KR102021868B1 - 공동 부력효과가 억제된 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법 - Google Patents

Abstract

공동 부력효과가 억제된 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템은, 수중운동체의 전두부에 배치되어 초공동을 생성하는 공동 발생부와, 압축공기탱크에 저장된 압축공기를 수중운동체에 전달하는 공압호스와, 수중운동체의 후미부에 위치하며, 공압호스를 통해 전달된 압축공기가 연직하방으로 분사되는 하나 이상의 홀을 포함하는 분사모듈과, 초공동 생성시 공동 후미부의 상승 및 수중운동체의 자세변화를 감지하여 공동 후미부의 부력효과에 의한 상승을 억제하고, 수중운동체의 후미부를 지탱하기 위한 연직상방의 양력이 발생하도록 수중운동체의 분사모듈을 통해 압축공기를 연직하방으로 분사하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

공동 부력효과가 억제된 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법{CAVITATOR SYSTEM FOR SUPPRESSING CAVITY BYOYANCY EFFECT AND METHOD THEREOF}

본 발명은 공동 부력효과가 억제된 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법에 관한 것이다.

수중운동체의 경우, 주행 항력 중 대부분은 물과의 접촉에 의한 마찰항력에 의해 발생되는데, 공기와 물의 밀도 차이로 인하여 공기 대비 약 800배의 큰 마찰저항을 받게 된다. 또한, 수중에서 수중운동체의 속도를 2배 증가시키기 위해선 속도의 세제곱에 해당하는 8배의 추진에너지가 요구되기 때문에 수중운동체의 속도를 증가시키는 데에는 상당한 어려움이 따를 수밖에 없다.

초공동(Supercavitation) 기술은 수중운동체의 수중에서의 속도 한계를 극복하기 위해 개발된 기술로, 수중운동체를 공동(Cavity)으로 완전히 덮어 해수와의 접촉을 차단시킴으로써 마찰항력을 획기적으로 감소시키는 기술이다.

이러한 초공동 기술을 구현을 위해서는 무엇보다 수중운동체를 완전히 덮을 수 있는 초공동을 생성시키는 것이 중요하다. 일반적으로 캐비테이터(Cavitator)라고 하는 공동 발생 장치를 수중운동체 앞단(Nose)에 부착하여 공동을 생성시키게 된다. 캐비테이터(Cavitator)로부터 생성된 공동은 수중운동체의 주행 속도가 증가할수록 점점 커지다가 일정 속도 이상이 되면 수중운동체를 완전히 덮게 된다.

한편, 수중운동체의 초기 저속 구간에서는 공동과 물의 밀도 차이로 인한 공동의 부력효과(Buoyancy Effect)로 인해 공동 후미부가 중력의 반대방향으로 상승하면서 휘어지게 된다. 이 경우 공동 후미부가 운동체 몸체를 대칭적으로 덮지 못하여 몸체에 비대칭적인 힘을 발생시킬 수 있으며, 그 결과 수중운동체의 자세제어를 어렵게 한다.

또한, 수중운동체가 초공동 상태가 되면 일반적인 수중운동체와는 달리 캐비테이터를 제외한 나머지 부분은 공동으로 덮이게 되어 물과의 접촉에 의한 부력을 상실하게 된다. 이 때, 수중운동체의 앞단에서는 캐비테이터의 받음각을 조절하여 양력(Lift)을 발생시킬 수 있지만 수중운동체의 후미부에서는 양력을 발생시킬 수가 없어서, 조타기(Control fin)나 추력방향제어(Thrust Vector Control)와 같은 방법을 통해 양력을 발생시킴으로써, 자세제어를 수행한다. 그러나 조타기나 추력방향제어를 사용할 경우 운동체 내부에 복잡한 엑츄에이터 장치가 포함되어 시스템이 복잡해지고, 고도의 정밀제어 시스템이 요구되는 문제가 있다.

이에, 본 발명의 일 목적은, 추가 장치 없이 공동의 부력효과를 억제하여 초공동 수중운동체의 안정적인 주행이 가능하도록 구현한 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 조타기나 추력방향제어 없이도 초공동 생성시 공동 후미부에 양력을 발생시킴으로써 수중운동체의 안정적인 자세 제어가 가능하도록 구현한 공동 부력효과를 억제한 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법을 제공하는데 있다.

이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 공동 부력효과가 억제된 캐비테이터 시스템은, 수중운동체의 전두부에 배치되어 초공동을 생성하는 공동 발생부; 압축공기탱크에 저장된 압축공기를 상기 수중운동체에 전달하는 공압호스; 상기 수중운동체의 후미부에 위치하며, 상기 공압호스를 통해 전달된 압축공기가 연직하방으로 분사되는 하나 이상의 홀을 포함하는 분사모듈; 및 초공동 생성시 공동 후미부의 상승을 감지하여 공동 부력효과에 의한 상승을 억제하고, 상기 수중운동체의 후미부를 지탱하기 위하여 연직상방의 양력이 발생하도록 상기 분사모듈을 통해 상기 압축공기가 분사하는 제어부를 포함하여 이루어진다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 압축공기의 분사에 따른 상기 수중운동체의 상태를 모니터링하고, 초공동 수중운동체의 자세 조절을 위해 압축공기의 추가 분사 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 분사모듈은, 상기 공동 발생부로부터 정해진 이격거리에 배치된 제1분사모듈과 상기 제1분사모듈로부터 소정의 이격거리를 두고 배치된 제2분사모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제어부는, 분사될 압축공기의 양에 따라 상기 제1분사모듈과 상기 제2분사모듈의 분사 및 분사속도를 각각 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제어부는, 상기 수중운동체의 후미부의 하강 정도에 따라 상기 후미부에 생성해야할 양력의 수치를 산출하고, 산출된 양력의 수치를 기초로 상기 분사모듈에서의 분사위치와 분사속도를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 분사모듈은, 홀 분사구와 하나 이상의 슬릿형 분사구로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 복수의 홀 분사구는 하나의 홀 분사구를 중심으로 나머지 홀 분사구가 방사형으로 배치되며, 상기 홀 분사구 주변에 하나 이상의 슬릿형 분사구가 배치된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 다른 양상에 따른 캐비테이터 시스템의 동작방법은, 수중운동체에 초공동 생성시, 공동 후미부의 상승을 감지하는 단계; 상기 공동 후미부의 상승을 억제하고, 상기 수중운동체 후미부를 지탱하기 위하여 연직 상방의 양력을 발생시키기 위한 압축공기의 분사량을 산출하는 단계; 산출된 분사량에 기초하여, 상기 수중운동체의 후미부에 배치된 하나 이상의 홀을 통하여 연직하방으로 압축공기를 분사하는 단계; 및 상기 분사 결과에 따른 공동 후미부와 수중운동체 후미부의 상태를 모니터링하는 단계를 포함하여 이루어진다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 모니터링에 따라, 초공동 수중운동체의 자세 조절을 위한 압축공기의 추가 분사 여부를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이상에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 공동 부력효과를 억제한 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법에 의하면, 공동의 부력효과에 의한 상승을 억제하고 공동의 두께와 길이를 향상시켜 수중운동체에 작용하는 불균형 힘을 감소 또는 제거함으로써, 초공동 수중운동체의 안정적인 자세제어가 가능해진다. 그에 따라, 초공동 수중운동체의 안정적인 주행이 이루어지게 된다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 공동 부력효과를 억제한 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법에 의하면, 수중운동체의 후미부에서 연직하방으로 공기를 분사함에 따라 작용/반작용의 원리에 의해 발생되는 연직상방의 양력을 이용하여, 초공동 상태에서 조타기나 추력방향제어 없이 수중운동체의 후미부 자세제어가 가능해지게 된다.

도 1은 초공동 생성에 따라 공동 부력 효과가 발생하는 것을 설명하기 위한 예시 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 공동 부력효과가 억제된 캐비테이터 시스템의 세부 구성을 설명하기 위한 예시 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템의 동작에 따라 연직하방으로 압축공기를 분사하여 공동 부력효과를 억제시킨 모습을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템의 예시 설계도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템에서 압축공기를 분사하는 분사모듈의 자세하게 보여주는 도면들이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 예시 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템에서, 홀 분사구와 슬릿분사구의 적용에 따른 공동 형상의 변화를 실험하여 고속 카메라로 촬영한 영상들이다.
도 9는 도 8의 실험의 결과에 따른 공동 크기의 변화를 보여주는 테이블 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 공동 부력효과를 억제한 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법을 첨부된 도면들을 참조하여 구체적으로 설명하겠다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 설명되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 즉, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 초공동 생성에 따라 수중운동체(10)의 후미부에 공동 부력 효과가 발생하는 것을 설명하기 위한 예시 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 수중운동체(10)의 전미부에 배치된 공동 발생부(110)의 동작에 따라 공동이 발생되면, 처음에는 공동 후미부(r)가 부력 효과에 의해 위로 상승하게 된다. 이러한 경우, 초공동 수중운동체(10)의 자세 제어가 어려워질 뿐만 아니라, 공동을 벗어나는 수중운동체(10)의 일부분이 물에 노출(접수)되면서 비대칭 힘이 발생하게 된다.

이에, 본 발명에서는 공동 후미부(r)에 발생하는 부력 효과를 억제하는 방법을 제시한다. 보다 구체적으로, 수중운동체(10) 몸체의 후미부에 공기분사구를 배치하고, 그 공기분사구를 통해 공기를 연직하방으로 분사함으로써, 조타기나 추력방향제어 없이 공동의 상승을 억제함으로써 몸체의 접수부분을 감소 또는 제거하는 방법을 제시한다.

이하, 도 2에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 공동 부력효과가 억제된 캐비테이터 시스템(100)을 구성하는 블록도를 참조하여, 세부 구성을 설명하겠다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 캐비테이터 시스템(100)은 공동 발생부(110)와 분사모듈(130)을 구비한 수중운동체가 공압호스(180), 압축공기탱크(190), 및 제어부(150)와 연결된 구조를 갖는다.

공동 발생부(110)는 수중운동체의 전두부에 장착되며, 수중운동체가 초공동 상태가 되게끔한다. 여기에서, 상기 공동 발생부(110)는 캐비테이터일 수 있다.

분사모듈(130)은 수중운동체의 후미부에 위치하며, 공압호스(180)를 통해 전달된 압축공기가 연직하방으로 분사되는 하나 이상의 홀을 포함한다. 분사모듈(130)에서 압축공기의 분사 여부, 분사위치, 분사량, 분사속도는 제어부(150)에 의하여 제어된다. 또한, 분사모듈(130)은 복수 개 구비될 수 있고, 이러한 경우 정밀한 자세 제어를 위해 소정의 이격거리를 두고 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 4를 참조하면, 공동 발생부(110)가 장착된 위치를 기준으로 약 500mm 이격거리를 두고 제1분사모듈이 설치되고 그로부터 다시 100mm 이격거리를 두고 제2분사모듈이 설치될 수 있다. 즉, 공동 형상 제어를 위한 후방 분사위치가 캐비테이터로부터 500mm, 600mm 떨어진 위치에 설치될 수 있다.

공압호스(180)는 압축공기탱크(190)에 저장된 압축공기를 수중운동체에 전달해준다. 구체적으로 공압호스(180)의 일단은 수중운동체의 후미부에 연결되고 타단은 압축공기탱크(190)에 연결되어, 제어 동작에 따라 분사모듈(130)로 공기가 분사될 수 있도록 통로 역할을 한다.

압축공기탱크(190)에 저장된 압축공기는 공압호스(180)를 통해 수중운동체의 분사모듈(130)에 전달된다. 이때, 압축공기탱크(190)로부터 나오는 압축공기가 일정 공압을 유지할 수 있도록 레귤레이터(미도시)와 유량조절장치(미도시)를 거쳐 공압호스(180)에 전달될 수 있다.

제어부(150)는 초공동 생성시 공동 후미부의 상승을 감지할 수 있다. 또한, 제어부(150)는 분사모듈(130)을 통한 압축공기의 분사와 관련된 전반적인 동작을 제어한다. 구체적으로, 상기 제어부(150)는 공동 후미부의 상승을 억제하도록, 압축공기탱크(190)에 저장된 압축공기가 분사모듈(130)을 통해 분사될 수 있도록 압축공기의 분사 및 분사량을 제어한다.

상기 제어부(150)는 공동 발생부(110)와 분사모듈(130)을 구비한 수중 운동체 내부에 탑재된 제어 시스템 (컴퓨터)로 구현될 수 있다. 또한, 상기 제어부(150)는 이하에서 제어장치로 명명될 수 있다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 제어부(150)는, 수중운동체 후미부를 지탱하기 위하여 수중운동체 후미부에 생성해야 할 양력의 수치를 산출할 수 있다. 이를 위해, 상기 제어부(150)는 수중운동체 후미부의 자세변화를 감지할 수 있다. 또한, 상기 제어부(150)는 산출된 양력의 수치를 기초로 분사모듈(130)에서의 압축공기의 분사위치와 분사속도를 결정 및 제어할 수 있다.

이하에서는, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템의 동작에 따라 연직하방으로 압축공기를 분사하여 공동 후미부를 직접 하방으로 이동시키는 방법을 구체적으로 설명하겠다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템의 동작에 따라 연직하방으로 압축공기를 분사하여 공동 후미부를 직접 하방으로 이동시킨 모습을 나타낸다. 한편, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템의 예시 설계도이다.

먼저, 도 4는 캐비테이터 시스템의 예시 설계도로서, 예를 들어 고속 캐비테이션 터널에서의 공동 발생을 실험하기 위한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 전두부에 공동 발생부(110), 예를 들어 캐비테이터가 장착되고, 후미부에 복수의 분사모듈(130)이 구비된 수중운동체(10)가 공압호스(180)를 통해 압축공기탱크(190)와 연결될 수 있다.

제어장치(150)에서는 수중운동체의 초공동 발생시, 모니터링을 통해 공동 후미부가 상승되는 것을 감지할 수 있다. 또는, 초공동 수중운동체 내에서 접수부부분이 검출되거나 또는 자세 변화를 감지하여, 수중운동체 후미부에 양력을 발생시킬 수 있도록 제어장치(150)에 제어신호를 전달할 수도 있다. 이를 위해, 본 발명에 따른 캐비테이터 시스템(100)은 공동 후미부의 상승을 감지하기 위한 센서(미도시) 및/또는 수중운동체의 자세 변화를 감지하기 위한 센서, 예를 들어 지자기 센서, 가속도 센서 등이 구비될 수 있다.

또한, 제어장치(150)는 분사모듈(130)에 분사될 압축공기의 양과 속도가 직접 입력받거나 또는 자동으로 산출할 수 있다.

이후, 제어장치(150)의 제어 하에, 에어 컴프레샤(192)를 통해 압축된 공기가 저장된 압축공기탱크(190)로부터 압축공기가 사출된다. 압축공기탱크(190)로부터 사출된 압축공기는 일정 공압을 유지할 수 있도록 레귤레이터(170)와 유량조절장치(191)를 거쳐 공압호스(180)에 전달된다. 여기에서, 상기 유량조절장치(191)는 하단에 설치된 유량계에서 계측되는 토출유량과 입력유량과의 차이를 계산하여 입력 유량과 일치하도록 유량조절장치 내부의 유량조절 밸브를 피드백 제어할 수 있다.

이와 같이 압축공기탱크(190)로부터 사출된 압축공기는 공압호스(180)를 통해 수중운동체에 전달되어서, 후방부의 분사모듈(130)을 통해 분사된다.

도 3을 참조하면, 수중운동체가 공동으로 완전히 덮이는 초공동 상태가 됨에따라, 공동의 전두부에 양력(F1)이 발생한다. 그러면, 도 1에서 설명한 바와 같이 공동 발생부(110), 즉 캐비테이터를 제외한 수중운동체의 나머지 몸체 부분은 부력을 상실하여 몸체를 떠받치는 힘을 잃게 되는데, 이로 인해 자세 유지가 어려워지게 된다. 이에, 도 4에서 설명한 설계에 따라 제어장치(150)에 의한 압축공기의 분사 동작에 따라 수중운동체의 후미부에 위치한 분사모듈(130)을 통해 연직하방으로 공기가 분사된다. 이때, 분사모듈(130)에 분사되는 압축공기의 양과 속도는 제어장치(150)에 의하여 미리 산출 및 조절된다.

이와 같이, 분사모듈(130)을 통해 연직하방으로 압축공기가 분사되면, 공동 후미부를 직접 하방으로 이동시킬 수 있다. 한편, 분사모듈(130)을 통해 연직하방으로 압축공기가 분사되는 힘에 대해 작용/반작용의 원리에 의해 공동 후미부에 연직상방의 양력(F2)이 발생하고, 이러한 양력을 통해 수중운동체(10)의 후미부를 지탱함으로써 자세 유지가 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명의 구현을 위해서는 수중운동체(10)의 후미부를 지탱하는 데 필요한 힘, 즉 양력(F2)(양력)이 제어장치(150)를 통해 미리 계산되어야한다. 또한, 제어장치(150)는 계산된 양력을 기초로, 분사모듈(130)의 위치, 분사모듈 내에서 압축공기를 분사할 분사 홀의 위치 및 개수, 분사할 압축공기의 양과 분사속도를 결정하며, 분사모듈(130)에서의 분사 동작을 제어할 수 있다.

이러한 과정을 통해 수중운동체(10)의 분사모듈(130)을 통해 압축공기가 연직하방으로 분사되면, 도 3에 도시된 바와 같이 상승되었던 공동 후미부의 부력이 제거되어, 수중운동체의 접수부분(즉, 물에 노출되었던 부분)이 제거되고, 초공동 수중운동체의 안정적인 자세 제어 및 주행이 이루어진다.

한편, 압축공기 분사 이후에도, 상기 제어장치(150)는 압축공기의 분사에 따른 수중운동체의 상태를 계속 모니터링할 수 있다. 모니터링 결과 초공동 수중운동체의 자세 조절이 필요한 경우, 구체적으로 수중운동체 후미부에 다시 양력을 발생시킬 필요가 있는 경우, 압축공기의 추가 분사 여부를 결정할 수 있다.

또한, 일 실시 예에서, 상기 분사모듈(130)은 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개 구비될 수 있으며, 각 분사모듈(130)은 홀 타입으로 구성되거나, 슬릿 형태로 구성되거나, 또는 홀과 슬릿을 포함하여 구성될 수 있다.

도 4에서는, 공동 발생부(110)가 장착된 위치를 기준으로 약 500m 이격거리를 두고 제1분사모듈이 설치되고 그로부터 다시 100mm 이격거리를 두고 제2분사모듈이 설치되었다. 즉, 공동 형상 제어를 위한 후방 분사위치가 캐비테이터로부터 500mm, 600mm 떨어진 위치에 설치되었다. 또한, 도 4에서 공동 발생부(110), 즉 캐비테이터는 30mm 직경의 디스크 형태 캐비테이터를 사용했으며, 터널 시험부의 유속은 10m/s로 제한하였다. 또한, 압축공기의 분사량은 20-150LPM 범위에서 조절하였다.

도 4에 도시된 제1분사모듈과 제2분사모듈의 분사 및 분사속도는 제어장치(150)를 통해 각각 제어된다. 예를 들어, 제1분사모듈에서만 공기가 분사되거나, 제2분사모듈에만 공기가 분사될 수 있다. 또는, 제1분사모듈과 제2분사모듈에 분사되는 압축공기의 양과 속도가 서로 다를 수 있다.

이하, 도 5 및 도 6은 압축공기를 분사하는 분사모듈의 보다 자세하게 보여준다. 구체적으로, 도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템에서 압축공기를 분사하는 분사모듈의 자세하게 보여주는 도면들이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 수중운동체(10)의 후미부의 하면에 형성되는 분사모듈(130)의 형상은 홀 분사구(hole, 132)과 슬릿 분사구(slit, 133)으로 구분될 수 있다. 즉, 분사모듈(130)은 복수의 홀 분사구(132)와 하나 이상의 슬릿 분사구(133)로 구성될 수 있다.

홀 분사구(132)의 경우 수중운동체(10)의 연직하방의 중심에 위치한 1개의 홀을 기준으로 180도 간격을 두고 2개씩 홀이 추가되어 총 5개의 홀을 갖는 모듈일 수 있다. 이 때, 각 홀의 직경은 약 2mm 일 수 있다.

슬릿 분사구(133)의 경우 수중운동체(10)의 연직하방을 중심으로 좌우로 각각 60도씩 사각 슬릿을 내어 총 120도의 각도에 걸쳐서 슬릿을 주어 구현될 수 있다. 이때, 슬릿의 폭은 약 1mm 일 수 있다.

이와 같이 5개의 홀을 구비한 홀 분사구(132)는 하나의 동심원 홀을 기준으로 방사형 형상, 즉 4개의 홀이 중심 홀의 외주면을 감싸는 형태로 배치될 수 있다. 그리고, 슬릿 분사구(133)는 홀 분사구(132)의 주변, 예들 들어 상측, 하측(도 5 및 도 6), 좌우측, 또는 이들 중 적어도 하나 이상에 분사구(133)가 배치될 수 있다. 이와 같은 구조를 갖는 분사모듈이 도 5에 도시된 바와 같이 소정 이격거리를 두고 복수 개(예, 2개) 배치될 수 있다.

또한, 일 실시 예에서 분사모듈(130)의 홀 분사구(132)와 슬릿 분사구(133)는 하방으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 또는, 분사모듈(130)에 별도의 케이싱을 추가 제작하여 홀 분사구(132)와 슬릿 분사구(133)가 케이싱과 일체로 그리고 케이싱 하면에 관통형으로 형성될 수도 있다.

분사모듈(130)이 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 홀 분사구(132)와 슬릿 분사구(133)로 이루어지는 경우에도, 제어장치는 홀 분사구(132)를 통해서만 압축공기를 분사하거나 슬릿 분사구(133)를 통해서만 압축공기를 분사하도록 각각 제어할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 예시 흐름도이다. 이와 관련하여, 캐비테이터 시스템의 동작 방법과 전술된 캐비테이터 시스템에서 설명된 내용이 결합되어 이용될 수 있다.

먼저, 수중운동체의 초공동 생성시 공동 후미부의 상승을 감지하는 단계가 개시된다(S10). 이를 위해, 수중운동체에는 초공동 생성시 공동의 전두부 및 후미부의 기울임 정도를 센싱하거나 또는 수중운동체의 접수부분을 센싱하는 센서(미도시)가 구비될 수 있다.

그러면, 제어장치에 의하여, 공동 후미부 상승을 억제하고 수중운동체 후미부에 연직 상방의 양력을 발생시키기 위한 압축공기의 분사량을 산출한다(S20). 산출된 분사량에 기초하여, 상기 수중운동체의 후미부에 배치된 하나 이상의 홀을 통하여 연직하방으로 압축공기를 분사한다(S30). 그리고, 분사 결과에 따른 공동 후미부의 상태를 모니터링한다(S40).

또한, 일 실시 예에서, 상기 제어장치는 상기 모니터링에 따라, 초공동 수중운동체의 자세 조절을 위한 압축공기의 추가 분사 여부를 결정할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 캐비테이터 시스템에서, 분사홀 또는 분사 슬릿의 적용에 따른 공동 형상의 변화를 고속 카메라를 이용하여 촬영한 영상들이다. 그리고, 도 9는 도 8의 실험 결과에 따른 공동 크기의 변화를 보여주는 테이블 도면이다. 구체적으로, 도 9에서는 홀 분사구를 통해 압축공기를 분사한 경우와 슬릿 분사구를 통해 압축공기를 분사한 경우의 효과를 비교하여 보여준다.

5개 홀을 갖는 홀 분사구에 의하는 경우, 공동의 두께가 약 5% 상승하고, 슬릿 분사구의 경우는 약 10% 증가하였다. 또한, 공동 길이는 5개 홀을 갖는 홀 분사구의 경우 17% 증가하였고, 슬릿 분사구의 경우 22% 증가한 것으로 확인되었다. 즉, 홀 분사구와 슬릿 분사구를 각각 동작한 시험 결과, 슬릿 형태의 분사방식이 보다 효과적인 것으로 나타났다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 공동 부력효과를 억제한 캐비테이터 시스템 및 그것의 제어방법에 의하면, 공동의 부력효과에 의한 상승을 억제하고 공동의 두께와 길이를 향상시켜 수중운동체에 작용하는 불균형 힘을 감소 또는 제거함으로써, 초공동 수중운동체의 안정적인 자세제어가 가능해진다. 그에 따라, 초공동 수중운동체의 안정적인 주행이 이루어지게 된다. 또한, 수중운동체의 후미부에서 연직하방으로 공기를 분사함에 따라 작용/반작용의 원리에 의해 발생되는 연직상방의 양력을 이용하여, 초공동 상태에서 조타기나 추력방향제어와 같은 추가장치 없이 수중운동체의 후미부 자세제어가 가능해지게 된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다. 또한, 여기에서 기술된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장매체(예, 단말내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드디스크, 등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예, 단말 내부 마이크로 프로세서)에 의해 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 포함되는 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.

Claims (9)

1. 수중운동체의 전두부에 배치되어 초공동을 생성하는 공동 발생부;
   압축공기탱크에 저장된 압축공기를 상기 수중운동체에 전달하는 공압호스;
   상기 수중운동체의 후미부에 위치하며, 상기 공압호스를 통해 전달된 압축공기가 연직하방으로 분사되는 하나 이상의 홀을 포함하는 분사모듈; 및
   초공동 생성시 공동 후미부의 상승 및 수중운동체의 자세변화를 감지하여 상기 공동 후미부의 부력효과에 의한 상승을 억제하고, 상기 수중운동체의 후미부를 지탱하기 위한 연직상방의 양력이 발생하도록 수중운동체 후미부에 상기 분사모듈을 통해 압축공기를 연직하방으로 분사시키는 제어부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고,
   상기 제어부는,
   상기 공동 후미부의 상승에 따라 상기 수중운동체의 접수부분의 크기, 위치, 면적을 감지하고,
   상기 감지된 접수부분의 크기, 위치, 면적과, 상기 수중운동체 후미부를 지탱하기 위해 산출된 양력의 수치를 기초로 상기 분사모듈에서의 분사위치와 분사속도를 결정하는 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 압축공기의 분사에 따른 상기 수중운동체 후미부의 상태를 모니터링하고, 초공동 수중운동체의 자세 조절을 위해 압축공기의 추가 분사 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 분사모듈은,
   상기 공동 발생부로부터 정해진 이격거리에 배치된 제1분사모듈과 상기 제1분사모듈로부터 소정의 이격거리를 두고 배치된 제2분사모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는,
   분사될 압축공기의 양에 따라 상기 제1분사모듈과 상기 제2분사모듈의 분사 및 분사속도를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 분사모듈은,
   복수의 홀 분사구와 하나 이상의 슬릿형 분사구로 구성되는 것을 특징으로 하는 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 분사모듈에서
   상기 복수의 홀 분사구는 하나의 홀 분사구를 중심으로 나머지 홀 분사구가 방사형으로 배치되며, 상기 홀 분사구의 주변에 하나 이상의 슬릿형 분사구가 배치된 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공동 부력효과를 억제하는 캐비테이터 시스템.
8. 수중운동체에 초공동 생성시, 공동 후미부의 상승을 감지하고,상기 수중운동체 후미부를 지탱하기 위한 양력의 수치를 산출하는 단계;
   상기 공동 후미부의 상승 정도와 상기 산출된 양력에 따라 상기 공동 후미부에 연직 하방의 압축공기의 분사량을 산출하는 단계;
   산출된 분사량에 기초하여, 상기 수중운동체의 후미부에 배치된 하나 이상의 홀을 통하여 연직하방으로 압축공기를 분사하여 공동 부력효과를 억제시키는 단계; 및
   상기 분사의 결과에 따른 공동 후미부의 상태를 모니터링하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하고,
   상기 압축공기의 분사량을 산출하는 단계에서,
   상기 공동 후미부의 상승에 따라 상기 수중운동체의 접수부분의 크기, 위치, 면적을 감지하고,
   상기 감지된 접수부분의 크기, 위치, 면적에 따라 상기 산출된 양력의 수치를 기초로 분사모듈에서의 분사위치와 분사속도를 결정하는 캐비테이터 시스템의 동작방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 모니터링에 따라, 초공동 수중운동체의 자세 조절을 위한 압축공기의 추가 분사 여부를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캐비테이터 시스템의 동작방법.

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