KR101376384B1 - 드롭타워 낙하물 감속 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

드롭타워의 챔버를 따라 낙하하는 낙하물을 감속시키기 위한 장치 및 방법이 개시된다. 일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치는, 상기 낙하물이 수용되는 수용부가 형성된 중공 파이프 형상의 캐치튜브, 상기 캐치튜브 내부에 제공되며 상기 낙하물이 안착되는 안착부 및 상기 캐치튜브의 하부에서 상부로 가스를 분사하는 가스공급장치를 포함하여, 상기 가스의 압력에 의해 상기 낙하물을 감속시킬 수 있다.

Description

드롭타워 낙하물 감속 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DECELERATING FALLING OBJECT IN DROP TOWER}
이하의 설명은 드롭타워 낙하물 감속 장치 및 방법에 관한 것이다.
지상에서는 중력의 영향으로 인해 제작될 수 없는 신소재를 개발하거나, 무중력 상태에서의 물리적 현상의 연구, 우주용 부품의 시험 등을 위해서는 무중력 상태를 조성하는 것이 필요하다.
무중력과 관계된 실험은 국제우주정거장 또는 궤도비행 우주선을 이용하여 수행할 수 있지만, 실제로 우주 공간에서 실험을 수행하기 전에 우주용 부품의 설계를 최적화하고, 우주 실험을 위한 최적의 실험 조건을 결정하기 위하여 미리 지상 혹은 지상 근처에서 무중력 실험을 수행할 필요가 있다.
지상 혹은 지상 근처에서 무중력을 얻기 위한 방법으로, 비행기의 포물선 궤도 비행 또는 드롭타워(drop tower)를 이용할 수 있다. 비행기를 이용하는 방법은 무중력 지속 시간이 비교적 길고(수 분), 실험자가 동승할 수 있는 이점이 있으나, 비용이 많이 소요되고 무중력 수준이 떨어진다.
드롭타워는 시험물체를 타워의 상부에서 자유낙하시켜 무중력을 얻는 설비로서, 시험 시간은 짧으나(수 초), 매우 양호한 무중력 조건을 얻을 수 있다. 드롭타워는 일반적으로 수 십 내지 약 100m 정도의 수직 챔버 내부에서 낙하물을 낙하시키고, 하부에서 낙하물을 감속시킨다. 챔버 내부를 진공으로 조성하면 자유낙하하는 낙하물이 받는 공기 저항의 영향을 제거할 수 있어, 양호한 무중력 조건을 얻을 수 있다.
드롭타워를 이용하는 방법에 있어서, 챔버 하부에서 낙하물을 효과적으로 감속시키지 못하면 실험 대상을 그 내부에 포함하는 낙하물은 큰 충격을 받게 되고, 이로 인해 파손될 위험이 있다.
이를 방지하기 위해, 종래의 드롭타워에서는 낙하물 감속 장치로 에어백(airbag)을 사용하고 있는데, NASA의 "2.2 second drop tower"가 그 예이다. 또한, 독일의 "ZARM drop tower"는 컨테이너 안에 폴리스티렌 펠릿(pellet)을 채워 넣고 낙하물이 컨테이너 속으로 낙하하도록 하여 충격을 흡수하고 낙하물을 감속시킨다.
위와 같은 방식은, 아무리 완충 효과가 크더라도 결국은 어떠한 물체(에어백 또는 폴리스티렌 펠릿)에 부딪혀 감속되는 방식이므로 충격이 발생하게 된다. 따라서, 낙하물 파손의 위험은 여전히 존재하게 된다.
1. "Users Guide for the 2.2 Second Drop Tower of the NASA Lewis Research Center", Jack Lekan 외, 1996.04. 2. "ZARM Drop Tower Bremen General Information", Drop Tower Operation and Service Company, 2000.04.
일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치 및 방법은 가스의 압력에 의한 완충 작용을 통해 감속을 부드럽게 하여 감속 충격을 줄이는 것에 그 목적이 있다.
일실시예에 따르면, 드롭타워 낙하물 감속 장치는, 상기 낙하물이 수용되는 수용부가 형성된 중공 파이프 형상의 캐치튜브, 상기 캐치튜브 내부에 제공되며 상기 낙하물이 안착되는 안착부 및 상기 캐치튜브의 하부에서 상부로 가스를 분사하는 가스공급장치를 포함하여, 상기 가스의 압력에 의해 상기 낙하물을 감속시킬 수 있다.
이 때, 상기 캐치튜브는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 좁아질 수 있다.
또한, 상기 캐치튜브의 측벽은 외벽 및 복수의 통과공이 형성된 내벽으로 구성되고, 상기 외벽 및 내벽 사이에는 중공부가 형성되어 상기 가스공급장치에 의해 분사되는 상기 가스 중 일부는 상기 중공부로 진입하여 상기 복수의 통과공을 통과함으로써 상기 캐치튜브의 중심부를 향해 분사될 수 있다.
또한, 드롭타워 낙하물 감속 장치는, 상기 가스공급장치에 의해 분사되어 상기 캐치튜브의 상단을 통과한 상기 가스를 챔버 외부로 배기하기 위한 팬을 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 팬은 상기 캐치튜브의 상단보다 낮은 고도에 위치할 수 있다.
일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 방법은, 드롭타워의 챔버에 중공 파이프 형상의 캐치튜브를 제공하는 캐치튜브 제공 단계, 상기 캐치튜브 내부에 낙하물이 안착되는 안착부를 제공하는 안착부 제공 단계 및 상기 낙하물이 낙하되면 상기 캐치튜브의 하부에서 상부로 가스를 분사하는 가스 분사 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분사되는 가스가 상기 캐치튜브의 상단을 통과하면 상기 통과된 가스를 상기 챔버 외부로 배기하는 배기 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 분사되는 가스의 양을 조절하여 상기 낙하물을 상기 안착부로 안착시키는 안착 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐치튜브는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 좁아질 수 있다.
또한, 상기 캐치튜브의 측벽은 외벽 및 복수의 통과공이 형성된 내벽으로 구성되고, 상기 외벽 및 내벽 사이에는 중공부가 형성되어 상기 분사된 가스 중 일부는 상기 중공부로 진입하여 상기 복수의 통과공을 통과함으로써 상기 캐치튜브의 중심부를 향해 분사될 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 가스의 압력에 의한 완충 작용을 통해 감속을 부드럽게 하여 감속 충격을 줄일 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치의 개략도.
도 2는 일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 방법의 순서도.
이하, 드롭타워 낙하물 감속 장치 및 방법에 대한 여러 실시예들을 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치(100)의 개략도이다. 일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치(100)는 드롭타워의 챔버(1) 내부에 설치되고, 캐치튜브(110), 안착부(120) 및 가스공급장치(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
캐치튜브(110)는 도시된 바와 같이 중공 파이프 형상으로 제공되며, 낙하물(2)이 수용될 수 있도록 수용부(115)가 형성된다. 낙하물(2)은 이 수용부(115)로 낙하하게 된다.
가스공급장치(130)는 낙하물(2)이 캐치튜브(110) 내부로 진입할 때 캐치튜브(110)의 하부에서 상부로 가스를 분사한다. 이 때 분사되는 가스는 고속의 낙하물(2)을 감속시킬 수 있을 만큼의 고압일 필요가 있다. 구체적인 압력의 수치는 낙하물(2)의 질량, 초기 속도, 면적 등에 따라 변경될 수 있다.
안착부(120)는 감속된 낙하물(2)이 최종적으로 안착되는 곳으로, 안착 시 발생할 수 있는 충격을 방지하게 위해 형태의 변형이 가능한 탄성, 연성 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
위와 같이 구성되는 본 실시예의 드롭타워 낙하물 감속 장치(100)의 작동을 설명하면, 우선 낙하물(2)이 챔버(1)의 상부에서 낙하되어 캐치튜브(110) 내부로 진입하면 가스공급장치(130)는 캐치튜브(110) 내부로(하부에서 상부로) 고압의 가스를 분사하여 가스의 압력에 의해 낙하물(2)에 완충 효과를 제공한다. 가스에 의해 감속된 낙하물(2)은 최종적으로 안착부(120)에 안착되어 실험을 마친다.
또한, 다른 실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치(100)의 캐치튜브(110)의 측벽은 외벽(111) 및 내벽(112)의 이중벽 구조로 제공될 수 있다. 이 때, 내벽(112)에는 복수의 통과공(113)이 형성될 수 있고, 외벽(111)과 내벽(112) 사이에는 빈 공간, 즉 중공부가 형성될 수 있다. 이를 통해, 가스공급장치(130)에 의해 분사된 가스 중 일부는 캐치튜브(110) 내부로 직접 분사되는 것이 아니라 상기 중공부로 진입하여 상기 복수의 통과공(113)을 통과함으로써 캐치튜브(110)의 중심부를 향해 분사될 수 있다. 따라서, 낙하물(2)은 가스에 의해 낙하 반대방향의 완충 작용을 제공받는 것뿐만 아니라, 캐치튜브(110)의 반경방향의 완충 작용 또한 제공받을 수 있으므로, 낙하물(2)은 캐치튜브(110)의 측벽에 충돌하지 않고 캐치튜브(110)의 중심부를 따라 안전하게 감속되며 하강할 수 있다.
또한, 또 다른 실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치(100)의 캐치튜브(110)는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 좁아질 수 있다. 즉, 이 때의 캐치튜브(110)는 도시된 바와 같이 뒤집어진 종 형상일 수 있다. 이 경우, 낙하물(2)이 캐치튜브(110) 내부로 진입할 때 상기 캐치튜브(110)의 직경은 상부가 비교적 크므로, 진입 초기에는 많은 가스가 캐치튜브(110) 외부로 빠져나가게 된다. 이로써, 캐치튜브(110) 내부에 고압의 가스를 분사하는데도 불구하고 캐치튜브(110) 내부의 압력은 급격히 상승하지 않고, 부드럽게 상승할 수 있다. 낙하물(2)이 캐치튜브(110) 내부로 더 진입하게 되면, 낙하물(2)과 캐치튜브(110) 사이의 간격은 점점 줄어들고, 이에 따라 캐치튜브(110) 외부로 빠져나가는 가스의 양도 점점 줄어들어 낙하물(2) 하부의 가스 압력이 점점 상승하여 낙하물(2)을 감속시킬 수 있다. 즉, 낙하물(2)과 캐치튜브(110) 사이의 공간으로 유입되는 가스의 양에 비하여 빠져나가는 가스의 양이 부드럽게 줄어들게 함으로써 낙하물(2) 하부의 압력을 부드럽게 상승시켜 낙하물(2)을 안정적으로 감속시킬 수 있게 된다.
또한, 또 다른 실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 장치(100)는 팬(140)을 더 포함하여 가스공급장치(130)에 의해 분사되어 캐치튜브(110)의 상단을 통과한 가스를 챔버(1) 외부로 배기할 수 있다. 분사되는 가스가 챔버(1) 내부를 채우게 되면 낙하물(2)의 자유낙하 시 상기 가스에 의한 저항이 증가하게 되므로, 팬(140)은 이를 방지하는 역할을 할 수 있다.
이 때, 팬(140)은 캐치튜브(110)의 상단보다 낮은 고도에 위치하여 분사되는 가스를 챔버(1) 외부로 배기하는 것이 바람직하다. 상대적으로 아래에 위치하여 가스를 빨아들임으로써 캐치튜브(110) 상단을 통과한 가스가 낙하물(2)의 낙하에 최소한의 영향만을 끼치면서 바로 배기될 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 방법의 순서도이다. 일실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 방법은 캐치튜브 제공 단계(10), 안착부 제공 단계(20) 및 가스 분사 단계(30)를 포함할 수 있다.
우선, 드롭타워의 챔버에 중공 파이프 형상의 캐치튜브를 제공하고, 상기 캐치튜브 내부에 낙하물이 안착될 수 있는 안착부를 제공한다.
관련 장비의 준비가 완료되고, 낙하물이 낙하되면 캐치튜브의 하부에서 상부로 가스를 분사하여 가스의 압력에 의한 완충 작용으로 낙하물의 감속을 이루어낼 수 있다.
이 때, 상기 가스는 고압일 수 있고, 안착부는 낙하물의 충격을 흡수할 수 있는 재질인 것은 상술한 바와 같다.
또한, 상기 캐치튜브 제공 단계(10), 안착부 제공 단계(20) 및 가스 분사 단계(30)는 도 2와는 달리, 어느 것이라도 먼저 진행될 수 있고, 또는 모두 동시에 진행될 수도 있다.
다른 실시예에 따른 드롭타워 낙하물 감속 방법은 분사되어 캐치튜브의 상단을 통과한 가스를 챔버 외부로 배기하는 배기 단계(40)를 더 포함할 수 있다. 배기 단계(40)에서 가스를 배기하는 것으로는 상술한 팬 등이 사용될 수 있다. 이를 통해, 낙하 과정에서의 분사되는 가스에 의한 저항을 최소화하여 보다 양호한 무중력 조건을 얻을 수 있다.
본 실시예에서도, 상기 캐치튜브 제공 단계(10), 안착부 제공 단계(20), 가스 분사 단계(30) 및 배기 단계(40)는 도 2와는 달리, 어느 것이라도 먼저 진행될 수 있고, 또는 모두 동시에 진행될 수도 있다.
또한, 낙하물을 안착부로 안착시키는 안착 단계(50)가 더 포함될 수 있다. 감속이 모두 이루어진 뒤에도 캐치튜브를 빠져나가는 가스의 양에 비해 분사되는 가스의 양이 많아서 낙하물이 안착부에 완전히 닿지 않는 경우가 있을 수 있다. 이러한 경우, 분사되는 가스의 양을 조절하여 낙하물 하부의 압력을 서서히 감소시킴으로써 낙하물을 안착부에 최종적으로 안착시켜 시험을 종료할 수 있다.
또한, 캐치튜브는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 좁아질 수 있는데, 이는 상술한 바와 같다.
또한, 캐치튜브의 측벽은 외벽 및 복수의 통과공이 형성된 내벽으로 구성되고, 상기 외벽 및 내벽 사이에는 중공부가 형성되어 상기 분사된 공기 중 일부는 중공부로 진입하여 복수의 통과공을 통과함으로써 캐치튜브의 중심부를 향해 분사될 수 있다. 이를 통해, 낙하물을 측면에서도 완충하여 낙하물이 캐치튜브의 측벽에 충돌하는 것을 방지하고 안정적으로 하강할 수 있게 한다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시는 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
1 : 챔버 2 : 낙하물
100 : 드롭타워 낙하물 감속 장치 110 : 캐치튜브
111 : 캐치튜브 외벽 112 : 캐치튜브 내벽
113 : 통과공 115 : 수용부
120 : 안착부 130 : 가스공급장치
140 : 팬

Claims (10)

  1. 드롭타워의 챔버를 따라 낙하하는 낙하물을 감속시키기 위한 장치에 있어서,
    상기 낙하물이 수용되는 수용부가 형성된 캐치튜브;
    상기 캐치튜브 내부에 제공되며 상기 낙하물이 안착되는 안착부; 및
    상기 캐치튜브의 하부에서 상부로 가스를 분사하는 가스공급장치;
    를 포함하여, 상기 캐치튜브의 측벽은 외벽 및 복수의 통과공이 형성된 내벽으로 구성되며, 상기 외벽 및 내벽 사이에는 중공부가 형성되어 상기 가스공급장치에 의해 분사되는 상기 가스 중 일부가 상기 중공부로 진입하여, 상기 복수의 통과공을 통과함으로써 상기 캐치튜브의 중심부를 향해 상기 가스가 분사되며, 가스 압력에 의해 상기 낙하물을 감속시키는 것을 특징으로 하는 드롭타워 낙하물 감속 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐치튜브는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 드롭타워 낙하물 감속 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스공급장치에 의해 분사되어 상기 캐치튜브의 상단을 통과한 상기 가스를 상기 챔버 외부로 배기하기 위한 팬을 더 포함하는 드롭타워 낙하물 감속 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 팬은 상기 캐치튜브의 상단보다 낮은 고도에 위치하는 드롭타워 낙하물 감속 장치.
  6. 드롭타워의 챔버에 중공 파이프 형상의 캐치튜브를 제공하는 캐치튜브 제공 단계;
    상기 캐치튜브 내부에 낙하물이 안착되는 안착부를 제공하는 안착부 제공 단계; 및
    상기 낙하물이 낙하되면 상기 캐치튜브의 하부에서 상부로 가스를 분사하는 가스 분사 단계;
    를 포함하며, 상기 캐치튜브의 측벽은 외벽 및 복수의 통과공이 형성된 내벽으로 구성되고, 상기 외벽 및 내벽 사이에 중공부가 형성되어, 상기 분사된 가스 중 일부가 상기 중공부로 진입하여 상기 복수의 통과공을 통과함으로써 상기 캐치튜브의 중심부를 향해 분사되는 드롭타워 낙하물 감속 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분사되는 가스가 상기 캐치튜브의 상단을 통과하면 상기 통과된 가스를 상기 챔버 외부로 배기하는 배기 단계를 더 포함하는 드롭타워 낙하물 감속 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 분사되는 가스의 양을 조절하여 상기 낙하물을 상기 안착부로 안착시키는 안착 단계를 더 포함하는 드롭타워 낙하물 감속 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 캐치튜브는 상부에서 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 드롭타워 낙하물 감속 방법.
  10. 삭제
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