KR101833632B1 - 초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치 및 방법 - Google Patents

초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성을 시험할 수 있는 장치에 있어서, 막냉각 특성 측정부는 막냉각 기체 공급장치로부터 공급된 막냉각 기체를 분사하는 막냉각 노즐, 상기 막냉각 노즐에 의해 상기 막냉각 기체가 분사되면 온도를 계측하는 적외선 창 모사 구조물을 포함하며, 상기 막냉각 노즐은 상기 분사되는 막냉각 기체와 주유동이 평행하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치이다.

Description

초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치 및 방법{IN SUPERSONIC ENVIRONMENT, APPARATUS FOR TESTING FILM COOLING QUALITY OF INFRARED WINDOW OF GUIDED MISSILE DETECTOR AND METHOD THEREOF}
본 발명은 초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치 및 방법에 대한 것으로써, 초음속 주유동과 막냉각 유체의 유량비와 막냉각 유체 분사용 노즐 형상을 다양하게 변경하면서 적외선 열상법을 적용함으로써 탐색기 적외선 창의 막냉각 특성을 2차원으로 파악할 수 있는 특징을 갖는다.
적외선 영상 탐색기를 사용하여 표적을 포착해서 타격하는 유도탄은 일반적으로 초음속으로 비행하며, 고속 비행에 따른 공력가열 현상으로 인해 유도탄의 온도가 상승하게 된다. 적외선 영상 탐색기가 표적의 적외선 영상을 포착할 수 있도록 유도탄에는 적외선 창이 장착되는데, 적외선 창 역시 공력가열 현상으로 인해 온도가 상승한다. 적외선 창의 온도가 상승하면 표적 포착 성능이 떨어지는 것으로 알려져 있으며 이에 따라 국외에서는 적외선 창을 냉각하는 장치가 포함된 유도탄이 개발되었거나 적외선 창을 냉각하는 기술을 개발하기 위한 다수의 개발 프로그램들이 수행된 사례가 있다.
적외선 창을 냉각하거나 공력가열 환경으로 인해 창의 온도가 상승하지 않도록 보호하는 방법 중 하나로 막냉각 기술을 이용할 수 있다. 막냉각은 고온의 주유동과 적외선 창 사이에 저온의 막냉각 유체를 분사시켜 일종의 단열막(에어 커튼과 유사)을 형성함으로써 적외선 창의 온도 상승을 억제하는 기술을 총칭하며 가스 터빈의 블레이드 냉각 등에도 널리 적용되고 있다. 유도탄의 경우에는 내부 공간이 충분하지 않으므로 막냉각 유체를 보관하는 용기의 체적에 제한이 있으며 이에 따라 최적의 막냉각 분사 전략을 선정해 막냉각 유체 용기의 체적을 최소화할 필요가 있다. 이러한 점에서 유도탄이 운용되는 초음속 환경에서 막냉각 특성을 파악하는 것은 매우 중요하며 지상에서 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 평가 방법을 고안하는 것이 필수적이다.
지상에서 유도탄의 비행 환경을 모사하여 막냉각 장치가 포함된 적외선 창의 냉각 또는 보호 특성을 파악하려면 방대한 시험 설비를 필요로 하며 막대한 시험 비용이 수반된다. 본 발명은 초음속 환경에서 막냉각 유체 분사 시 유도탄 탐색기 적외선 창의 냉각 또는 보호 특성을 파악할 수 있도록 고안된 장치에 대한 것으로 기존의 시험 방법에 비해 비교적 간단하고 저렴하면서도 막냉각 특성 평가에 유용한 자료를 제공하는 특징을 갖는다.
상술한 문제점을 해결하고자, 최적의 막냉각 분사 전략을 선정해 막냉각 유체 용기의 체적을 최소화하고, 유도탄이 운용되는 초음속 환경에서의 막냉각 특성을 파악할 수 있도록, 지상에서 가능한 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성을 시험할 수 있는 장치에 있어서, 막냉각 특성 측정부는 막냉각 기체 공급장치로부터 공급된 막냉각 기체를 분사하는 막냉각 노즐, 상기 막냉각 노즐에 의해 상기 막냉각 기체가 분사되면 온도를 계측하는 적외선 창 모사 구조물을 포함하며, 상기 막냉각 노즐은 상기 분사되는 막냉각 기체와 주유동이 평행하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치이다.
본 발명을 통해 비교적 저렴하고 간편하게 막냉각 특성을 파악할 수 있는 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치를 획득할 수 있으며, 적외선 창 냉각장치의 설계를 위한 유용한 기초 자료를 제공할 수 있는 점에서 본 발명에서 구현한 시험 장치의 필요성은 향후 크게 높아질 것으로 예상된다.
본 발명은 방산 분야에 있어서는 적외선 창이 적용된 유도탄의 설계에도 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 막냉각 방식이나 전략에 따라 막냉각 노즐을 변경하면 막냉각이 적용되는 다양한 민수 분야에도 광범위하게 사용될 수 있는 특징이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초음속 환경에서의 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치의 전체 구성 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 막냉각 특성 측정부의 구성 개념도이다.
도 3은 본 발명에서 따른 막냉각 특성 측정부의 적외선 영상 예시이다.
도 4는 본 발명에 따른 막냉각 노즐 및 적외선 창 모사 구조물의 개념도이다.
본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공 되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.
본 발명은 초음속 환경에서 막냉각 유체 분사 시 유도탄 탐색기 적외선 창의 냉각 또는 보호 특성을 파악할 수 있도록 고안된 장치 및 방법에 대한 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 초음속 환경에서의 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치의 전체 구성 개념도이다.
본 발명에 따른 초음속 환경에서의 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 시험장치는 크게 막냉각 기체 공급장치(100)와 막냉각 특성 측정부(200)로 나뉜다.
먼저 상기 막냉각 기체 공급장치(100)는 고압으로 충진된 막냉각 기체 용기(1), 레귤레이터(2), 유량 조절기(3), 전기 히터 및 전력 제어 장치(4), 막냉각 기체 정체실(5), 제어용 컴퓨터(6), 온도 센서(7, 8) 및 압력 센서(9, 10)로 구성되어 적외선 창 막냉각 특성 시험에 필요한 막냉각 기체를 사용자가 원하는 유량, 온도, 압력 특성을 갖는 기체로 설정하여 막냉각 노즐로 공급한다. 특히 본 발명의 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치는 주유동과 막냉각 유동의 정체 온도에 차이가 발생하게 설정하여 공급함으로써 상기 주유동과 상기 막냉각 유동의 혼합 특성을 적외선 카메라로 계측해 막냉각 특성을 산출하는 특징을 가지므로, 상기 막냉각 기체 공급장치(100)에는 공급되는 막냉각 기체를 가열하는 상기 전기 히터(4)가 포함되어 있으며, 상기 전기 히터는 다른 방식의 전력 제어 장치로도 적용 가능하다.
도 2는 본 발명에 따른 막냉각 특성 측정부(200)의 구성 개념도이다.
상기 막냉각 특성 측정부는 상기 막냉각 기체 공급장치(100)로부터 공급된 막냉각 기체가 분사되는 막냉각 노즐(11), 적외선 창 모사 구조물(21), 적외선 투과창(31), 적외선 카메라(32), 계측용 컴퓨터(33) 및 초음속 주유동 노즐 구조물(34) 등으로 구성되며 특히 상기 막냉각 노즐(11)과 상기 적외선 창 모사 구조물(21)은 상기 막냉각 특성 측정부(200)에 분해/조립이 가능한 구조를 갖도록 설계된다. 또한 상기 초음속 주유동 노즐 구조물(34)도 상기 막냉각 특성 측정부(200)에 분해/조립이 가능한 구조를 갖도록 설계되며 상기 초음속 주유동 노즐 구조물(34)의 형상을 변경하면 다양한 주유동 조건에서의 적외선 창 막냉각 특성 측정 시험을 수행할 수 있다. 또한 상기 막냉각 노즐(11)의 두께를 조정함으로써 상기 적외선 창 모사 구조물(21)에 분사되는 상기 막냉각 기체의 두께를 설정할 수 있다.
상기 막냉각 특성 측정부(200)는 초음속 풍동에 연결되어 초음속 유동의 흐름이 내부에 발생하게 된다.
도 4는 본 발명에 따른 막냉각 노즐(11) 및 적외선 창 모사 구조물(21)의 개념도이다.
상기 막냉각 노즐(11)은 상기 막냉각 기체 공급장치(100)로부터 공급된 막냉각 기체를 상기 적외선 창 모사 구조물(21)의 상부 표면에 아음속 또는 초음속으로 분사하는 기능을 가지며 상기 막냉각 특성 측정부(200)와 조립/분해가 가능하도록 설계된다. 본 발명에서는 막냉각 효율이 가장 좋도록 주유동과 평행하게 막냉각 기체가 분사되는 형태로 상기 막냉각 노즐(11)이 설계되어 있다. 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 측정 시험 시 주유동의 조건을 변경하고자 할 경우에는 상기 초음속 주유동 노즐 구조물(34)을 다른 형상으로 설계하여 적용할 수 있으며, 막냉각 유동의 조건을 변경하고자 할 경우에는 상기 막냉각 노즐(11)을 다른 형상으로 설계하여 적용할 수 있다.
상기 적외선 창 모사 구조물(21)은 적외선 창 막냉각 특성을 파악하기 용이하도록 방사율이 높고 전도열전도계수가 낮은 특징을 갖는 PEEK(Poly-ether-ether-ketone)이 사용되며 상기 막냉각 특성 측정부(200)와 조립/분해가 가능하도록 설계된다. 본 발명의 적외선 창 막냉각 특성 시험장치는 적외선 카메라를 이용해 적외선 창 모사 구조물의 벽면 온도를 계측하므로 적외선 방사율이 높고 전도열전도계수가 낮은 소재를 사용해야 한다.
초음속 환경에서의 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 측정 시험 순서를 간단히 설명하면 다음과 같다. 상기 막냉각 기체 공급장치(100)에서 막냉각 기체의 정체 온도를 상기 전기 히터(4)를 제어함으로써 초음속 주유동의 정체 온도보다 높게 설정하여 막냉각 기체를 공급하고 상기 주유동 입구(35)에서 주유동을 함께 공급한다. 이 때 상기 적외선 카메라(32)를 동작시켜 상기 적외선 창 모사 구조물(21)의 온도를 상기 계측용 컴퓨터(33)로 계측함으로써 주유동과 막냉각 유동의 혼합에 따른 막냉각 특성을 계측한다. 한편 막냉각 특성을 대표하는 막냉각 효율은 다음의 식과 같이 산출할 수 있다.
Figure 112016077289868-pat00001
위의 식에서
Figure 112016077289868-pat00002
/
Figure 112016077289868-pat00003
/
Figure 112016077289868-pat00004
은 각각 상기 막냉각 기체 공급장치(100)에서 공급하는 막냉각 기체의 정체 온도, 초음속 주유동의 정체 온도, 상기 적외선 창 모사 구조물(21) 벽면의 온도를 나타낸다. 막냉각 효율이 1.0이라 함은 상기 적외선 창 모사 구조물(21)의 벽면 온도(
Figure 112016077289868-pat00005
)가 상기 막냉각 기체 공급장치(100)에서 공급하는 막냉각 기체의 정체 온도(
Figure 112016077289868-pat00006
)와 동일하므로 막냉각 기체가 주유동으로부터 상기 적외선 창 모사 구조물(21)을 완전히 보호하고 있음을 의미한다. 막냉각 효율이 0.0이라 함은 상기 적외선 창 모사 구조물(21)의 벽면 온도(
Figure 112016077289868-pat00007
)가 주유동의 정체 온도(
Figure 112016077289868-pat00008
)와 동일하므로 막냉각 기체가 주유동과 완전히 병합되어 상기 적외선 창 모사 구조물(21)을 전혀 보호하지 못하고 있음을 의미한다.
도 3은 본 발명에서 따른 막냉각 특성 측정부(200)의 적외선 영상 예시이다.
도 3에서 흰색으로 표시된 영역은 상기 막냉각 기체 공급장치(100)에서 공급되는 기체의 정체 온도와 가깝게 유지되는 것을 의미하며 검정색은 막냉각 기체와 주유동과의 혼합에 의해 저온의 정체 온도를 갖는 주유동의 온도에 가깝게 유지되는 것을 의미한다. 도 3에서 [A] 영역은 상기 막냉각 노즐(11)에서 분사되는 막냉각 기체가 주유동으로부터 상기 적외선 창 모사 구조물(21)이 영향을 받는 것을 억제하고 있음을 나타낸다. 도 3에서 [B] 영역은 막냉각 기체가 분사되지 않고 주유동에 의해서만 상기 적외선 창 모사 구조물(21)이 영향을 받고 있음을 나타낸다. 도 3에서 [C] 영역은 주유동과 막냉각 유동이 전진하면서 서로 혼합됨에 따라 막냉각 기체가 주유동으로부터 상기 적외선 창 모사 구조물(21)을 완전히 보호하지 못하고 주유동의 영향이 점차 더 커지고 있음을 나타낸다. 본 발명은 도 3과 같은 자료를 획득함으로써 주유동, 막냉각 유동 특성 및 막냉각 노즐의 특성에 따른 탐색기 적외선 창 막냉각 특성을 파악할 수 있고 적외선 창 막냉각 장치를 설계하기 위한 중요한 자료를 제공할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 막냉각 노즐(11)과 적외선 창 모사 구조물(21)의 상세 형상을 나타낸다. 도 4의 막냉각 노즐의 경우는 사각 단면의 초음속 수축-확대 노즐을 2 개 병렬로 연결한 형태를 적용한 것이며 사용자가 설계한 어떠한 형태의 막냉각 노즐도 사용이 가능하다.
다음은 초음속 환경에서의 탐색기 적외선 창 막냉각 특성 측정 시험 순서이다. 사용자가 상기 제어용 컴퓨터(6)에 설치된 프로그램을 이용해 막냉각 기체의 공급 압력과 온도를 설정하는 단계, 상기 막냉각 기체 정체실(5)에서의 압력과 온도를 상기 온도 센서(8)와 상기 압력 센서(10)로 측정해 사용자가 설정한 값이 되도록 상기 레귤레이터(2), 상기 유량 조절기(3), 상기 전기 히터 및 전력 제어 장치(4)가 동작하여 제어된 상기 막냉각 기체가 각 구성품 간 연결된 배관을 통해 상기 막냉각 기체 정체실(5)로 공급되는 단계, 상기 막냉각 기체 정체실(5)과 배관으로 연결된 상기 막냉각 특성 측정부(200)의 상기 막냉각 노즐(11)을 통해 가열된 상기 막냉각 기체가 상기 적외선 창 모사 구조물(21) 표면으로 분사되는 단계, 상기 막냉각 특성 측정부(200)에 조립된 상기 적외선 투과창(31)을 통해 상기 적외선 카메라(32)로 상기 적외선 창 모사 구조물(21)의 온도를 계측용 컴퓨터(33)를 이용해 계측하는 단계로 진행되며, 상기 막냉각 기체에 의해 상기 적외선 창 모사 구조물(21)이 가열되는 현상만이 계측된다. 여기서 상기 적외선 카메라(32)는 상기 적외선 창 모사 구조물(21)의 상측에 마주보도록 위치하며, 상기 적외선 카메라와 상기 적외선 창 모사 구조물 사이에 상기 적외선 투과창(31)이 위치한다.
상기 막냉각 기체가 분사되는 단계에서 상기 막냉각 특성 측정부(200)의 상기 주유동 입구(35)에서 주유동을 공급하면 상기 적외선 창 모사 구조물(21)의 적외선 영상은 초음속 주유동과 막냉각 기체가 혼합되는 특성을 계측하게 된다.
상기 계측용 컴퓨터(33)로 계측하는 단계에서 상기 계측의 기준은 막냉각 효율이며 상기 막냉각 효율은 상기 막냉각 기체와 상기 주유동의 혼합 정도로 산출된다.
상기 주유동이 공급되는 단계에서 상기 막냉각 기체는 상기 적외선 창 모사 구조물(21) 표면에서 주유동 방향과 동일한 방향으로 분사된다.
이상에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
100 : 막냉각 기체 공급장치
200 : 막냉각 특성 측정부
1 : 고압으로 충진된 막냉각 기체 용기
2 : 레귤레이터
3 : 유량 조절기
4 : 전기 히터 및 전력 제어 장치
5 : 막냉각 기체 정체실
6 : 제어용 컴퓨터
7, 8 : 온도 센서
9, 10 : 압력 센서
11 : 막냉각 노즐
12 : 막냉각 노즐 덮개
21 : 적외선 창 모사 구조물
31 : 적외선 투과창
32 : 적외선 카메라
33 : 계측용 컴퓨터
34 : 초음속 주유동 노즐 구조물
35 : 주유동 입구
36 : 주유동 출구

Claims (9)

  1. 초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성을 시험할 수 있는 장치에 있어서,
    막냉각 특성 측정부는
    막냉각 기체 공급장치로부터 공급된 막냉각 기체를 분사하는 막냉각 노즐;
    상기 막냉각 노즐에 의해 상기 막냉각 기체가 분사되면 온도를 계측하는 적외선 창 모사 구조물; 을 포함하며,
    상기 막냉각 노즐은 상기 분사되는 막냉각 기체와 주유동이 평행하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    적외선 카메라는 상기 적외선 창 모사 구조물의 상측에 마주보도록 위치하며 상기 적외선 카메라와 상기 적외선 창 모사 구조물 사이에 적외선 투과창이 위치하는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적외선 창 모사 구조물에 분사되는 막냉각 기체의 두께는 상기 막냉각 노즐의 두께로 설정하는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 막냉각 노즐은
    상기 막냉각 기체 공급장치로부터 공급된 막냉각 기체를 아음속 또는 초음속으로 분사하는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 막냉각 기체 공급장치는
    상기 주유동의 정체 온도와 상기 막냉각 기체 유동의 정체 온도를 서로 상이하게 설정하는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 막냉각 특성 측정부는 초음속 풍동에 연결되어 초음속 유동이 내부에 발생되는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 장치.
  7. 초음속 환경에서의 유도탄 탐색기 적외선 창 막냉각 특성을 시험하는 방법에 있어서,
    막냉각 기체의 정체온도를 제어하는 단계;
    상기 막냉각 기체가 적외선 창 모사 구조물에 분사를 시작하면 주유동이 분사되는 단계;
    상기 적외선 창 모사 구조물의 온도를 계측하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도를 계측하는 단계에서
    상기 계측의 기준은 막냉각 효율이며
    상기 막냉각 효율은 상기 막냉각 기체와 상기 주유동의 혼합 정도로 산출되는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 막냉각 기체와 주유동이 분사되는 단계에 있어서
    상기 막냉각 기체는 상기 적외선 창 모사 구조물 표면에서 상기 주유동 방향과 동일한 방향으로 분사되는 것을 특징으로 하는 적외선 창 막냉각 특성 시험 방법.
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