초고속 카메라 영상을 분석하여 최대 버블 직경과 버블 팽창의 속도 및 발파 후 다시 최소 지름이 될 때까지의 주기를 관측하였다. Fig.
에어건에 비해 크기가 훨씬 작고 경제적인, 상용차에 사용되는 에어백 인플레이터를 수중에서 고압가스를 고속으로 팽창시키기 위해 사용하였다. 에어백 인플레이터의 수중 발파시 발생하는 버블의 복잡한 거동과 수중 충격파를 관찰하기 위해 초고속 카메라를, 수중충격파의 크기와 전파를 측정하기 위해 3개의 수중 압력센서를 사용하였다. 가스발생량이 서로 다른 에어백 인플레이터를 사용하여 가스 발생량이 수중폭발 거동에 미치는 영향을 고려하였다.
본 연구는 수중에서 고압의 가스 분출로 인해 발생하는 버블의 거동과 수중 충격파의 특성을 에어백 인플레이터를 사용하여 실험을 수행하여 정량적으로 계측하고 분석하고자 하였다. 이를 위해 초고속 카메라를 사용하여 버블의 거동을 관측하였고, 수중 압력센서를 사용하여 수중 충격파를 계측하였다.
14는 폭약과 같은 수심에 위치한 센서에서 측정한 초기 충격파의 압력이다. 초기 충격파 발생 후 최대 지름 50.6 cm, 22.2 Hz로 진동하는 버블이 발생하였으나, 초기 충격파의 특성을 관찰하기 위해 발파 후 1ms 동안의 압력에 대해서만 분석하였다. 그림에서 보듯 최대 압력 (peak pressure)은 16.

대상 데이터

실험은 KAIST에서 수중폭발을 위해 제작된 원통형 수조에서 수행되었다. Fig. 3과 같이 수조는 내부 지름 3 m, 높이 4 m의 크기이며, 수조 바닥으로부터 1.5 m와 2 m 높이에 각각 2개씩 총 4개의 관측창이 있다. 관측창은 지름 300 mm의 원형으로 설계되었고 같은 높이에서 카메라와 조명을 위해 서로 마주보게 설치되었다.
본 연구에서는 에어건 시스템과 유사한 방식으로 가스를 방출하는 하이브리드 방식의 에어백 인플레이터를 사용하였다. 가스 발생량이 서로 다른 사이드 에어백과 커튼 에어백 인플레이터를 사용하였다. Table 1은 본 연구에 사용된 인플레이터의 제원이다.
버블 거동을 관찰하기 위해 초고속 카메라 (Phantom사의 VEO710, 최대 680,000 fps)을 사용하였다. 수중충격파의 전파와 크기를 계측하기 위해 수조 내부에 Fig.
본 연구에서는 에어건 시스템과 유사한 방식으로 가스를 방출하는 하이브리드 방식의 에어백 인플레이터를 사용하였다. 가스 발생량이 서로 다른 사이드 에어백과 커튼 에어백 인플레이터를 사용하였다.
Fig 11은 3개의 센서에서 측정된 압력값들이다. 센서 1은 인플레이터 노즐과 같은 수심 150 cm, 센서 2는 수심 100 cm, 센서 3은 수심 50 cm에 배치되어 있으며, 에어백 인플레이터와의 거리는 각각 50 cm, 70.7 cm, 111.8 cm 이다.
실험은 KAIST에서 수중폭발을 위해 제작된 원통형 수조에서 수행되었다. Fig.
본 연구는 무폭약 충격시험 기술 개발을 위해, 에어건과 같이 고압의 압축공기를 수중에서 빠른 속도로 방출할 때 발생하는 수중 버블과 수중 충격파의 특성을 관찰하기 위한 실험 연구이다. 에어건에 비해 크기가 훨씬 작고 경제적인, 상용차에 사용되는 에어백 인플레이터를 수중에서 고압가스를 고속으로 팽창시키기 위해 사용하였다. 에어백 인플레이터의 수중 발파시 발생하는 버블의 복잡한 거동과 수중 충격파를 관찰하기 위해 초고속 카메라를, 수중충격파의 크기와 전파를 측정하기 위해 3개의 수중 압력센서를 사용하였다.
에어건 인플레이터가 발생시키는 충격하중의 특징을 폭약의 경우와 비교하기 위해서, 펜톨라이트 5g을 사용하여 수중폭발 실험도 수행하였다. 펜톨라이트는 1.33의 상대효과도 계수를 가진 폭약으로서, ㈜한화의 협조로 실험을 진행하였다. 비교를 위해 수심 및 폭약의 위치는 에어백 인플레이터 실험과 동일하게 유지하였다.

성능/효과

본 실험 연구를 통해 에어백 인플레이터의 수중 발파로 인해 발생하는 버블의 형상이 에어건을 사용할 때와 유사하다는 것을 확인할 수 있었으며, 작은 크기로 인해 에어건보다 높은 주파수대의 충격 신호를 발생할 수 있다는 것을 확인하였다.

후속연구

이는 초기 압력이 더 높거나, 압력 용기의 크기가 좀 더 작은 인플레이터를 사용해서 개선할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 다양한 압력용기의 크기와 초기 압력을 가진 서로 다른 에어백 인플레이터의 적절한 조합을 사용하는 방안에 대한 추가 연구가 필요하다.
또한 에어백 인플레이터의 수중폭발로 발생하는 충격파와 버블의 특성과 에어백 인플레이터의 규격 (압력용기의 크기, 초기 압력 등)의 관계에 대해서 고찰하였다. 본 연구의 결과는 향후 무폭약 충격시험 장치 개발을 위한 기초자료로 사용될 수 있을 것으로 예상된다.
수십~100 Hz 영역의 충격파를 발생시키는 에어건보다 더 높은 주파수 영역의 수중 충격파를 발생시킬 수 있을 것으로 예상되지만, 500 Hz 이상의 주파수 영역에서 폭약의 수중폭파에 비해 고주파 영역이 부족한 점도 보인다. 이는 초기 압력이 더 높거나, 압력 용기의 크기가 좀 더 작은 인플레이터를 사용해서 개선할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 다양한 압력용기의 크기와 초기 압력을 가진 서로 다른 에어백 인플레이터의 적절한 조합을 사용하는 방안에 대한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무폭약 충격시험은 어떤 목적으로 연구되고 있는가?	폭약을 사용하지 않은 무폭약 충격시험은, 수중에서 폭약이 폭발하면서 발생시키는 수중 충격파가 함정에 미치는 영향을 폭약의 사용 없이 재현하는 것을 목적으로 연구되고 있다. 폭약이 수중에서 폭발할 때 발생하는 수중 충격파의 크기와 주파수 특성에 맞는 수중충격파를 재현하기 위한 다양한 방법이 연구되어 왔다 (Antonov et al.
	에어건은 어떤 장비인가?	에어건은 해저 지질조사를 위한 인공 지진파를 발생시키기 위해 일정 수심에서 강력한 수중 충격파를 발생시키려 사용된 장비였다. 약 20~250 in3 (0.3~4L)의 공압 챔버 (pneumatic chamber) 안에 약 2,000~3,000 psi (14~21 MPa) 로 압축된 공기를 순식간에 방출하면서 수중 충격파를 발생시킨다. 해저 지질조사를 위해 사용될 때 단독으로 사용되기보다 다수의 에어건을 등간격으로 평행하게, 또는 삼각형으로 배열하여 사용되며, 필요에 따라 수십개의 에어건이 동시에 사용되기도 한다.
	함정의 내충격 성능평가를 위한 실선 충격시험의 문제점은 무엇인가?	함정 생존성의 주요 요소인 내충격 성능평가를 위해 함정 건조 후 실선 충격시험 (LFT&E; Live Fire Test & Evaluation)이 필수적이며 일부 선진국에서 이를 수행하고 있다 (Clements, 1972; NAVSEA, 1995; Constanzo, 2011). 그러나 폭약을 사용한 실선 충격시험은 높은 비용과 긴 시험 시간, 먼 바다에서 폭약을 사용한다는 위험성 및 해양 오염과 해양 생태계에 미치는 부정적인 영향 등 현실적인 어려움을 갖고 있다 (Young, 1973). 시제함(leading ship)을 실험 목적으로만 사용할 수 없고, 수리 및 보수 후 실전에 배치해야 하는 특성도 고려해야 한다.

참고문헌 (22)

Antonov, O. Efimov, S. Tz. Gurovich, V. Yanuka, D. Shafer, D. & Krasik, Y. E., 2014. Diagnostics of a converging strong shock wave generated by underwater explosion of spherical wire array. Journal of Applied Physics, 115(22), 223303.

상세보기
Beatty, L. G., 1972. Bubble frequencies of air gun sources (No. NRL-MR-2503). Naval research Lab Orlando FL Underwater Sound Reference Div.
Brenner, M. 2007. Navy ship underwater shock prediction and testing capability study. Office of Naval Research (ONR). Report-No. JSR, pp.07-200.
Brussieux, C. Viers, Ph. Roustan, H. & Rakib, M. 2011. Controlled electrochemical gas bubble release from electrodes entirely and partially covered with hydrophobic materials. Electrochimica Acta, 56(20), pp.7194-7201.

상세보기
Buogo, S. Plocek, J. & Vokurka, K., 2009. Efficiency of energy conversion in underwater spark discharges and associated bubble oscillations: experimental results. Acta Acustica united with Acustica, 95(1), pp,46-59.

상세보기
Chahine, G. L. Frederick, G. S. Lambrecht, C. J. Harris, G. S. & Mair, H. U., 1995. Spark-generated bubbles as laboratory-scale models of underwater explosions and their use for validation of simulation tools. In SAVIAC Proceedings of the 66th Shock and Vibrations Symposium (Vol. 1).
Clements, E. W. 1972. Shipboard Shock and Navy devices for its simulation (No. NRL-7396). Naval Research Lab Washington DC.
Cook, J. A. Gleeson, A. M. Roberts, R. M. & Rogers, R. L., 1997. A spark-generated bubble model with semi-empirical mass transport. The Journal of the Acoustical Society of America, 101(4), pp.1908-1920.

상세보기
Costanzo F.A., 2011. Underwater explosion phenomena and shock physics. In: Proulx T. (eds) Structural Dynamics, Volume 3. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series. Springer: New York, NY.
De Graaf, K. L. Brandner, P. A. & Penesis, I., 2014a. Bubble dynamics of a seismic airgun. Experimental Thermal and Fluid Science, 55, pp.228-238.

상세보기
De Graaf, K. L. Brandner, P. A. & Penesis, I., 2014b. The pressure field generated by a seismic airgun. Experimental Thermal and Fluid Science, 55, pp.239-249.

상세보기
De Graaf, K. L. Penesis, I. & Brandner, P. A., 2014c. Modelling of seismic airgun bubble dynamics and pressure field using the Gilmore equation with additional damping factors. Ocean Engineering, 76, pp.32-39.

상세보기
Dragoset, B., 2000. Introduction to air guns and air-gun arrays. The Leading Edge, 19(8), pp.892-897.

상세보기
Gilburd, L. Efimov, S. Gefen, A. F. Gurovich, V. Tz. Bazalitski, G. Antonov, O. & Krasik, Y. E., 2012. Modified wire array underwater electrical explosion. Laser and Particle Beams, 30(2), pp.215-224.

상세보기
Krail, P. M., 2010. Airguns: Theory and operation of the marine seismic source. Course notes for GEO-391: Principles of seismic data acuisition, University of Texas at Austin.
Li, Z. Wang, H., 2013. Numerical simulation of the multi-level air-gun array based on over/under source. Energy Science and Technology, 6(1), pp.52-60.
McCarthy, R. H., 1995. Shock Design Criteria for Surface Ships (Vol. 10). NAVSEA 0908-LP-000-3010, Naval Sea Systems Command.
Thompson, P.R., 2000. Shock testing of naval vessels using seismic airgun arrays, US patent 6662624 B1.
Young, G. A., 1973. Guide-lines for evaluating the environmental effects of underwater explosion tests (No. NOLTR-72-211). Naval Ordnance Lab White Oak MD.
Yu, W. Jianglin, F. Zhang, Z. Rongying, S. & Hongxing, H., 2007. Shock spectrum calculation of structural response to UNDEX. 14th International Congresson Sound & Vibration, Cairns, Australia, 9-12 July 2007.
Watson, L. Dunham, E. & Ronen, S., 2016. Numerical modeling of seismic airguns and low-pressure sources. Society of Exploration Geophysicists Annual Meeting, Dallas, Texas, USA, 16-21 October 2016.
Wikipedia, 2017, TNT equivalent, [Online] Available at https://en.wikipedia.org/wiki/TNT_equivalent [accessed 10 September 2017]

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증