KR101364642B1 - 수중 운동체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 수중 운동체는, 일측에서 타측까지 축방향을 따라 형성되는 중공부를 구비하는 본체; 상기 중공부를 관통하는 로프부를 따라 이동하도록 상기 본체에 내장되어 추진력을 제공하는 추진기관; 및 상기 본체의 일측에 형성되며, 일정 속도 이상에서 공동을 형성시키는 공동 발생부를 포함할 수 있다.

Description

수중 운동체{UNDERWATER VEHICLEL}

본 발명의 실시예들은 물속에서 로프를 따라 이동하는 수중 운동체에 관한 것이다.

일반적인 유도무기 추진체는 원통의 실린더 형상을 가지고 있으며 단일 노즐을 사용하여 지상에서 연소시켜 추력을 얻는 방식이다. 이는 추진체의 연소 가스가 단일 노즐을 통해 분사되면서 작용/반작용의 원리에 의해 추진시스템이 작동되는 원리이다.

수중에서 발사되는 무기체계는 수중에서의 항력과 연소 초기의 자세 불안정 등으로 인해 예상치 못한 방향으로 수중 운동체가 운동할 수 있으므로 초기 자세를 유지하기 위한 장치가 반드시 필요하다.

이를 위해 로프를 따라 수중 운동체가 운동할 수 있도록 형성될 수 있으나, 이 경우 로프와 수중 운동체의 마찰에 의하여 원하는 속도까지 수중 운동체를 가속시키기가 어려운 점이 있다. 또한 수중 운동체와 물 사이에도 마찰이 존재한다.

일반적인 수중주행구조체의 주행을 방해하는 요소는 마찰저항이며, 이를 줄이기 위하여 유선형 형상으로 되어있어 물과 접촉하는 접촉저항을 최소로 하도록 되어있다. 수중 주행에 의하여 발생하는 저항의 대부분은 구조체 표면과 유체 사이에서의 마찰에 의하여 발생하기 때문이다.

본 발명은 이러한 마찰을 줄이기 위하여 초공동화를 수중 운동체 전체에 걸쳐 형성하는 방안과 관련된다.

본 발명의 일 목적은 로프를 따라 이동하는 수중 운동체에 공동을 일으키는 방법을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 수중 운동체는, 일측에서 타측까지 축방향을 따라 형성되는 중공부를 구비하는 본체; 상기 중공부를 관통하는 로프부를 따라 이동하도록 상기 본체에 내장되어 추진력을 제공하는 추진기관; 및 상기 본체의 일측에 형성되며, 일정 속도 이상에서 공동을 형성시키는 공동 발생부를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 본체의 상부는 상기 공동 발생부에 접할때까지 그 반지름이 점진적으로 감소하도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 공동 발생부는 중공을 구비하는 원판 형상으로 이루어지고, 상기 공동 발생부는 상기 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 본체로부터 일정 크기만큼 돌출될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 60 m/s 이상의 속도에서 상기 공동 발생부로 인하여 형성된 공동이 상기 본체 전부를 덮도록, 상기 본체의 길이(L) 및 반지름(D1), 그리고 상기 공동 발생부의 반지름(D2)은 다음의 관계식

을 만족할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 본체는 상기 중공부와 상기 로프부 사이의 갭을 통해 유입되는 유체를 탐지할 수 있도록 형성되는 감지부를 구비할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 본체는 상기 감지부에 의해 유체가 감지될 때, 상기 본체의 내부로 유체가 유입되는 것을 방지하도록 상기 중공부를 가압하는 가압부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 수중 운동체는 수중 운동체 전체에 걸쳐 공동이 형성되어 물속에서 마찰저항을 최소화하여 이동할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 수중 운동체 지지장치의 개념도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 수중 운동체의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 관련하여 속도에 따르는 수중 운동체의 항력 계수를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련하여 속도에 따르는 수중 운동체의 공동 발생 공간을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 수중 운동체 및 공동 발생 공간을 도시한 도면.

이하, 본 발명에 관련된 수중 운동체 지지장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 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.

우선 본 발명의 수중 운동체가 가이드 되는 지지장치를 도 1을 참조하여 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 수중 운동체 지지장치의 개념도이다.

도 1을 참조하면, 수중 운동체 지지장치는 제1 및 제2 고정부(210, 220), 로프부(230) 및 인장부하기(240)를 포함할 수 있다.

제1 및 제2 고정부(210, 220)는 서로 일정거리만큼 이격되어 배치된다. 수중 운동체(100)는 제1 및 제2 고정부(210, 220) 사이의 거리를 이동하게 된다. 이 때, 제1 및 제2 고정부(210, 220)는 상부가 수면 상에 노출되고, 하부가 수중에 잠겨질 수 있다.

수중 운동체(100)는 추진체의 추력에 의해 수중에서 제1 고정부(210)로부터 제2 고정부(220)를 향하여 이동하게 된다.

수중 운동체(100)가 조향 장치를 구비하지 않고, 추진체의 추력에 의하여만 운동을 하는 경우 자유 운동을 하게 된다. 이 경우, 일정한 공간 내에서 시험을 할 수 밖에 없는 한계로 인하여, 수중 운동체(100)가 시험 장소를 벗어나거나 예상치 못한 방향으로 운동하게되어 주행체의 안정성 및 직진성을 보장할 수 없다.

따라서, 제1 및 제2 고정부(210, 220)를 수중에서 로프부(230)로 연결하고 수중 운동체(100)의 중공을 관통하도록 로프부(230)를 배치하여, 수중 운동체(100)가 로프부(230)를 따라 운동하도록 할 수 있다.

로프부(230)는 수중에서 자중에 의해 처질 수 있으며, 수중 운동체(100)의 운동에 의해 로프부(230)의 일부가 변형될 수 있다. 따라서, 이를 방지하기 위하여 로프부(230)의 일측은 제2 고정부(220)에 고정되고, 타측은 인장부하기(240)에 결합되어 인장부하기(240)에 의해 당기도록 형성될 수 있다. 이를 위해 인장부하기(240)는 모터와 같은 구동수단에 의해 구동되며, 로프부(230)가 일정 이상의 장력을 가지도록 로프부(230)를 잡아당긴다.

제1 고정부(210)는 수중 운동체(100)가 정지된 상태에서 수중 운동체(100)를 수용할 수 있도록 수중 운동체(100)에 대응하는 형상으로 이루어지는 수용체(250)를 포함할 수 있다. 수용체(250)는 수중 운동체(100)가 미끄러지면서 수용체(250)로부터 벗어날 수 있도록 미끄럼 접촉을 하도록 형성되며, 수중 운동체(100)를 가이드하도록 형성될 수 있다.

수용체(250)는 수중 운동체(100)에 내장된 추진체를 점화시킬 수 있도록 형성되는 점화 연결부(251, 도 2 참조)를 포함할 수 있으며, 점화 연결부(251)는 수중 운동체(100)에 착탈가능하게 결합되어, 점화가 이루어진 이후에는 수중 운동체(100)로부터 분리될 수 있다. 보다 자세하게는 점화 연결부(251)는 후술하는 점화장치에 착탈가능하게 결합된다.

또한, 제2 고정부(220)에 근접한 로프부(230)에 수중 운동체(100)가 충돌하면 탄성변형되어 수중 운동체(100)를 감속시키는 감속판(260)이 결합될 수 있다. 감속판(260)은 복수로 형성될 수 있다. 감속판(260)은 탄성변형가능하게 형성되는 수지나 고무 등으로 형성될 수 있다.

수중운동체 항력(Drag)의 대부분은 마찰저항(skin friction)에 의한 것이다. 마찰저항은 수중운동체의 표면과 이에 접한 유체를 전단시키는데 필요한 힘으로, 이러한 힘은 공기 중에서도 요구되어지지만, 물의 경우 공기에 비하여 밀도가 1000배나 크기 때문에 동일물체에 있어서 수중 저항은 공기 중 저항의 1000배에 이른다. 더욱이 추진에너지(power)는 물체속도의 세제곱에 비례하므로 단순히 에너지를 증가시켜 달성할 수 있는 수중운동체의 속력 증가는 한계에 부딪히게 된다.

초공동화 기술(Supercavitating Technology)은 수중운동체의 마찰저항을 줄이는 방법 중의 하나로서, 임의의 조건 하에서 단일 기포로 운동체를 완전히 덮어, 초공동 속에서 주행하는 운동체가 물과 직접 접한 두부(nose)를 제외하고 물에 비하여 점성과 밀도가 훨씬 낮은 수증기로 대부분 둘러싸이게 되어 마찰저항이 거의 사라진 극소의 저항을 받도록 만드는 것이다.

이하 도 2 내지 도 5를 참조하여 초공동화 기술이 적용된 수중 운동체(100)를 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 관련된 수중 운동체(100)의 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 관련하여 속도에 따르는 수중 운동체(100)의 항력 계수를 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 관련하여 속도에 따르는 수중 운동체(100)의 공동 발생 공간을 도시한 도면이다. 그리고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 수중 운동체(100) 및 공동 발생 공간을 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 수중 운동체(100)의 본체는 제1 바디(110)와 제2 바디(120)로 구획될 수 있다. 제1 바디(110)는 공동 형성과 관계되는 장치들이 형성되고, 제2 바디(120)는 추진력을 제공하는 추진기관이 형성될 수 있다. 즉, 제1 바디(110)는 수중에서 공동을 형성하도록 이루어지고, 제2 바디(120)는 수중에서 추진력을 제공하도록 이루어질 수 있다.

본체는 일측에서 타측까지 축방향을 따라 형성되는 중공부(15)를 구비할 수 있다. 제1 바디(110)와 제2 바디(120)에 각각 형성된 중공부(15)들은 서로 연통될 수 있다. 이로 인해, 본체가 로프부(230)를 따라 이동할 수 있다.

중공부(15)는 내부 케이싱(5)에 의해 한정되고, 내부 케이싱(5)은 공동 발생부(1)에 결합되고, 공동 발생부(1)는 내부 케이싱(5)과 제1 바디(110)에 결합될 수 있다. 내부 케이싱(5)에는 후술하는 파이프들이 삽입될 수 있다.

공동 발생부(1)는 본체의 일측에 형성될 수 있다. 보다 상세하게는 공동 발생부(1)는 제1 바디(110)의 일측에 형성될 수 있다. 제1 바디(110)는 원통형으로 형성되는 제1 부분(111)과 제1 부분(111)의 상부에 형성되며 제1 부분(111)으로부터 점진적으로 그 반지름이 감소하도록 형성되는 끝이 잘려진 원뿔 형상의 제2 부분(112)으로 나누어질 수 있다. 공동 발생부(1)가 제2 부분(112)의 일측에 형성되므로, 제2 부분(112)은 공동 발생부(1)에 접할때까지 그 반지름이 점진적으로 감소하도록 형성된다.

공동 발생부(1)는 중공을 구비하는 원판 형상으로 이루어지고, 본체의 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 본체로부터 일정 크기만큼 돌출된다. 일 예로, 공동 발생부(1)에 접하는 본체의 지름이 20cm 일 때, 공동 발생부(1)의 반지름은 25cm 가 될 수 있다. 공동 발생부(1)의 중공과 중공부는 서로 연통된다

로프부(230)와 중공부(15) 사이의 공간으로 유체(수분)이 유입되면, 수중 운동체(100)의 성능 시험에 있어서 오차가 발생할 수 있으며, 수분과 본체 사이에 마찰이 발생할 수 있다. 따라서, 본체 내부로 유입되는 수분을 감소시켜야 한다.

이를 위해, 본체는 중공부(15)와 로프부(230) 사이의 갭을 통해 유입되는 유체를 탐지할 수 있도록 형성되는 감지부(7)를 구비할 수 있다.

감지부(7)는 수분 감지 센서로 형성될 수 있다. 수분 감지 센서는 중공부(15)와 연통된 드레인부를 통해 유입되는 수분을 검출하도록 형성될 수 있다. 수분 감지 센서는 도전 공간을 형성하고 도전 공간에 수분의 존재 또는 부존재에 따라 전기의 전도 또는 부전도를 통해 수분 유무를 측정할 수 있다.

본체는 감지부(7)로부터 수분이 유입된 것을 확인하면, 중공부(15)를 가압시키는 가압부(6)를 포함할 수 있다. 보다 자세하게는, 중공부(15)와 로프부(230) 사이의 갭에 가스를 공급하여 가압시킬 수 있다. 이로 인해, 본체의 내부로 수분이 유입되는 것을 방지할 수 있다. 가압부는 가스 탱크와 가스 탱크로부터 나오는 가스를 조절할 수 있는 압력 조절부를 구비하여 형성될 수 있다.

제1 바디(110)는 이외에도 본체의 상태를 감지하여 모니터링하기 위한 측정장치 조립체를 더 포함할 수 있다.

공동 발생부(1), 본체의 길이 및 반지름은 일정 관계식을 만족하도록 형성될 수 있다.

일 예로, 본체의 길이(L) 및 반지름(D1), 그리고 공동 발생부(1)의 반지름(D2)은 아래의 관계식을 만족할 수 있다.

상기 관계식에서 5.2 이하인 경우 기설정된 속도(예를 들어 60m/s 이상의 속도)에서 공동이 본체 전부를 덮지 못하며, 5.6 이상인 경우에는 마찰이 커서 기설정된 속도에 도달하기 위한 연료 소모가 큰 문제점이 있다.

상기 관계식은 본체의 길이(L) 및 반지름(D1)를 각각 1.8m와 0.75m로 정해놓고 공동 발생부(1)의 반지름(D2)을 변화시켜 가면서 시뮬레이션하여 얻은 결과이다. 이 때, 질량은 본체 전체에 걸쳐 균일한 것으로 가정하였다.

도 3과 도 4를 참조하면, 수중 운동체(100)가 60m/s 이상에서 항력 계수(C_D)가 현저히 낮아지면서 공동이 수중 운동체(100) 전체를 덮는 초공동 현상이 일어남을 확인할 수 있다.

또한, 도 5를 참조하면, 본체의 길이(L) 및 반지름(D1)를 각각 1.8m와 0.75m이고, 공동 발생부(1)의 반지름(D2)이 0.25m일 때, 수중 운동체(100) 전체에 걸쳐 초공동이 발생함을 알 수 있다.

이하 도 2를 다시 참조하여, 수중 운동체(100)의 제2 바디(120)의 내부 구조를 살펴보기로 한다.

제2 바디(120)는 구성부품이 내장되고, 중심 내부에 축방향으로 중공부(15)가 형성되며, 전단부는 밀폐되고, 후단부는 개방되는 본체(10)와, 상기 본체(10)의 내부 전단에 형성되고 추진체가 내장되는 원통형의 연료챔버(20)와, 상기 본체(10)의 후단을 덮어 본체(10)를 밀폐시키는 노즐조립체(40) 및 상기 중공부(15)에 형성되고, 상기 노즐조립체(40)의 중앙을 관통하여 외부에까지 형성되는 파이프(30, 50)를 포함한다.

상기 본체(10)는 중공부(15)를 형성하기 위한 내주면(12)이 형성되며, 상기 파이프(30, 50)는 상기 내주면(12)과 인접 형성된다.

상기 연료챔버(20)는 추진체가 항시 가득 충진되어 있는 것이 아니고, 필요에 따라 일부(20a)만 충진되고, 일부(20b)는 비어 있는 경우도 있다. 예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 추진체로 장거리에 걸쳐 시험을 하고자 하는 경우에는 추진체가 많이 필요하므로 가득 충진시킬 필요가 있으나, 비교적 짧은 거리에 걸쳐서 시험을 하는 경우에는 추진체가 많이 필요하지 않으므로 일부만 충진되는 것이다.

즉, 추진체를 가득 충진시키는 경우에는 중공부(20b)가 존재하지 않게 된다.

상기 중공부(15)를 제외한 본체(10)의 전단은 밀폐되어 있으며, 후단은 개방되어 있다. 개방된 본체(10)의 후단에는 노즐조립체(40)가 결합되는데, 상기 노즐조립체(40)는 동일한 형상의 노즐(40a, 40b)이 동심원상에 분리 형성된다. 이는 중공부(15)에 파이프(30, 50)가 배치되기 때문에 일체로 형성하지 않은 것이다.

상기 노즐조립체(40)는 상기 본체(10)의 후단을 밀폐시키면서 다수의 볼트(70)에 의해 결합되는데, 상기 볼트(70)는 노즐조립체(40)의 바깥 둘레에 환형으로 형성될 수 있다.

상기 노즐조립체(40)를 볼트(70)로 상기 본체(10)의 후단에 결합하기 위하여 상기 노즐조립체(40)의 외측 둘레에는 환형의 돌기(44)가 형성되어 있다.

또한, 상기 파이프(30, 50)는 상기 중공부(15)의 전단에 배치되는 제1 파이프(30)와, 상기 제1 파이프(30)와 소정 간격으로 이격 형성되는 제2 파이프(50)로 구분할 수 있는데, 반드시 이와 같이 2개의 파이프로 분리형성할 필요는 없으나, 파이프를 일체로 형성한 경우에는 일체로 된 파이프를 노즐조립체(40)에 결합하기가 쉽지 않으므로, 두 개의 파이프로 분리하는 것이 유리하다. 즉, 상기 파이프를 중공부(15)의 전단으로부터 노즐조립체(40)를 관통하여 외부에까지 일체로 형성할 수도 있다.

이때, 상기 제1 파이프(30)의 양단 즉, 상기 제1 파이프(30)가 노즐조립체(40)에 결합되는 부위에는 하나 이상의 오링(82, 83)이 형성되어 있다. 상기 오링(82, 83)은 오링(81)과 같이 수밀구조를 위함이다. 즉, 상기 중공부(15)에는 상기 제1 파이프(30) 및 제2 파이프(50)가 삽입되고, 상기 제1 파이프(30) 및 제2 파이프(50)의 내부에는 물이 로프(미도시)와 함께 유입되는데, 이때의 물이 본체(10) 내부로 유입되는 것을 방지하기 위함이다. 즉, 오링(82)은 제1 파이프(30)와 노즐조립체(40) 사이의 수밀을 위해 형성되고, 오링(83)은 제1 파이프(30)와 본체(10) 사이의 수밀을 위해 형성되며, 이에 따라 본체(10) 및 노즐조립체(40) 내부 공간으로 물이 유입되지 않게 된다.

한편, 상기 노즐조립체(40)와 결합하는 제2 파이프(50)의 전단부에는 외주면에 나사산(52)이 형성되어 상기 노즐조립체(40)의 내주면(14)에 결합되도록 한다. 따라서, 제2 파이프(50)와 노즐조립체(40)의 사이에는 오링이 불필요하다.

이때, 상기 제1 파이프(30)는 수중에서 주행 중 로프를 가이드하는 기능을 수행하고, 상기 본체(10)의 전단으로부터 유입되는 로프가 부드럽게 미끄러지면서 유입되도록 하기 위하여 상기 본체(10)의 개구부는 일부가 만곡되게 형성한다. 또한, 상기 제2 파이프(50)는 상기 제1 파이프(30)를 통해 유입된 로프를 본체(10)의 후단을 통하여 외부로 배출되도록 가이드하는 기능을 수행함과 동시에, 한 쌍의 노즐(40a, 40b) 사이에 형성되어 고온의 연소 가스로부터 로프를 보호하는 기능을 수행한다. 이를 위하여, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 노즐조립체(40)의 후단에 상기 제2 파이프(50)가 견고하게 나사결합한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서의 중공부(15)는 수중궤도 주행을 가이드하기 위한 것으로 추진체의 연소로 인한 고온 및 고압에 견딜 수 있도록 하는 기밀 및 수밀 구조물로 되어 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 추진체를 연소시기기 위한 점화장치(60)가 구비된다. 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 점화장치(60)는 상기 연료챔버(20)의 일측에 이격 형성되고, 연료가 내장되는 연료실(61), 상기 연료실(61)의 연료에 고열을 제공하는 착화기(62)를 포함한다. 상기 연료실(61)은 상기 본체(10)의 내부에 형성됨과 동시에 일부가 상기 노즐조립체(40)에 삽입되어 있다. 또한, 상기 착화기(62)는 상기 연료실(61)의 일측에 배치됨과 동시에 노즐조립체(40)의 외부에 노출되어 있다. 상기 점화장치(60)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 사항이므로 여기에서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다.

상기와 같이 설명된 수중 운동체는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (6)

1. 일측에서 타측까지 축방향을 따라 형성되는 중공부를 구비하는 본체;
   상기 중공부를 관통하는 로프부를 따라 이동하고, 상기 본체에 내장되어 추진력을 제공하는 추진기관; 및
   상기 본체의 일측에 형성되며, 일정 속도 이상에서 공동을 형성시키는 공동 발생부를 포함하고,
   상기 본체의 상부는 상기 공동 발생부에 접할때까지 그 반지름이 점진적으로 감소하도록 형성되며, 상기 공동 발생부는 중공을 구비하는 원판 형상으로 이루어지고,
   상기 공동 발생부는 상기 축방향에 대하여 교차하는 방향으로 상기 본체로부터 일정 크기만큼 돌출되는 것을 특징으로 하는 수중 운동체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   60 m/s 이상의 속도에서 상기 공동 발생부로 인하여 형성된 공동이 상기 본체 전부를 덮도록,
   상기 본체의 길이(L) 및 반지름(D1), 그리고 상기 공동 발생부의 반지름(D2)은 다음의 관계식
   

   

   
   을 만족하는 것을 특징으로 하는 수중 운동체.
5. 제1항에 있어서,
   상기 본체는 상기 중공부와 상기 로프부 사이의 갭을 통해 유입되는 유체를 탐지할 수 있도록 형성되는 감지부를 구비하는 것을 특징으로 하는 수중 운동체.
6. 제5항에 있어서,
   상기 본체는 상기 감지부에 의해 유체가 감지될 때, 상기 본체의 내부로 유체가 유입되는 것을 방지하도록 상기 중공부를 가압하는 가압부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 운동체.
   
   
   
   
   
   

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