[논문]코일건 발사 시스템의 발사속도 향상을 위한 최적설계

박창형; 김진호

doi:10.14775/ksmpe.2018.17.5.131

코일건 발사 시스템의 발사속도 향상을 위한 최적설계
Optimal Design to Improve Launch Velocity of Coilgun Launching System 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.17 no.5, 2018년, pp.131 - 136

Abstract ▼ AI-Helper

Research on space development and satellites is being actively pursued. An interesting field is the study of reliable low-cost space launch vehicles. Since chemical fuel-based launching systems are expensive and take a lot of time and cost to maintain, the EML system, which is an electromagnetic force launching apparatus, is attracting attention. The EML system converts electrical energy stored in a capacitor into magnetic energy, and converts magnetic energy into mechanical kinetic energy, thereby accelerating the projectile. Although studies are actively conducted in the field, it is difficult to solve the equation because the impedance and speedance change with time and the nonlinearity is strong. Many researchers have solved this equation in a variety of methods. In this paper, the velocity analysis of the projectile was carried out by FEM (finite element method) using the commercial electromagnetic analysis program MAXWELL.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

EML 현재에 관한 연구는 활발히 진행되고 있고, 발사체의 수학적 모델을 세우고 이를 다양한 방법으로 풀어 발사체의 속도에 관해 연구하고 있다 하지만 이렇게 작성한 수학적모델이 시간에 따라 변하고 전기와 기계적 시스템이 커플링 되어 있기 때문에 비선형성이 강해서 수식적으로 풀기 어렵다 따라서 많은 연구자들이 다양한 방법을 통해 이와 같은 수학적 모델을 풀고자 노력하였다.
본 연구에서는 단일 솔레노이드 코일건의 수학적 모델을 제작하였다. 이와 같은 수식은 전기와 기계 시스템이 커플링 되어 있어서 비선형성이 강하다.
EML 현재에 관한 연구는 활발히 진행되고 있고, 발사체의 수학적 모델을 세우고 이를 다양한 방법으로 풀어 발사체의 속도에 관해 연구하고 있다 하지만 이렇게 작성한 수학적모델이 시간에 따라 변하고 전기와 기계적 시스템이 커플링 되어 있기 때문에 비선형성이 강해서 수식적으로 풀기 어렵다 따라서 많은 연구자들이 다양한 방법을 통해 이와 같은 수학적 모델을 풀고자 노력하였다. 이와 같은 연구에 이바지하기 위해 본논문에서는 단일 코일건의 수학적 모델을 작성하고, 관련 수식을 정리하였다. 또한 상용전자기해석프로그램인MAXWELL을 사용하여 FEM으로 해석함으로써 전기 시스템과 기계 시스템이 커플링되어 비선형성이 강한 코일건 시스템의 발사체 속도를 구하였다.

가설 설정

1. 발사체의 반경과 길이 또한 발사속도에 영향을 미치는 요소이다. 반경과 길이는 전자기력을 받을 수 있는 부피와 비례한다 반면 부피가 커지게 되면 발사체의 무게 또한 증가하기 때문에 발사속도는 감소하게 될 것이다.
2. 솔레노이드 코일의 권수도 중요한 요소이다. 만약 권수에 상관없이 코일 당 일정한 전류가 흐르게 된다면, 코일의 권수를 증가시킬수록 자속밀도는 커지게 되므로 발사속도가 극대화 될 것이다.

제안 방법

Fig. 5과 같이 앞서 언급한 발사체의 반경 (PR)과 길이(PL), 솔레노이드 코일의 축 방향(A), 반경 방향 권수(N), 발사체 위치(z) 총 5가지의 설계변수로 설정하고 최적설계를 수행하였다.
Table 2와 같이 PIAnO에서 제공하는 4가지 알고리즘을 사용하여 최적값을 도출하고 각 알고 리즘에서 도출한 값이 일관성이 있는지를 비교하였다.
또한 해석시간 단축을 위해 2D-Z축 회전체 모델로 설정하였다. 과도상태해석(transient analysis)을 수행함으로써 시간에 따른 발사체의 속도와 솔레노이드 코일에 인가되는 전류를 분석하였다. 전체 해석시간은 10ms이고 시간간격은 0.
식 (10)과 같이 전류는 전기와 기계 방정식이 서로 커플링되어 있고, 비선형성이 강하기 때문에 풀기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 FEM을 통해 발사체의 속도를 계산하였다.
본 논문에서는 이와 같은 수식을 상용 전자기 해석프로그램인 MAXWELL을 사용하여 FEM으로 해석하였고 발사체의 발사속도를 구하였다. 또한 발사속도 극대화를 위해 발사속도에 영향을 미칠 수 있는 5가지 설계변수를 선정하고 상용 PIDO툴인 PIAnO를 사용하여 최적설계를 수행하였다. 최적설계를 통해 얻은 발사속도는 초기값 대비 23% 증가하였다.
이와 같은 연구에 이바지하기 위해 본논문에서는 단일 코일건의 수학적 모델을 작성하고, 관련 수식을 정리하였다. 또한 상용전자기해석프로그램인MAXWELL을 사용하여 FEM으로 해석함으로써 전기 시스템과 기계 시스템이 커플링되어 비선형성이 강한 코일건 시스템의 발사체 속도를 구하였다. 또한 발사체의 속도를 극대화하기 위해 최적설계프로그램인 PIAnO를 사용하여 최적설계를 수행하였다.
여기서 변수의 개수는 5개 각 변수의 수준은 비선형성이 강하기 때문에 3수준으로 설정하였다. 또한 전자기 해석의 경우 앞서 수행하였던 초기 모델에 사용한 해석시간, 시간간격 등 동일하게 수행하였다.
릴럭턴스 코일건의 속도를 극대화하기 위해 최적설계를 수행하였다. 먼저, 발사속도에 영향을 미칠 수 있는 설계변수를 설정하고 각 설계변수의 제약조건 및 범위를 선정하였다.
릴럭턴스 코일건의 속도를 극대화하기 위해 최적설계를 수행하였다. 먼저, 발사속도에 영향을 미칠 수 있는 설계변수를 설정하고 각 설계변수의 제약조건 및 범위를 선정하였다.
본 논문에서는 상용전자기해석프로그램인 MAXWELL의 회로 편집기를 이용하여 전기 회로를 제작하였다.
따라서 이와 같은 수식의 해를 구하는 것은 어렵다. 본 논문에서는 이와 같은 수식을 상용 전자기 해석프로그램인 MAXWELL을 사용하여 FEM으로 해석하였고 발사체의 발사속도를 구하였다. 또한 발사속도 극대화를 위해 발사속도에 영향을 미칠 수 있는 5가지 설계변수를 선정하고 상용 PIDO툴인 PIAnO를 사용하여 최적설계를 수행하였다.
본 연구에서는 릴럭턴스 코일건의 수학적 모델을 FEM을 통해 해석함으로써 발사가능성을 검증하고 최 적화된 속도를 얻기 위해 상용전자기해석프로그램인 MAXWELL을 사용하여 발사 시뮬레이션을 수행하였다.
본 연구에서는 최적설계 툴인 PIAnO에서 PIAnO 제공하는 직교배열표를 활용하여 변수의 개수와 각 변수의 수준수를 통해 L72(35)를 선정하였다[5-6].
최적설계를 통해 얻은 발사속도는 초기값 대비 23% 증가하였다. 이와 같이 두 시스템이 커플링 되어 있어 비선형성이 강한 수식을 FEM을 통해 해석함으로써 코일건 연구에 이바지하였다.

대상 데이터

발사체의 재질은 steel 1010, 솔레노이드 코일의 재질은 구리 발사 튜브와 비행공간은 진공으로 설정하였다.

데이터처리

또한 상용전자기해석프로그램인MAXWELL을 사용하여 FEM으로 해석함으로써 전기 시스템과 기계 시스템이 커플링되어 비선형성이 강한 코일건 시스템의 발사체 속도를 구하였다. 또한 발사체의 속도를 극대화하기 위해 최적설계프로그램인 PIAnO를 사용하여 최적설계를 수행하였다.

이론/모형

이를 이용해 72개의 실험점에 대한 시뮬레이션 해석 결과를 통해 PIAnO에서 제공하는 근사화 기법을 이용하여 크리깅 모델을 생성하였다.
본 논문에서는 4가지 알고리즘 중진화알고리즘(Evolution Algorithm : EA)을 이용하여 모델을 검증하였다.

성능/효과

3. 초기 발사체 위치 (솔레노이드 코일과 발사체 사이의 거리)는 매우 중요한 요소이다 솔레노이드 코일 주변에 생기는 전자기력에 의해 발사체가 가속되기 때문에 코일과 발사체 사이의 거리가 가까울수록 더 큰 흡인력을 받게 된다. 반면 이 거리가 멀게 되면 커패시터에 충전된 전기에너지를 충분히 이용하지 못하고 발사체는 코일을 빠져나가게 된다 따라서 발사속도를 극대화하기 위해서는 최적의 발사 위치를 선택해야 한 다.
초기모델의 속도는 87.5m/s, 진화 알고리즘을 이용해 최적설계를 수행한 결과 발사속도는 115.7m/s로 나타났다.
또한 발사속도 극대화를 위해 발사속도에 영향을 미칠 수 있는 5가지 설계변수를 선정하고 상용 PIDO툴인 PIAnO를 사용하여 최적설계를 수행하였다. 최적설계를 통해 얻은 발사속도는 초기값 대비 23% 증가하였다. 이와 같이 두 시스템이 커플링 되어 있어 비선형성이 강한 수식을 FEM을 통해 해석함으로써 코일건 연구에 이바지하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자기력 발사장치인이란?	이와 같은 문제점을 해결하기 위해 새로운 발사체 방식이 도입되었다. 전자기력 발사장치인은 EML Electromagnetic Launcher의 약자로 솔레노이드 코일에 짧은 시간 내에 막대한 전류를 인가하여 코일 주변에 발생하는 전자기력으로 발사체에 추진력을 이용해 발사체를 가속하는 방식이다. 즉, 커패시터에 저장된 전기에너지를 기계적 운동에너지로 변환시키는 방식이다.
	과거 화학에너지를 이용한 발사에서 겪은 어려움은?	그 중 가장 큰 관심분야는 신뢰성 있는 저비용 우주발사체에 관한 연구일 것이다. 과거에는 발사체의 추진력을 얻기 위해 화학에너지를 이용해서 발사 하였으나 발사비용이 크고 유지보수에 많은 시간과 비용이 들기 때문에 여러 어려움을 겪어야했다. 또한 순간적으로 폭발적인 에너지를 발생시키기에는 한계가 있어 발사속도의 제약을 초래하였다.
	전자기력 발사장치인의 장점은?	즉, 커패시터에 저장된 전기에너지를 기계적 운동에너지로 변환시키는 방식이다. 화학에너지를 이용한 발사 방식과는 달리 발사체와 코일의 접촉이 없기 때문에 multi-stage 솔레노이드 코일을 이용한다면 부가적인 가속이 가능하여 이론적인 한계속도가 없다는 큰 장점이 있다. 또한, 기존 발사방식과 달리 발사체의 반영구적 사용이 가능하다는 점과 유지보수 시간과 비용이 적다는 특징 때문에 전도유망한 발사 방식이라 할 수 있다 [1-3].

참고문헌 (10)

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Fair, H. D., "Advances in Electromagnetic Launch Science and Technology and Its Applications", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 45, No. 1, pp. 225-230, 2009.

상세보기
Lee, S. J., Kim, J. H., "Design and Experiment of Coil gun to Apply Electromagnetic Launcher System", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 15, No. 6, 2014.
Kim, S. W., Jung, H. K., Hahn, S. Y., "An Optimal Design of Capacitor-Driven Coilgun", Deptment of Electrical and Computer Engineering, Seoul National University, South Korea, (in Korean).
Hedayat A. S., Sloane N. J. A., Stufken J. Orthogonal Arrays: Theory and Applications. Springer Series in Statistics, 1999.
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Song, B. C., Kim, S. R., Kang, Y. G., Han, M. H., "A Study on the Comparison of Approximation Models for Multi-Objective Design Optimization of a Tire", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 10, No. 5, pp. 117-124, 2011.
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원문보기 상세보기
Kim, J. G. and Lee K. H., "A Structural Design of Microgyroscope Using Kriging Approximation Model," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 7, No. 4, pp. 149-154, 2008.
Lee, H. R., Ahn, J. H., Shin, J. O., Kim, H. Y., "Design of a Cylinder Valve Solenoid for a CNG Vehicle using Electromagnetic Field Analysis", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 15 No. 2, pp.89-96, 2016.

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