KR102140916B1 - 드론을 이용한 연소실험 장치 - Google Patents

드론을 이용한 연소실험 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 드론을 이용한 연소실험 장치에 관한 것으로, 드론을 이용하여 마이크로중력의 환경을 조성하고 모사실험케이스 내부에 연소실험부를 구비하여 연소실험을 할 수 있고, 연소실험을 하는 동안 화염의 전파를 확인 및 촬영할 수 있도록 영상처리부가 형성되어 있는 드론을 이용한 연소실험 장치에 관한 것이다.

Description

드론을 이용한 연소실험 장치{Compustion experiment using a drone}
본 발명은 드론을 이용한 연소실험 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 드론을 이용하여 무중력 환경을 조성하고, 무중력인 상태에서 연소실험부에서 연소 현상의 물리적인 이론을 연구하기 위해 화염의 전파 실험을 위한 드론을 이용한 연소실험 장치에 관한 것이다.
산업적으로 항공우주 산업은 생산 및 기술 파급 효과가 큰 산업이고, 생산 요소 증대에 따라서 생산비는 절약되고 수익은 커지기 때문에 지속적이고 장기적인 연구와 많은 투자가 필요한 산업이다. 또한, 부가가치가 높은 국가 핵심 사업 중 하나이기 때문에 과거에는 선진국에서 주로 하는 기술 연구였지만, 국가 경제 발전을 이끌고 국가 위상을 높이는 효과를 내기 때문에 우리나라에서도 활발하게 연구가 이루어지는 산업이다. 그 중에서도 미지의 땅이라고 불리는 우주는 가 본 사람이 적고 개발이 되지 않은 공간이기 때문에 항공우주 산업 중에서도 가장 관심이 높고 연구개발이 많은 분야이다.
우주는 현재 인류가 알고 있는 가장 큰 공간 중의 하나이고, 많은 수의 사람들이 우주를 연구 및 개발하기 위해 화성탐사를 하거나, 우주의 신비를 알아보고자 우주여행을 떠나려는 계획을 세우고 있다. 그 중 국제우주정거장(ISS)은 인류의 유인 화성탐사 준비 및 우주공간 상에서의 인간의 활동영역 확대를 위한 연구에 큰 기여를 하고 있다. 생명 과학/공학, 재료, 연소, 결정성장, 기초물리, 우주/지구관측 등 다양한 분야에 대한 연구를 통해 인류의 우주생활 적응과 지상에서의 산업적 활용에 기여하고 있다. 그 중에서도 국제우주정거장을 활용한 연소과학 분야에 대한 연구가 꾸준히 수행되고 있다. 우주에서는 대류 현상은 없고 열을 복사하려는 성질이 강해서 어느 곳에 화재가 일어날지 모르는 위험이 따르기 때문에 마이크로중력 환경에서의 연소실험을 통해 이 현상에 대해 규명해야한다.
먼저, 마이크로중력은 지구상에서 물체에 작용하는 중력의 크기를 1G라고 할 때 10-6G 정도의 중력크기를 지칭하는 용어로 무중력 상태에 아주 근접한 중력 크기를 이르는 것으로 우주 상에 겪을 수 있는 대표적인 환경조건이다.
마이크로중력에서의 연소를 연구하는 목적 중 하나는 일반적인 기초 연소 현상에 관한 지식을 발전시키고, 우주에서 발생하는 화재 안전 문제 등에 적절히 대처하는 데 있다. 실제로 NASA에서는 지상의 마이크로 중력상태에서 화염의 발화 확산 및 소화에 대한 연구를 하고 있다. 마이크로중력 상태에서 실험한다면 중력의 영향 때문에 알 수 없었던 연소 과정에서 발생하는 연료 및 열의 이동 매커니즘 등에 대한 현상을 조사할 수 있다.
연구자들이 우주공간이 아닌 지구에서 마이크로중력 상태를 만드는 방법 중 하나는 자유낙하를 이용해 마이크로중력 환경을 만드는 것이다. 도 1은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 종래기술을 나타낸 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 대부분의 사람이 마이크로중력 상태를 만들기 위해 기존에는 자유낙하탑을 이용해 물체의 자유낙하를 시도해 마이크로중력상태를 만들어주거나 비행기를 이용해 자유낙하탑보다 긴 시간의 마이크로중력에 가까운 상태를 만들어 주기도 한다. 도 1을 참조하면, 자유낙하탑과 비행기를 이용하여 마이크로중력 환경을 조성하고 연소실험을 한 후, 데이터를 지상국에 보내 연소실험을 진행해왔다. 하지만 상기의 방법을 사용하려면 고비용의 실험설비와 활용성(실험을 자주할 수 없는 단점)이 있다.
종래에는 자유낙하 탑이나 비행기를 이용해 마이크로중력상태를 조성하였고, 이러한 마이크로중력 상태를 조성하는 장치에 관한 기술로서, 일본 공개특허 제 4391266 B2("미소 중력 장치", 2005.09.08., 이하 '선행문헌 1'이라고 함)와 일본 공개실용신안공보 제 1993-065800 U("미소 중력 실험용 낙하탑", 1993.08.31., 이하 '선행문헌 2'이라고 함)와 같은 기술에서는 마이크로중력 상태를 조성하는 장치에 대한 기술이 개시되어 있다.
선행문헌 1 및 선행문헌 2는 모두 마이크로중력을 조성하기 위해 자유낙하 탑의 원리를 이용한 기술이고, 한 곳에 고정시켜 사용할 수 있기 때문에 마이크로중력을 조성하고, 연소실험을 하기 에는 장소와 움직임이 제한적이라는 문제점이 있다. 더불어, 선행문헌 1 및 선행문헌 2 이외에도 비행기를 이용해 마이크로중력을 조성할 때는 자유낙하 탑에 비해 움직임이 자유롭지만 비행기의 부피가 크고 움직임이 둔해서 다양한 움직임과 순간적인 움직임의 구현이 어렵고 마이크로중력을 이용한 연소실험을 할 때 비용이 많이 든다는 문제점이 있다. 때문에 움직임이 자유롭고 저비용으로 마이크로중력 상태를 조성하고 연소실험을 할 수 있는 방법을 본 발명에서 제시하고자 한다.
1. 일본 공개특허 제 4391266 B2("미소 중력 장치", 2005.09.08.) 2. 일본 공개실용신안공보 제 1993-065800 U("미소 중력 실험용 낙하탑, 1993.08.31")
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 드론을 이용하여 마이크로중력의 환경을 조성하고 모사실험케이스 내부에 연소실험부를 구비하여 연소실험을 할 수 있으며, 연소실험을 하는 동안 화염의 전파를 확인 및 촬영할 수 있도록 영상처리부가 형성된 드론을 이용한 연소실험 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치는, 복수의 날개를 갖는 드론; 상기 드론의 하부에 구비되는 모사실험케이스; 상기 모사실험케이스의 내부에 설치되는 연소실험부; 상기 연소실험부를 상하방향으로 이동 가능하게 하는 상하방향 이동수단; 상기 연소실험부의 연소실험을 제어하는 제어부; 및 상기 연소실험부의 연소실험을 촬영하는 영상처리부; 를 포함하되, 상기 모사실험케이스는, 상부 및 하부에 탄성부재와 상기 탄성부재 끝단에 연결되는 충격흡수부재를 포함하여 상기 연소실험부가 상기 상하방향 이동수단에 의해 이동되는 상부 및 하부에 서로 이격된 충격흡수부가 적어도 하나 이상 형성되되, 상기 연소실험부는 하우징, 상기 하우징 내부의 대기환경을 조성하고 점화하기 위해 가스를 주입하는 가스공급부, 화염의 전파를 확인하기 위해 형성된 섬유, 온도센서 및 압력센서를 더 포함하고, 상기 하우징의 상면이 빛이 투과 가능한 투명한 창으로 형성되며 상기 상하방향 이동수단은 상기 모사실험케이스 내측면에 배치되어 상기 연소실험부의 양측과 연결되되 레일로 형성되어 상기 연소실험부를 상측 또는 하측으로 직선운동시키고, 상기 영상처리부는 서로 이격 배치된 상기 충격흡수부재 사이에 배치되어 상기 연소실험부 상면의 투명한 창 내부를 촬영하는 것을 특징으로 한다.
여기서,상기 연소실험부는, 상기 하우징 내부에 섬유고정부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 충격흡수부재는, 상기 영상처리부가 촬영하는 영역이 개방된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 레일은, 스토퍼가 형성되어 상기 연소실험부의 움직임을 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.
상기된 드론을 이용한 연소실험 장치를 사용하는 본 발명의 드론을 이용한 연소실험 방법에 있어서, 온도센서와 압력센서를 구동한 후, 일정한 시간간격을 가지고 데이터를 수집하는 데이터수집단계; 상기 데이터수집단계에서 수집된 데이터를 지상국으로 송신하는 데이터 송신단계; 연소실험부 하우징 내부에 배치된 점화코일에 흐르는 전력량을 측정하여 기 설정된 전력량 이상인지 비교하는 전력량 비교단계; 측정된 온도가 기 설정된 값과 비교하는 온도 비교단계; 섬유에 점화를 시작함과 동시에 카메라로 연소실험을 촬영하는 연소실험단계; 및 상기 연소실험단계에서 수집한 데이터를 저장하고 지상국으로 송신하는 데이터 저장 및 송신단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전력량 비교단계는 상기 기 설정된 전력량 값이 8V인 것을 특징으로 한다.
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상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치는 드론을 이용하여 마이크로중력상태를 조성하기 때문에 장소에 제한이 없고, 작고 가볍기 때문에 움직임이 자유롭고 다양한 모션 및 순간적인 모션의 구현이 자유로워 효과적인 마이크로중력상태를 만들 수 있어 우주에서의 환경을 가장 잘 모사할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존에 자유낙하 탑이나 비행기를 이용해서 연소실험을 할 때는 시험 비용이 많이 들었지만, 드론을 이용해서 마이크로중력을 만드는 경우 저비용으로 시험을 할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 드론을 이용한 연소실험장치는 레일이 형성되어 연소실험부가 기울어지거나 움직임이 제한되도록 마이크로중력 환경에서 실험을 할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 마이크로중력 환경에서는 연소 시 중력으로 인한 부력이 발생하지 않아 구형의 대칭 화염을 생성시키므로 물질(화학종류) 및 열전달 현상이 모두 반경방향으로만 발생하게 되어 1차원의 문제로 단순 해석함으로써 연소 현상에 대한 이해가 가능하게 된다는 효과가 있다.
또한, 상기 드론을 이용한 연소실험장치를 이용하여 연소실험을 통해 연소의 기본적인 메커니즘을 이해함으로써 자동차의 노킹 현상, 미세먼지, 연소개선 등의 기여할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 종래기술을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 전체사시도.
도 3은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 마이크로중력을 형성하는 것을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 연소실험부의 전체사시도.
도 5는 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 연소실험부의 내부 측면도.
도 6은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 연소실험부의 연소되는 것을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치의 통신 방법을 나타낸 흐름도.
도 8은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치를 이용한 방법을 나타낸 순서도.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)의 전체사시도를 도시하는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)는, 기본적으로는 드론(100), 모사실험케이스(200), 레일(300), 연소실험부(400), 제어부(500), 영상처리부(600)를 포함하며 이루어질 수 있다.
이하 도 2를 참조로 하여, 각 구성요소에 대해 상세하게 설명한다.
상기 드론(100)은, 상기 모사실험케이스(200)의 내부 공간에 수용되는 상기 연소실험부(400)에 실질적으로 마이크로중력 환경을 제공하기 위한 구성요소로, 도 2에 도시된 바와 같이, 모사실험케이스(200)의 상단에 구비될 수 있다. 또한, 드론(100)은 연소실험이 끝난 후에 상기 모사실험케이스(200)와 탈착이 될 수 있고, 실험의 용도 이외의 용도로 자유롭게 사용가능하다. 더불어, 복수의 날개(110)를 가지고 있어 일반적인 비행기보다 쉽고 자유롭게 비행이 가능하며 크기가 소형이기 때문에 가벼워서 움직임이 빠르고 자유로워 마이크로중력 환경을 보다 더 잘 조성할 수 있다는 효과가 있다.
상기 모사실험케이스(200)는 마이크로중력 환경에서 연소실험을 위해 형성된 구성으로, 상기 드론(100)의 하부에 구비되며 내부에 상기 레일(300)과 연소실험부(400)와 제어부(500) 및 영상처리부(600)를 포함한다. 더불어, 상기 드론(100)에 가해지는 하중을 최소화하기 위해 모사실험케이스(200)는 플라스틱이나 알루미늄 등의 가벼운 소재를 사용하여 이루어지는 것이 바람직하지만, 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니고 상기 모사실험케이스(200)는 다양한 소재를 사용할 수 있다.
또한, 충격흡수부(220)가 상기 모사실험케이스(200)의 상부와 하부에 형성되어, 상기 연소실험부(400) 및 영상처리부(600)가 상기 모사실험케이스(200)의 바닥과의 충돌을 방지할 수 있도록 할 수 있고, 충돌이 일어났다고 해도 충격이 완화된다는 효과가 있다. 본 발명의 상기 충격흡수부(220)는 스프링이나 댐퍼인 것이 바람직하지만, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것이 아니고 충격을 흡수할 수 있는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
덧붙이자면, 상기 충격흡수부(220)는 상기 모사실험케이스(200)의 상부 및 하부에 설치되는 탄성부재와 상기 탄성부재의 끝단에 연결되는 충격흡수부재를 포함하고, 상기 영상처리부에 형성된 카메라는 상기 케이스의 내부 상면과 상기 충격흡수부재 사이에 위치하여 상기 카메라가 촬영하는 영역이 개방되는 것이 바람직하다. 상기 충격흡수부재는 연소실험부가 상기 모사실험케이스 내부에서 상부 또는 하부로 이동할 때 맞닿아 충격을 흡수할 수 있다.
상기 레일(300)은 상기 모사실험케이스(200)의 내부에 상하방향으로 길게 형성될 수 있고, 상기 연소실험부(400)가 레일(300)을 따라 상하 이동하여 마이크로중력 환경에서 연소실험할 수 있도록 한다. 상기 레일(300)에는 부가적으로 스토퍼(310)를 형성하여 상기 연소실험부(400)의 움직임을 제한할 수 있도록 한다. 레일(300)을 통해 연소실험부(400)가 동작하는 것에 대한 자세한 설명은 도 3에서 자세하게 후술하도록 한다.
상기 연소실험부(400)는 상기 레일(300)을 따라 상하 방향 이동가능 하도록 설치되고, 연소실험을 할 수 있도록 형성된다. 상기 연소실험부(400)의 구성과 자세한 설명은 도 4 및 도 5에서 자세하게 후술하도록 한다.
상기 제어부(500)는 상기 모사실험케이스(200) 내부에 형성되고, 상기 연소실험부(400)의 연소실험을 제어한다. 상기 연소실험부(400)의 온도센서(440)와 압력센서(450) 및 가스주입 등을 제어하여 정확한 연소실험을 할 수 있도록 한다. 또한, 상기 제어부(500)는 연소실험부(400)의 연소실험을 제어하는 것 이외에도 상기 드론(100)을 제어할 수 있다.
상기 영상처리부(600)는 상기 모사실험케이스(200)의 내부에 구비되고 상기 연소실험부(400)의 연소실험을 촬영할 수 있고, 카메라(610)를 포함한다.
덧붙이자면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제어부(500)와 상기 영상처리부(600)는 상기 연소실험부(400)의 상하 이동을 방해하지 않도록, 격벽을 사이에 두고 연소실험부(400)가 놓이는 공간과 다른 공간에 구비될 수 있다. 또한, 상기 영상처리부(600)는 연소실험부(400)를 촬영할 수 있도록 연소실험부(400)가 상하 이동되는 공간의 천장에 구비될 수 있다. 그리고 상기 카메라(610)는 드론(100)의 빠르고 반복적인 운동에 의한 충격과 진동 환경에 보호되어야한다.
더불어, 본 발명의 상기 카메라(610)는 7FPS 이상으로 10초 이상 촬영이 가능한 것이 바람직하지만, 물론 이로써 본 발명이 한정되지 않고 다양하게 설정될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)의 마이크로중력을 모사하는 일실시예를 나타낸 도면을 도시하는 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)는 상하방향으로 이동할 수 있다. 이 경우에 아래 방향으로 상기 드론(100)이 이동되는 동안에는 마이크로중력 환경에 놓이는 자유낙하가 이루어지도록 상기 드론(100)의 가동을 정지시킬 수 있고 상기 모사실험케이스(200)가 지면에 닿기 바로 전에 드론(100)을 구동하여 위로 다시 이동시킬 수 있다. 특히, 드론(100)의 움직임과 정지를 통해 자유낙하와 상하 방향 이동을 쉽고 빠르게 반복적으로 수행할 수 있다.
또한, 실외에서 이렇게 드론(100)을 상하 방향으로 이동시키며 수행되는 마이크로중력 환경을 만들 때 바람의 영향으로부터 본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)를 보호할 수 있도록 연소실험은 실내나 연구소 내부에서 이루어질 수 있다. 이와 같이, 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)는 장소에 구애받지 않고 어느 곳에서나 실험할 수 있다는 장점이 있다. 더불어, 본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)는 마이크로중력 환경을 조성할 때 발생할 수 있는 사고(바닥과의 충돌 등)를 예방하기 위해 모사실험케이스(200)의 하부에 거리센서(510)가 구비될 수 있다. 참고로, 자유낙하가 이루어지는 구간이 마이크로중력 환경이 모사되는 구간이다.
또 하나의 실시예로, 상기 드론(100)은 마이크로중력 환경을 조성하기 위해, 기존의 비행기를 이용한 자유낙하의 경우와 동일하게 포물선 비행을 하며 마이크로중력 환경을 조성할 수 있다. 덧붙이자면, 상기 드론(100)은 자유낙하하기 위해 포물선 비행을 하거나 상하 방향으로 작동하기 위해 드론(100)에 내장된 제어부(500)의 설정된 프로그램에 따라 제어될 수 있고, 상기 제어부(500)의 설정된 프로그램에 따라 제어될 수 있다. 따라서, 모사실험케이스(200)가 드론(100)에 의해 저비용으로 쉽고 빠르게 반복해서 마이크로중력 환경을 모사할 수 있다.
여기서, 상기 레일(300)은 상기 드론(100)이 자유낙하나 하향 비행이 이루어지는 동안, 상기 연소실험부(400)가 상대적으로 기울어지거나 좌우로 흔들림이 없이 위로 뜨면서 공기저항 등의 외부로부터의 영향을 최소화하여 마이크로중력 환경을 더욱 효과적으로 모사할 수 있다. 덧붙이자면, 마이크로중력 환경에서는 미세한 공기의 흐름도 연소실험결과에 영향을 미칠 수 있어 이를 최소화하는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 앞서 설명하였듯이, 상기 레일(300)에는 부가적인 구성으로 스토퍼(310)가 형성될 수 있다. 상기 스토퍼(310)는 상기 연소실험부(400)가 상기 카메라와 맞닿아 상기 카메라(610)의 손상을 방지하기 위해 형성된 것이다. 자세하게 설명하자면, 상기 스토퍼(310)는 상기 드론(100)이 상하 운동할 때, 상기 연소실험부(400)도 함께 마이크로중력 환경을 만들기 위해 움직이는 경우에 상기 연소실험부(400)가 상기 카메라(610)와 부딪히는 것을 방지하기 위해 스토퍼(310)를 형성하여 연소실험부(400)와 카메라(610)의 손상을 방지한다. 상기 충격흡수부(220)가 상기 모사실험케이스(200)의 상하부분에 복수개가 형성되지만, 상기 카메라(610)가 형성되어 있는 상측 부분에는 상기 충격흡수부(220)와 상기 스토퍼(310)를 이중으로 충격을 방지하는 장치를 형성하여, 상기 연소실험부(400)와 상기 카메라(610)를 보호하는 것이 바람직하다. 상기 스토퍼(310)는 상기 스토퍼(310)와 상기 연소실험부(400)가 부딪히는 경우에 상기 연소실험부(400)에 상처가 나지 않도록 유연하고 탄성이 있는 재질을 사용하여 형성하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)의 연소실험부(400)의 전체사시도를 도시하는 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 연소실험부(400)는, 하우징(410)과 가스공급부(420)가 포함되어 이루어져있다. 도 4에 도시된 본 발명의 상기 연소실험부(400)는 3개로 이루어져 있지만, 물론 이로써 본 발명은 한정되지 않고 사용자의 필요에 따라 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 하우징(410)은 상기 연소실험부(400)를 감싸고 있는 부분이고, 하우징(410)이 형성되어 내부의 구성의 손상을 방지해주는 효과가 있다. 상기 모사실험케이스(200)에 형성되기 때문에 가벼운 재질인 플라스틱이나 알루미늄으로 형성되는 것이 바람직하지만, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니고, 다양한 재질로 형성될 수 있다.
상기 가스공급부(420)는 상기 하우징(410) 내부의 대기환경을 조성하고 점화코일(470)에 점화하기 위해 가스를 주입해준다. 상기 하우징 내부에 가스를 공급해주는 이유는 연소실험이 진행되는 동안 점화코일에 계속 전기를 보내주고 있는 상태이기 때문에 전기가 흐르는 점화코일과 가스가 반응하게 되면 점화가 일어나게 된다. 또한, 상기 연소실험부(400)는 드론(100)에 탑재되어 드론(100)이 움직이는 동안 일정한 기압을 유지할 수 있도록 구조물의 기압 밀도가 유지되어야 해서 가스를 연소실험이 진행되는 동안에 주입해주는 것이 바람직하다. 여기서, 본 발명의 상기 가스공급부(420)에 주입되는 가스는 아르곤이나 헬륨이나 이산화탄소와 산소 등을 섞어서 조합한 것이고, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며 연소에 필요한 다양한 가스를 사용할 수 있다.
이하 연소실험부(400)의 내부의 각 구성을 도 5에서 더 자세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)의 연소실험부(400)의 내부 측면도를 도시하는 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 연소실험부(400)는, 기본적으로는 하우징(410), 가스공급부(420), 섬유(430), 연결부(490), 온도센서(440) 및 압력센서(450)를 포함하여 이루어지며, 부가적으로 창(460), 섬유고정부(480)가 더 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 섬유(430)는 화염의 전파를 확인할 수 있도록 형성되고, 본 발명에서 연소실험에 사용하는 섬유(430)는 광섬유와 유리섬유로 이루어지는 것이 바람직하지만, 물론 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니며 다양한 섬유(430)의 형태로 형성될 수 있다. 우주에서 화재가 발생되면 어느 곳으로 확산될지 알 수 없으므로 섬유(430)를 길고 팽팽하게 설치해서 연소가 되었을 때 화염의 전파를 확인할 수 있다.
상기 섬유고정부(480)는 마이크로중력환경을 조성하는 과정에서 빠르고 반복되는 움직임에 상기 섬유(430)가 움직이지 않도록 고정시켜줄 수 있다. 또한, 화염에도 모양이 변형되지 않는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 온도센서(440)와 상기 압력센서(450)는 연소실험 중 하우징(410) 내부의 온도와 압력을 실시간으로 측정한다. 더 자세하게 설명하자면, 연소실험에 있어서, 연소실험부(400) 내부의 대기조건에 따라 연소가 되는 특성이 달라질 수 있기 때문에 실시간으로 모니터링을 하는 것이 바람직하다. 자세하게 설명하자면, 상기 연소실험부(400) 내부의 압력 데이터의 범위는 사용자의 설정 값에 따라 달라지고 연소실험부(400)를 설계할 때 고려된 연소실험부(400)가 견딜 수 있는 압력까지 설정하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 압력센서(450)는 상기 하우징(410)에 가스를 주입하기 때문에 하우징(410) 내부의 기압이 높아지거나 낮아지는 것을 실시간으로 측정하여 상기 점화코일(470)에 점화가 순조롭게 진행될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 온도는 상기 온도센서(440)에 의해 측정될 수 있고, 온도 데이터는 연소실험 내부의 대기 환경에 따라 화염 전파에 영향을 미치기 때문에 온도와 압력 데이터를 모니터링 하는 것이 바람직하다.
상기 창(460)은 연소실험 중 상기 섬유(430)에서 연소되었을 때 화염의 전파를 직접 확인할 수 있도록 형성되며, 상기 창(460)이 구비될 때 하우징(410) 내부의 가스와 공기가 새어나가지 않고 연소실험 중에 있어서 안전할 수 있도록 강화 유리로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 점화코일(470)은 연소실험을 위해서 형성되고, 상기 점화코일(470)에 전기가 흐르게 전기(전력량)를 흐르게 함으로써 주입된 가스와 전기에너지가 반응하여 점화가 되어 연소가 되는 원리를 사용한다. 이에 따라 전력량을 실시간으로 관리하는 것이 바람직하다.
상기 연결부(490)는 상기 압력센서(450)와 나란히 형성하고 하단에 위치함으로써 연소실험 시 고온의 화염으로 하우징(410) 내부가 균열이 일어날 수 있는데 이를 방지할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)의 연소실험부(400)의 연소되는 것을 나타낸 도면을 도시하는 것으로, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 연소실험부(400)의 연소실험이 진행되는 것을 설명한다.
먼저, 연소실험부(400) 내부에 연소실험을 위해서 상기 섬유고정부(480)에 섬유(430)를 고정시키고, 점화코일(470)을 배치한다. 상기 가스공급부(420)를 통해 상기 하우징(410) 내부에 가스를 주입한다.
도 6의 (a), (b)를 통해 연소실험부(400)의 연소실험을 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이 도 6의 (a)는 본 발명의 연소실험부(400) 내부에 가스가 주입되지 않은 상황이거나, 아직 연소가 시작되지 않은 경우이다. 더불어, 온도센서(440)와 압력센서(450)에서 온도와 압력을 측정하지 않아 연소실험을 할 수 없는 환경일 수도 있다.
도 6의 (b)는 본 발명의 연소실험부(400) 내부에 가스를 주입한 후, 온도센서(440) 및 압력센서(450)가 온도와 압력을 측정한 후 연소가 진행되고 있는 경우이다. 마이크로중력 환경에서는 연소가 일어났을 때 어느 방향에서 화재가 일어날지 알 수 없기 때문에 우주에서의 화재를 대비하여 도 6의 (b)의 상황을 계속 반복하여 실험하고, 상기 카메라(610)를 이용해 실시간으로 촬영하는 것이 바람직하다. 도 6의 (b)에 따라, 상기 카메라(610)로 촬영한 연소실험을 한 영상데이터를 참조하여 화재감지 센서를 설치할 수 있는 방향과 화염의 전파를 파악하고 감지할 수 있다. 또한, 연소가 시작됨과 동시에 상기 영상처리부(600)의 카메라(610)에서 상기 창(460)을 통해 상기 섬유(430)가 연소되는 과정인 화염의 전파를 촬영할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)의 통신 방법을 나타낸 흐름도를 도시하는 것으로, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 연소실험부(400)가 제어부(500)와의 통신하는 인터페이스를 설명한다.
도 7을 참조하면, 먼저 연소실험부(400)의 OBC(이하 '제어부(500)'라고 함.)에서 I2C 방식으로 인터페이스보드의 MCU를 제어한다. 상기 인터페이스보드는 하나의 시스템을 구성하는 하드웨어 및 소프트웨어나 2개의 시스템이 상호작용하기 위한 보드로 압력센서(450), 온도센서(440), 점화기 및 카메라 모듈 포함한 보드와 상기 제어부(500)를 연결하기 위한 회로기판이다. 이에 따라, 상기 제어부(500)에서 MCU를 제어하여 USB 허브를 통해 적어도 하나이상의 카메라(610)를 제어하고, 상기 적어도 하나이상의 카메라(610)에서 얻은 데이터는 USB 방식을 통해 제어부(500)로 전송되는 것이 바람직하다. 여기서, USB 방식이란, USB 단자에 연결해서 사용하는 방식을 말한다.
상기 압력센서(450)와 상기 온도센서(440) 및 점화기에는 FET 소자와 AND 게이트를 이용하여 사용자가 필요시에만 전력을 공급하여 전력량을 확보하는 것이 바람직하며, 상기 점화기의 경우 AND 게이트와 FET소자를 이용하여 안전성을 높이는 것이 바람직하다. 이에 따라, 상기 압력센서(450)와 상기 온도센서(440)는 ADC(이하 '변환기'라고 함)를 통해 출력된 아날로그 값을 디지털 값으로 변환해서 상기 제어부(500)에 데이터를 전송한다.
도 8은 본 발명에 따른 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)를 이용한 연소실험 방법을 나타낸 순서도를 도시하는 것으로, 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)를 이용한 연소실험 방법을 설명한다.
본 발명의 드론을 이용한 연소실험 장치(1000)를 이용한 연소실험 방법은 도 7에 도시된 바와 같이, 데이터 수집단계(S100), 데이터 송신단계(S200), 전력량 비교단계(S300), 온도 비교단계(S400), 연소실험단계(S500), 데이터저장 및 송신단계(S600)를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 데이터 수집단계(S100)는, 상기 드론(100)을 이용해 마이크로중력 환경을 조성한 후에 마이크로중력 환경에서, 상기 연소실험부(400)의 온도센서(440)와 압력센서(450)를 구동한 후, 일정한 시간간격을 가지고 데이터를 수집을 하는 단계이다. 여기서, 데이터는 온도센서로 측정한 온도 데이터, 점화코일(470)에 흐르는 전력량과 상기 카메라(610)로 촬영한 화염의 전파의 모습을 담은 영상 데이터를 포함할 수 있다. 상기 온도 데이터와 상기 전력량 데이터는 앞서 설명했듯이, 연소실험 내부의 대기환경에 따라 화염 전파에 영향을 미치므로 실시간으로 모니터링 하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 영상 데이터는 상기 화염의 전파 특성을 분석하기 위해 포함되는 것이 바람직하다.
상기 데이터 송신단계(S200)는, 상기 데이터수집단계에서 수집된 데이터를 지상국으로 송신하는 단계이다. 상기 드론(100) 내부의 연소실험부(400)에서 측정되는 데이터를 지상에 있는 지상 송신국(지상국)으로 전달하여, 지상국은 연소실험을 할 수 있는 환경인지 판단하는 역할을 한다.
상기 전력량 비교단계(S300)는, 출력된 전력량이 기 설정된 전력량 값과 비교하는 단계이다. 본 발명에서의 상기 기 설정된 전력량 값은 8V 이상인 것이 바람직하며, 기 설정된 전력량이 8V 이상이 될 때 다음 단계인 온도 비교단계(S400)로 진행되는 것이 바람직하다. 상기 전력량을 측정하는 이유는 전기에너지의 양이 너무 작아서, 상기 섬유(430)에 불이 붙지 않는 것을 방지하기 위해 전력량을 실시간으로 모니터링하는 것이 바람직하다.
상기 온도 비교단계(S400)는, 측정된 온도가 기 설정된 온도 값과 비교하는 단계이다. 본 발명에서의 상기 기 설정된 온도 값은 10도 이상 35도 이하인 것이 바람직하다. 상기 온도 데이터는 앞서 설명하였듯이, 연소실험부(400) 내부의 대기환경에 따라 화염전파에 영향을 미치므로, 이에 대한 데이터를 실시간으로 모니터링하는 것이 바람직하다.
상기 연소실험단계(S500)는, 섬유(430)에 점화를 시작함과 동시에 카메라(610)로 연소실험을 촬영하는 단계이다. 마이크로중력환경에서 연소를 하였을 때 불꽃이 상기 섬유(430)의 어느 곳에 일어날지 모르기 때문에 화염의 전파를 확인하기 위해 점화기와 카메라(610)를 동시에 구동하는 것이 바람직하다. 점화기와 카메라(610)를 동시에 작동하여 10초간 촬영하고 촬영을 종료한다.
상기 데이터저장 및 송신단계(S600)는, 상기 연소실험단계(S500)에서 수집한 데이터를 저장하고 지상국으로 송신하는 단계이다. 연소실험을 하고 촬영한 데이터와 연소실험시 온도 및 전력량 데이터를 지상국으로 송신한다. 상기 데이터 저장 및 송신단계를 종료한 후, 다시 상기 데이터 수집단계(S100)로 돌아가서 연소실험을 진행한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000 : 드론을 이용한 연소실험 장치
100 : 드론 110 : 날개
200 : 모사실험케이스 210 : 전원공급부
220 : 충격흡수부
300 : 레일 310 : 스토퍼
400 : 연소실험부 410 : 하우징
420 : 가스공급부 430 : 섬유
440 : 온도센서 450 : 압력센서
460 : 창 470 : 점화코일
480 : 섬유고정부 490 : 연결부
500 : 제어부 510 : 거리센서
600 : 영상처리부 610 : 카메라
S100 : 데이터 수집단계
S200 : 데이터 송신단계
S300 : 전력량 비교단계
S400 : 온도 비교단계
S500 : 연소실험단계
S600 :　데이터저장 및 송신단계

Claims (11)

  1. 복수의 날개를 갖는 드론;
    상기 드론의 하부에 구비되는 모사실험케이스;
    상기 모사실험케이스의 내부에 설치되는 연소실험부;
    상기 연소실험부를 상하방향으로 이동 가능하게 하는 상하방향 이동수단;
    상기 연소실험부의 연소실험을 제어하는 제어부; 및
    상기 연소실험부의 연소실험을 촬영하는 영상처리부; 를 포함하되,
    상기 모사실험케이스는, 상부 및 하부에 탄성부재와 상기 탄성부재 끝단에 연결되는 충격흡수부재를 포함하여 상기 연소실험부가 상기 상하방향 이동수단에 의해 이동되는 상부 및 하부에 서로 이격된 충격흡수부가 적어도 하나 이상 형성되되,
    상기 연소실험부는
    하우징, 상기 하우징 내부의 대기환경을 조성하고 점화하기 위해 가스를 주입하는 가스공급부, 화염의 전파를 확인하기 위해 형성된 섬유, 온도센서 및 압력센서를 더 포함하고, 상기 하우징의 상면이 빛이 투과 가능한 투명한 창으로 형성되며
    상기 상하방향 이동수단은
    상기 모사실험케이스 내측면에 배치되어 상기 연소실험부의 양측과 연결되되 레일로 형성되어 상기 연소실험부를 상측 또는 하측으로 직선운동시키고,
    상기 영상처리부는 서로 이격 배치된 상기 충격흡수부재 사이에 배치되어 상기 연소실험부 상면의 투명한 창 내부를 촬영하는 것
    을 특징으로 하는 드론을 이용한 연소실험 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,상기 연소실험부는,
    상기 하우징 내부에 섬유고정부가 형성되는 것을 특징으로 하는 드론을 이용한 연소실험 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서, 상기 충격흡수부재는,
    상기 영상처리부가 촬영하는 영역이 개방된 것을 특징으로 하는 드론을 이용한 연소실험장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 레일은, 스토퍼가 형성되어 상기 연소실험부의 움직임을 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 드론을 이용한 연소실험 장치.
  10. 제 1항, 제 5항, 제 8항 및 제 9항 중 어느 하나의 항의 드론을 이용한 연소실험 장치를 사용하는 드론을 이용한 연소실험 방법에 있어서,
    온도센서와 압력센서를 구동한 후, 일정한 시간간격을 가지고 데이터를 수집하는 데이터수집단계;
    상기 데이터수집단계에서 수집된 데이터를 지상국으로 송신하는 데이터 송신단계;
    연소실험부 하우징 내부에 배치된 점화코일에 흐르는 전력량을 측정하여 기 설정된 전력량 이상인지 비교하는 전력량 비교단계;
    측정된 온도가 기 설정된 값과 비교하는 온도 비교단계;
    섬유에 점화를 시작함과 동시에 카메라로 연소실험을 촬영하는 연소실험단계; 및
    상기 연소실험단계에서 수집한 데이터를 저장하고 지상국으로 송신하는 데이터 저장 및 송신단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 드론을 이용한 연소실험 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 전력량 비교단계는
    상기 기 설정된 전력량 값이 8V인 것을 특징으로 하는 드론을 이용한 연소실험 방법.
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