KR101347167B1 - 공동생성부를 구비한 수중탄환 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공동생성부를 구비한 수중탄환에 관한 것으로, 상기 수중탄환은 선두부 및 후미부를 구비하는 수중탄환의 바디, 및 상기 바디의 외주면에서 공동을 생성하도록 형성되는 공동생성부를 포함하고, 상기 공동생성부는, 상기 바디의 외면을 형성하며 상기 선두부에서 후미부를 향하여 직경이 증가하도록 이루어지는 제1 외면부, 및 상기 공동을 생성하기 위하여 상기 제1 외면부와의 경계에서 높이차를 형성하도록 상기 제1 외면부의 후단에서 연속되며 상기 후단보다 작은 직경의 선단을 가지는 제2 외면부를 포함한다. 이에 의하여 공동 생성과 소멸을 조절할 수 있는 공동생성부가 구현된다.

Description

공동생성부를 구비한 수중탄환{UNDERWATER SHOT HAVING CAVITATATION DEVICE}

본 발명은 수중에서 이동하는 수중탄환의 마찰저항을 저감하는 장치 및 이를 구비하는 수중탄환에 관한 것이다.

수중 탄환은 수중에서 물의 점성에 의한 마찰에 의해 상당한 마찰저항을 가지게 된다. 상기 마찰저항이 수중 탄환 전체 저항에서 상당한 부분을 차지하고 있어 현재 상기 마찰저항을 감소하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 또한, 수중 탄환 뿐만 아니라, 기만기 어뢰 등 수중운동체 전체 관한 것으로 마찰저항 감소에 관한 연구는 마이크로 버블이나 폴리머 분사, 전자기력을 이용한 난류 제어법과 같은 능동적 방식과 리블렛, 나노돌기, 페인트 코팅 등의 수동적인 방식 등으로 진행되고 있다.

하지만 이러한 연구와는 달리 수중에서 물과의 접촉에 의해 필연적으로 발생되는 마찰저항을 획기적으로 감소시키기 위해 수중운동체의 표면 일부 또는 전체에 공동 현상을 발생시키는 시스템이 개발되고 있다. 이 경우에 운동체의 바디가 물과의 접촉 대신에 수증기와의 접촉을 시킴으로써 초고속 주행이 가능하게 된다.

또한, 상기 공동 현상이 초고속 수중탄환에 적용된다면, 빠른 속도를 이용하여 수중탄환의 표면 근처를 얇은 공동이 발생하므로, 수중탄환의 저항을 획기적으로 줄이고 고속 주행이 가능하게 될 것이다. 그러나, 상기 수중운동체의 공동 발생과 관련된 종래 기술인, Time constraint에 기반을 둔 supercavitating projectile을 작동시키는 방법에 대한 특허(미국, 특허번호: 7,836,827), 초월 공동 발사체에 대해서 공기역학과 유체역학적인 안정성을 위해 보조익을 가지는 형상과 사이즈에 대한 특허, 공압에 의해 발사되는 초월공동 입수 발사체에 대한 특허(Air-launched supercavitating water-entry projectile, 미국, 특허번호: 5,955,698), underwater object에 이용하기 위한 공기역학적으로 안정된 발사체 시스템에 대한 특허 (Aerodynamically stabilized projectile system for use against underwater objects, 미국, 특허번호: 5,929,370) 등은 초고속으로 진행하며, 크기가 비교적 작은 수중탄환에 적용되기가 적합하지 않은 단점이 있다.

따라서, 간단한 구조이나 수중탄환에서 공동의 발생과 소멸을 유도할 수 있는 기술개발이 고려될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안한 것으로서, 수중탄환의 주위에 공동을 생성하면서도 구조적으로 안정된 공동생성부 및 이를 구비하는 수중탄환을 제공하기 위한 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 수중탄환은, 선두부 및 후미부를 구비하는 수중탄환의 바디, 및 상기 바디의 외주면에서 공동을 생성하도록 형성되는 공동생성부를 포함한다. 상기 공동생성부는, 상기 바디의 외면을 형성하며 상기 선두부에서 후미부를 향하여 직경이 증가하도록 이루어지는 제1 외면부, 및 상기 공동을 생성하기 위하여 상기 제1 외면부와의 경계에서 높이차를 형성하도록 상기 제1 외면부의 후단에서 연속되며 상기 후단보다 작은 직경의 선단을 가지는 제2 외면부를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 공동생성부가 상기 선두부에서 후미부를 향하여 연속적으로 배치되도록, 상기 제1 및 제2 외면부는 상기 바디의 외주면에서 반복될 수 있다. 상기 제2 외면부의 후단은 상기 제1 외면부의 후단보다 직경이 크도록 이루어질 수 있다.

본 발명과 관련한 다른 일 예에 따르면, 상기 제1 및 제2 외면부는 상기 높이차가 상기 외주면의 원주방향을 따라 연속적으로 이어지도록 형성된다.

본 발명과 관련한 또 다른 일 예에 따르면, 상기 바디의 중심선을 따라 상기 제1 및 제2 외면부의 길이는 동일하게 형성된다. 상기 제1 및 제2 외면부는 압력의 회복에 따라 상기 공동이 소멸되어 유체와 접촉하게 되는 길이로 형성될 수 있다. 상기 공동생성부의 길이는 상기 후미부의 직경의 3배 내지 10배로 형성될 수 있다.

본 발명은 바디 외면의 단차에 의하여 발생한 공동 생성과 소멸로 각 발사 조건에 맞는 수중탄환의 공동 형성에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명의 수중탄환은 집중 하중을 분포 하중으로 분산함으로써 탄환의 선두부의 변형 등과 같은 구조적인 문제를 해결할 수 있다. 또한, 이를 통하여, 재질 선택에 있어서 기존의 수중탄환에 비해서 자유로워지며, 이는 경제적인 이점으로 작용할 수 있다.

또한 본 발명의 수중탄환은 간단한 구조를 공동을 생성함에 따라, 목표를 정확하게 도달하기 위한 안정성 측면에서도 기존의 수중탄환에 비해서 월등히 안정적이다. 따라서, 수중탄환의 본연의 목적에서 기존의 수중탄환에 비해서 큰 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 수중탄환을 나타내는 개념도.
도 2는 도 1의 A 부분의 확대도.
도 3은 도 2의 공동생성부에 의하여 발생하는 공동의 생성 및 소멸을 나타내는 개념도.
도 4는 도 3에서 공동이 형성되지 않는 영역의 확보를 위한 공동생성부의 각 pitch 를 나타내는 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 공동생성부를 구비한 수중탄환에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따르는 수중탄환을 나타내는 개념도이다.

도 1에서는 수중탄환(100)을 도시하고 있으며, 도시한 바와 같이 상기 수중탄환(100)은 수중에서 이동가능하게 이루어진다, 구체척으로, 수중탄환(100)의 바디는 선두부(111) 및 후미부(112)를 포함하며, 선두부(111) 및 후미부(112)의 사이가 원추형을 이룬다.

수중탄환(100)은 수중 진행시에, 선두부(111)에 엄청난 크기의 집중하중에 의해 전체 형상의 변화가 올 수 있는 구조적인 문제를 가질 수 있다. 따라서, 본 예시에서는 공동생성부(120)를 이용하여, 집중하중을 수중탄환 전체에 걸친 분포하중으로 바꿔주며, 이를 통하여 구조적 안정성을 도모한다.

상기 공동생성부(120)는 상기 바디의 외주면에서 공동을 생성하도록 형성된다. 만약, 공동생성부(120)가 없다면, 공동이 상기 바디의 외주면 전체 걸쳐서 분포될 것이며, 이는 작은 외란에 의한 받음각 혹은 요각의 변화에 대한 상당한 변화를 유발하고, 극심한 공동의 크기 및 형태변화를 가져오게 된다.

본 발명에서는, 공동생성부(120)의 형상에 의해 공동이 형성되어 수중탄환(100)이 수증기와 접촉된 부분을 형성하며, 그 이후에는 공동 소멸에 의해 수중탄환(100)이 물과 직접적으로 접촉된다. 이를 통해서 수중탄환(100)은 안정적 운항을 할 수 있다. 이하, 상기 공동생성부(120)에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 도 1의 A 부분의 확대도이며, 도 3은 도 2의 공동생성부에 의하여 발생하는 공동의 생성 및 소멸을 나타내는 개념도이다.

도시에 의하면, 상기 공동생성부(120)는 제1 외면부(121)와 제2 외면부(122)를 포함한다.

상기 제1 외면부(121)는 수중탄환의 바디의 외면을 형성하며 상기 선두부(111)에서 후미부(112)를 향하여 직경이 증가하도록 이루어진다. 즉, 상기 제1 외면부(121)는 뿔 부분이 잘린 원뿔형태로 이루어진다.

상기 제2 외면부(122)는 공동을 생성하기 위하여 상기 제1 외면부(121)와의 경계에서 높이차를 형성하도록, 상기 제1 외면부(121)의 후단에서 연속되며, 상기 후단보다 작은 직경의 선단을 가지게 된다. 이 경우에, 상기 공동생성부(120)가 상기 선두부(111)에서 후미부(112)를 향하여 연속적으로 배치되도록, 상기 제1 외면부(121)와 제2 외면부(122)는 상기 바디의 외주면에서 반복된다. 즉, 본 발명의 공동발생부는 외주면상에 단차를 연속적으로 배열시킨 것이다.

보다 구체적으로, 상기 바디는 복수의 부분으로 구획되며, 각 부분은 인접하는 부분과의 경계에서 단차를 가지도록 이루어지는 것이다. 이러한 형상에 의해 발생되는 공동은 수중 탄환의 표면에 대하여 부분/초월공동을 만들며, 이를 이용하여 설계자는 초기에 대상 수중 탄환의 목표물 타격을 위한 이동거리 및 발사 조건에 맞는 설계를 할 수 있다. 상기 복수의 부분들은 고정형식으로 표면에 부착되어 공동의 생성과 소멸 야기하여 수중 탄환의 직진성 및 이동거리 향상에 기여하며, 이를 통하여, 본 발명의 수중탄환은 이동 중 발생할 수 있는 구조적 변화에 기존의 수중탄환에 비해서 영향을 덜 받을 수 있다.

도시에 의하면, 상기 제2 외면부(122)의 후단은 상기 제1 외면부(121)의 후단보다 직경이 크도록 이루어지며, 상기 제1 및 제2 외면부(121, 122)는 상기 높이차가 상기 외주면의 원주방향을 따라 연속적으로 이어지도록 형성될 수 있다. 이 경우에, 높이차는 상기 외주면의 원주방향을 따라 균등하게 형성될 수 있다.

상기 바디의 중심선을 따라 상기 제1 및 제2 외면부(121, 122)의 길이는 동일하게 형성될 수 있으며, 상기 공동생성부(120)의 길이는 상기 후미부의 직경의 3배 내지 10배로 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 외면부(121, 122)는 압력의 회복에 따라 상기 공동이 소멸되어 유체와 접촉하게 되는 길이로 형성된다.

도 3을 참조하면, 고속에서 공동생성부(120)의 형상에 의해서 유동이 변화하게 되고 형상의 뒷부분은 급격한 압력 저하에 의해서 물의 포화증기압 이하로 덜어져 공동이 발생하게 된다. 이렇게 발생한 수증기는 공동 생성 영역(131)에 존재하며, 이는 수증기 영역이 될 수 있다. 이후 발생된 공동은 압력이 회복되어 공동이 소멸되어 다시 물과 접촉하게 된다. 따라서, 상기 수증기 영역의 사이는 물 영역(132)에 의하여 채워지게 된다. 기존의 초고속 수중 탄환은 공동이 전체에 걸쳐 얇게 분포되어 있고, 총신으로부터 발사된 후에 추가 추진력이 없으므로 수중 탄환이 목표로 하는 지점까지 직진성을 유지하며 이동하기 힘들다. 본 발명에 의한 공동 형성과 소멸에 의한 초고속 수중탄환의 물과의 접촉 부분은 이러한 문제를 보완하기 위한 것으로 수중 탄환의 안정성을 향상시키게 된다.

상기 동작을 가능케 하는 예로서, 수중탄환(100)의 후미부(112) 지름의 길이(D)는 6mm에서 36mm사이의 범위에서 설정되며, 수중탄환의 길이는 최소 지름(6mm)과의 비에 의해서 20D에서 50D사이의 범위에서 설계될 수 있다. 쐐기의 길이(l)은 20mm에서 60mm사이의 값으로 설정될 수 있다. 이는 3.3D와 10D사이에 해당하는 값이다. 공동생성부의 각도는 3도에서 15도 사이에서 목표 이동거리와 속도 등에 의해 선정 되어 설계 된다. 위의 변수 선정에 의해서 설계된 수중탄환은 구획된 부분(외면부)의 개수와 길이, 그리고 각도의 다변화를 통해서 다양한 작전환경에 적합하게 설계될 수 있다.

수중탄환은 높은 속도를 가지므로, 공동의 두께가 아주 얇게 형성되는데, 이는 수중탄환 후미부 두께의 1/6 값에 해당한다. 공동 소멸에 의하여, 공동생성부의 각 피치(pitch)에서 외면부들과 물의 접촉을 유도하기 위해서는 pitch 높이가 공동의 두께보다 큰 값을 가져야 한다.

도 4는 도 3에서 공동이 형성되지 않는 영역의 확보를 위한 공동생성부의 각 pitch 를 나타낸다. Pitch angle은 pitch length가 같을 때, 서로 다른 높이를 가지며 3 ~ 15 의 값을 가진다. 제시된 pitch angel의 범위를 벗어나게 되면 물과 접촉하는 pitch 면이 과도하게 넓어지거나 사라지게 된다. 이렇게 되면 본 발명에서 제안하고 있는 효과가 사라지게 되므로 제시된 pitch angle 범위가 중요한 요소가 된다. 같은 방식으로 pitch length는 pitch angle이 같을 때, 서로 다른 길이를 가지며 수중탄환의 전체길이(L_Bullet)에 비해 0.03 ~ 0.2 L_Bullet 혹은 7 ~ 13개의 pitch 로 이루어진다. 제안된 Pitch length 에 의하여 공동이 뒤에 따라오는 pitch를 넘어서 까지 형성되거나, 너무 짧게 형성되는 것이 방지될 수 있다.

상기와 같은 공동생성부를 구비한 수중탄환은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (8)

1. 선두부 및 후미부를 구비하는 수중탄환의 바디; 및
   상기 바디의 외주면에서 공동을 생성하도록 형성되는 공동생성부를 포함하고,
   상기 공동생성부는,
   상기 바디의 외면을 형성하며 상기 선두부에서 후미부를 향하여 직경이 증가하도록 이루어지는 제1 외면부; 및
   상기 공동을 생성하기 위하여 상기 제1 외면부와의 경계에서 높이차를 형성하도록, 상기 제1 외면부의 후단에서 연속되며, 상기 제1 외면부의 후단보다 작은 직경의 선단을 가지는 제2 외면부를 포함하는 수중탄환.
2. 제1항에 있어서,
   상기 공동생성부가 상기 선두부에서 후미부를 향하여 연속적으로 배치되도록, 상기 제1 및 제2 외면부는 상기 바디의 외주면에서 반복되는 것을 특징으로 하는 수중탄환.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 외면부의 후단은 상기 제1 외면부의 후단보다 직경이 크도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중탄환.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 외면부는 상기 높이차가 상기 외주면의 원주방향을 따라 연속적으로 이어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수중탄환.
5. 제1항에 있어서,
   상기 바디의 중심선을 따라 상기 제1 및 제2 외면부의 길이는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 수중탄환.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 외면부는 압력의 회복에 따라 상기 공동이 소멸되어 유체와 접촉하게 되는 길이로 형성되는 것을 특징으로 하는 수중탄환.
7. 제5항에 있어서,
   상기 공동생성부의 길이는 상기 후미부의 직경의 3배 내지 10배로 형성되는 것을 특징으로 하는 수중탄환.
8. 제1항에 있어서,
   상기 공동생성부의 각도는 3도에서 15도 사이로 형성되는 것을 특징으로 하는 수중탄환.

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