KR101697543B1 - 충격-절연 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이더 시스템(1)을 선박에 탑재된 지지면(5)으로 실장하도록 하기 위한 충격 절연 구조물로서, 상기 레이더 시스템(1)이 부착될 수 있는 플랫폼(14)과, 상기 플랫폼(14)과 상기 지지면(5) 사이에 인장력 및 압축력 모두에 있어서 동작하는 6개의 지주와 같은 감폭 요소들(six strut-like damping elements)(4)을 포함하고, 상기 감폭 요소들(4)은 트러스(truss) 구조로 배향되어(oriented), 상기 감폭 요소들(4)의 제1 말단들은 전체 운동(universal movement)을 위해 상기 지지면(5)에 연결되고, 상기 감폭 요소들(4)의 제2 말단들은 전체 운동을 위해 상기 플랫폼(4)에 연결되며, 상기 각 감폭 요소들(4)은 자기 유변 유체 감폭제(magnetorheological fluid damper) 혹은 전기 유변 유체 감폭제(electrorheological fluid damper)(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격 절연 구조물에 관한 것이다.

Description

충격-절연 구조물{SHOCK-ISOLATION STRUCTURE}

본 발명은 일반적으로 민감한 장비를 지지하고 보호하는 데 사용되는 충격-절연 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 충격 및 진동에 대항하여 선박에 설치되는 레이더 시스템(radar system)의 보호에 관한 것이다.

섬세한 최첨단 전자 장비를 탑재한 해군 선박을 충격 및 진동에 의해 발생하는 고장으로부터 보호하기 위해서, 충격 및 진동 절연 기술이 적용되고 있다.

구체적으로, 현대 전자 스캔 레이더 시스템들(AESA)은 정밀하게 작동하기 위해 플랫폼 안정성에 관하여 매우 높은 필요조건들을 갖는다. 레이더 시스템과 플랫폼 사이의 상대적인 이동은 일반적으로 방지되어야 하고, 단지 매우 작은 회전 편차만이 허용된다.

이에 따라, 선박에 설치되는 레이더 시스템들에 적당한 충격-절연 플랫폼은 5g까지의 가속도를 받는 경우 거의 강체 운동(rigid behaviour)을 제공하여야 하지만, 하중이 5g를 넘는 경우에는 충격 흡수제로서의 역할을 해야 한다.

그러한 플랫폼들을 위한 전형적이고 잘 알려진 감폭 수단(damping means)으로서 나선형 스프링들 혹은 와이어 로프 절연체들이 있다. 하지만, 이 방법은 보통의 해군 선박 동작 동안 충분한 안정성을 담보하지 않으며, 이에 따라 시스템이 회전 운동을 하게 된다.

미국공개특허 제2003/0075407호에 개시된 것처럼, 소위 스튜어트 플랫폼(Stewart platform)이 선박 상의 민감한 장비의 충격 절연을 위해 사용될 수 있다. 여기서 제안된 충격-절연 플랫폼은 선박 상에 사용되는 레이더 시스템의 보호를 위해 필요한 전술한 감폭 특성을 갖지 않는 나선형 스프링들에 기초하고 있다. 상기 개시된 스튜어트 플랫폼은 상기 레이더 시스템이 동작할 수 있도록 하는 안정성을 확보할 수 있도록 충분히 단단하지가 않다. 이러한 유형의 충격 절연 구조물을 사용하기 위해서는 미리 정해진 스프링 상수(spring rate)를 필요로 한다. 만약 강한 스프링이 선택된 경우라면, 5g까지의 하중이 걸렸을 때 플랫폼은 안정적일 것이나, 해저 폭발이 일어난 경우, 가속도가 전달되어 전자 장비에 타격을 줄 것이다. 반대로, 만약 약한 스프링이 선택된 경우라면, 상기 플랫폼은 해저 폭발에는 견딜 것이나, 선박 운동 중에는 상기 절연 구조물의 불충분한 안정성 및 경도(stiffness) 때문에 상기 레이더가 작동할 수 없을 것이다.

전기 유변 유체(electrorheological fluid, 이하에서는 ERF) 혹은 자기 유변 유체(magnetorheological fluid, 이하에서는 MRF) 및 선박 상의 충격-절연 구조물을 위한 감폭 요소들이 미국등록특허 제6,752,250호에 개시되어 있다. 하지만, 매우 단순한 설치 원리는 해군 레이더의 구조적 필요조건들을 만족하지 않는다. 상기 개시된 시스템은 주로 하나의 축에서 작동하며, 복합 레이더 시스템을 장착하는 것이 불가능하다. 쉽게 알 수 있는 것처럼, 상기 개시된 절연 구조물은 수직 충격에만 노출될 수 있다. 사용되는 조인트들 때문에 상기 시스템은 수평 방향으로 경도를 갖지 못하며, 이에 따라 해군 선박 상에 사용되기에 부적합하다. 상기 개시된 구조의 다른 단점은 감폭 특성에 대한 복잡한 제어이다. MRF 혹은 ERF 감폭 요소들은 통상 부드러운 감폭 특성을 가지며 필요한 때에만 경도가 증가한다. 하지만 해군 레이더 시스템에 관련된 필요조건들에 따라, 완전히 상반되는 특성이 필요하다. 즉, 감폭 요소들은 매우 높은 경도를 확보하기 위해서 영구히 높은 전압 하에 있다. 단지 특별한 사건이 발생했을 때에만(충격, 폭발 등), 상기 경도가 감소한다. 전술한 단점들은 미국등록특허 제6,752,250호에 개시된 상기 구조물이 본 발명에서 고려하는 해군 레이더의 보호에 부적합하게 한다.

본 발명의 목적은 해군 레이더 시스템의 높은 전개 정확도(repositioning accuracy)를 담보하는 충격 절연 플랫폼을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 충격-절연 구조물은 스튜어트 플랫폼의 원리에 따라 고안된 것이다. 이 구조물은 지구상의 모든 방향들에서의 충격들을 흡수할 수 있다. 상기 구조물의 지주와 같은(strut-like) 감폭 요소들은 ERF 혹은 MRF 감폭제들(dampers)을 사용한다. 상기 ERF 혹은 MRF 감폭제들의 감폭 특성들은 전자기적으로 제어될 수 있다. 몇 밀리 초 이내에 조정이 가능하다.

본 발명에 따른 구조물은 레이더 시스템을 충격력이나 진동력으로부터 보호할 수 있으며, 선박 동작동안 상기 레이더 시스템이 어떠한 제한도 없이 동작할 수 있도록 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 충격-절연 구조물의 측면도이다.
도 2는 각 지주와 같은 감폭 요소의 말단들에 위치하는 볼 조인트를 나타낸다.
도 3은 도 1의 A-A 선에 따른 상기 충격-절연 구조물 부분의 상면도이다.
도 4는 상기 충격-절연 구조물의 감폭 요소의 다른 실시예를 나타낸다.
도 5는 상기 충격-절연 구조물의 적용 원리를 나타낸다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 충격-절연 구조물이 도 1 내지 도 3에 선박(6)에 탑재된 것으로 도시되어 있다.

도 1의 측면도에서, 레이더 회전 유닛(2) 및 레이더 인터페이스 플레이트(3)를 갖는 레이더 시스템(1)이 플랫폼(14) 상에 실장되어 있다. 선박(6)의 플랫폼(14)과 갑판(5)은 갑판(5)과 플랫폼(14) 사이에 인장력 및 압축력 모두에서 동작하는 6개의 지주와 같은 감폭 요소들(strut-like damping elements)(4)에 의해 연결된다. 상기 6개의 감폭 요소들은 스튜어트 플랫폼의 원리들에 따라 트러스(truss) 구조로 배열된다. 도 3에서 보이는 바와 같이, 6개의 감폭 요소들(4)은 3개의 쌍을 이루며, 각 쌍들은 V-자 구조로 향해 있다.

감폭 요소(4)의 각 말단은 플랫폼(14)이나 갑판(5)에 연결되어 모든 방향으로의 전체적인 운동을 허용한다. 이러한 운동은 도 2에 자세히 도시된 표준적인 볼 조인트에 의해 가능하며, 상기 볼 조인트는 갑판(5) 혹은 플랫폼(14)에 대한 인터페이스 플레이트 상에 실장된 케이스(9) 내에서 움직이는 감폭 요소(4)의 구형 말단부(8)를 갖는다. 일반적으로, 중심점 부근에서 두 개의 수직한 방향들로 각 회전을 허용하는 어떠한 연결들도 사용될 수 있다.

각 감폭 요소(4)는 MRF 혹은 ERF 감폭제(12)를 포함한다. 게다가, 각 감폭 요소들(4)은 나선형 스프링(13)을 포함한다. 나선형 스프링 이외에, 어떠한 종류의 스프링, 예를 들어 유체 혹은 기체 스프링들도 사용 가능하다. 스프링(13)의 주된 목적은 충격 에너지를 변위(displacement)로 변환시켜 이를 소멸시키는 것이다. 사용되는 스프링들의 종류에 따라, 상기 충격 에너지는 마찰, 열 등으로 변환될 수도 있다.

당해 기술 분야에서 MRF 혹은 ERF 감폭제의 동작 특성들이 알려져 있다. MRF 감폭제는 자기 유변 유체로 채워진 감폭제이며, 이는 주로 전자석을 이용한 자기장에 의해 제어된다. 이는 상기 전자석 파워를 변화시킴으로써, 충격 흡수제의 감폭 특성이 연속적으로 제어 가능하도록 한다. 유사하게, ERF 감폭제는 전기 유변 유체로 채워진 감폭제이며, 이는 전기장에 의해 제어된다.

도 1 및 도 3에 도시된 실시예에 따르면, MRF 혹은 ERF 감폭제(12)는 나선형 스프링(13) 내부에 배열된다. 도 4에 도시된 다른 실시예에 따르면, MRF 혹은 ERF 감폭제(12)는 나선형 스프링(13) 외부에 배열되며, 이들의 세로축들은 서로 평행한 방향을 향한다. 전술한 두 가지 실시예들 모두에서, 스프링(13)과 감폭제(12)는 상기 조인트들에 연결된 2개의 평행한 플레이트들(15) 사이에 배열된다.

상기 구조물의 경도(stiffness)가 특정한 동작 환경에서 충격 절연에 대해 충분하지 못할 경우, 상기 레이더 시스템의 복합적인 지지를 위해 상기 구조물들을 2개 혹은 그 이상 사용할 수도 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 상기 레이더 시스템의 양측부들에 상기 구조물의 2개를 부착하여 사용할 수 있다.

이제 상기 MRF 혹은 ERF 감폭제들의 감폭 특성을 위한 제어 알고리즘이 도 5를 참조로 하여 자세하게 기술될 것이다. 도 5는 충격 지속 시간 동안 시간의 경과에 따른 가속 하중(acceleration load)을 나타낸다. 도 5에 도시된 것처럼, 이런 충격의 전형적인 시간은 10 내지 20 밀리 초의 범위에 있다. 상기 구조물의 각 감폭 값들도 도시되어 있다. 상기 충격 기간은 5개의 구별되는 기간들 A 내지 E로 세분될 수 있다.

선박의 각 레이더 시스템 상의 가속 하중을 모니터하기 위해, 해군 선박의 선체(혹은 갑판) 상의 가속도계(accelerometer)(7)(도 1)가 배열되며 감폭제 제어기에 연결된다. 5g를 초과하는 하중이 감지되지 않는 이상, 상기 ERF 혹은 MRF 감폭제들은 실질적으로 단단하며(stiff), 즉 감폭 값이 매우 높으며, 선박과 레이더 시스템 사이의 상대 운동이 허용되지 않는다. 상기 매우 높은 감폭 값들은 상기 감폭 요소들이 움직이는 것을 방지하며, 하중들이 1:1로 전달될 수 있다. 상기 레이더 시스템은 적절하게 동작할 수 있다(기간 A).

전형적으로, 전자 구성 요소들은 데이지 없이 15g까지의 하중을 견딜 수 있다. 만약 상기 가속도계가 5g를 넘는 가속도를 감지하는 경우(기간 B), 감폭제 제어기(20)에 의해 전기 신호가 ERF 혹은 MRF 감폭제(12)에 전송된다. 그 결과, 상기 감폭제의 감폭 값 및 전체 구조물의 감폭 값이 감소하여, 상기 가속도가 15g 한계에 도달하기 전에 최소 값을 가지게 된다. 이러한 반응 시간은 가능한 한 짧게 유지되어야 한다. 상기 최소 감폭 값이 도달하기까지의 전형적인 시간은 1 내지 3 밀리 초의 범위에 있으나, ERF 혹은 MRF 감폭제들이 존재함에 따라 0.3 밀리 초보다 작은 반응 시간도 가능하다.

이어지는 기간 C 동안, 상기 충격 하중은 15g를 초과한다. 시스템 감폭은 벌써 매우 부드러운(soft) 특성으로 조정되었고, 감폭 요소(4)는 충격 에너지를 흡수하여 이를 변위 혹은 열로 변환시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 전자 장비의 데미지가 방지될 수 있다.

기간 D: 상기 가속도가 최대 값에 도달한 이후, 상기 구조물은 매우 작은 감폭으로 흔들린다. 상기 시스템의 감폭 특성은 상기 구조물의 스윙 운동의 소멸을 가속화시키기 위해 이제 다시 증가된다. 상기 감폭 값의 변화율(즉 기간 D에서 감폭 값 그래프의 기울기)이 이에 따라 조정될 수 있다.

상기 충격이 지난 후 대략 3-15초에 상기 구조물이 초기 단단한 위치로 돌아오기 전에 상기 감폭은 자동적으로 최대 값으로 증가한다(기간 E).

상기 스프링들의 에너지 소멸은 매우 작은 진폭들에서 상기 구조물의 오래 지속되는 스윙 운동을 피하도록 한다.

Claims (4)

1. 레이더 시스템(1)을 선박에 탑재된 지지면(5)으로 실장하도록 하기 위한 충격 절연 구조물로서,
   상기 레이더 시스템(1)이 부착될 수 있는 플랫폼(14)과,
   상기 플랫폼(14)과 상기 지지면(5) 사이에 인장력 및 압축력 모두에 있어서 동작하는 6개의 지주와 같은 감폭 요소들(six strut-like damping elements)(4)을 포함하고,
   상기 감폭 요소들(4)은 트러스(truss) 구조로 배향되어(oriented), 상기 감폭 요소들(4)의 제1 말단들은 전체 운동(universal movement)을 위해 상기 지지면(5)에 연결되고, 상기 감폭 요소들(4)의 제2 말단들은 전체 운동을 위해 상기 플랫폼(14)에 연결되며,
   상기 각 감폭 요소들(4)은 자기 유변 유체 감폭제(magnetorheological fluid damper) 혹은 전기 유변 유체 감폭제(electrorheological fluid damper)(12)와 평행하게 배열되는 스프링(13)을 포함하며,
   또한 상기 충격 절연 구조물은 가속도계 및 감폭제 제어기(20)를 더 포함하고,
   상기 가속도계는 상기 지지면의 가속도를 측정하고 상기 감폭제 제어기로의 가속도에 대응하는 신호를 출력하도록 배열되며,
   상기 감폭제 제어기는 상기 가속도계로부터의 신호에 반응하여 감폭값을 제어하기 위한 감폭 요소들에 동작적으로 연결되고(operatively connected),
   상기 감폭제 제어기는 상기 충격 절연 구조물의 가속도가 미리 정의된 제1 임계치보다 낮으면 상기 감폭 요소들이 실질적으로 단단한 상태를 유지하고, 상기 가속도가 상기 미리 정의된 제1 임계치를 초과하면 상기 감폭 요소들의 감폭값이 최소값으로 감소되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 충격 절연 구조물.
2. 제 1 항에 따른 충격 절연 구조물 상에 작용하는 충격 운동 시 상기 충격 절연 구조물의 감폭 특성을 제어하기 위한 방법으로서,
   상기 충격 절연 구조물에 작용하는 가속도가 상기 구조물의 미리 정의된 임계치보다 낮은 경우, 상기 구조물의 감폭값은 최대 값에서 유지되고,
   상기 가속도가 상기 임계치를 초과하는 경우, 상기 구조물의 상기 감폭값은 최소 값으로 감소하며,
   상기 가속도가 상기 최대 값에 도달한 이후 상기 구조물이 초기 위치에 도달하기 전에, 상기 구조물의 상기 감폭값은 상기 최대 값으로 다시 증가하는 것을 특징으로 하는 충격 절연 구조물의 감폭 특성 제어 방법.
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