KR20130139061A - 초공동 수중 이동체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적어도 부분적으로 수중에 잠겨 이동하며, 초공동 현상을 이용하는 초공동 수중 이동체에 있어서, 수중에서 돌출된 선단부에 상기 선단부 표면과 접촉하는 물과의 사이에 라이덴프로스트 현상에 의한 기체막을 형성하도록 고온이 형성 가능한 고열부; 및 상기 고열부에 고온 상태가 되도록 에너지를 제공하는 에너지 공급 시스템을 포함하는 초공동 수중 이동체를 제공한다.

Description

초공동 수중 이동체{UNDERWATER MOVING OBJECT USING SUPERCAVITATION}
본 발명은 선박, 잠수함, 어뢰 등과 같은 적어도 부분적으로 물속에 잠겨 이동하는 수중 이동체에 관한 것으로, 선단부에 라이덴프로스트 현상에 의한 초공동을 발생하여 수중 이동시 선단부에 작용하는 물의 저항이 감소되도록 한, 초공동 수중 이동체에 관한 것이다.
선박은 몸체의 하부가 물속에 잠겨 이동하는 수중 이동체이고, 잠수함, 어뢰 등은 몸체 전체가 물속에서 이동하는 수중 이동체이다.
이러한 수중 이동체는 이동시에 물의 저항을 받게 되는 데, 물은 공기에 비해 점성이 높고 저항이 크기 때문에 적어도 부분적으로 물속에 잠겨 움직이는 수중 이동체의 속도는 수중 이동체에 작용하는 물에 의한 저항을 얼마나 줄일 수 있는 가에 의해 좌우된다.
수중 이동체가 물속에서 받는 저항을 감소시켜 초고속 운항을 가능하게 하는 방법으로 초공동(supercavitation) 현상을 응용하는 방법이 이론적으로 공지되어 있으며, 어뢰 등에 일부 적용된 것으로 알려져 있다.
초공동 현상은 물체 속에서 이동하는 물체를 기포를 덮으면 물속에서의 마찰 저항이 공기 중의 마찰 저항과 유사하게 되는 원리를 의미한다.
물속에서 이동하는 수중 이동체의 표면을 기포로 덮어 초공동을 발생시키기 위한 방법으로 두 가지 방법이 공지되어 있는바, 하나는 선단부가 특수하게 설계된 형상을 갖도록 하여 수중 이동체의 이동시 특수 형상에 의해 기포가 발생하도록 하는 방법이고, 다른 하나는 선단부에 직접 공기 또는 가스를 분사함으로써 기포를 발생시키는 방법이다.
이중 전자의 방법이 현실적으로 구현되어 사용되고 있는데, 기포를 발생시키기 위해서는 대략 시속 180km 정도의 속도로 운항이 이루어져야 하므로, 수중 이동체의 추진능력이 문제되고, 임계 속도 이하에서는 초공동이 발생하지 않는 단점이 있다. 이러한 이유로 현재의 초공동 수중 이동체는 항상적인 초고속 움직임을 필요로 하는 어뢰에 대해서만 현실화되어 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 적어도 부분적으로 물속에 잠겨 이동하는 수중 이동체에서 선단부에 고열부를 형성하여 라이덴프로스트 현상에 의해 선단부 표면에 희박한 기체막을 형성함으로써, 초공동 현상에 의해 물에 저항을 감소시킬 수 있는, 초공동 수중 이동체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 적어도 부분적으로 수중에 잠겨 이동하는 수중 이동체에 있어서, 수중에서 돌출된 선단부에 상기 선단부 표면과 접촉하는 물과의 사이에 라이덴프로스트 현상에 의한 기체막을 형성하여 초공동이 발생할 수 있도록 고온이 형성 가능한 고열부; 및 상기 고열부가 고온 상태가 되도록 에너지를 제공하는 에너지 공급 시스템을 포함하는 초공동 수중 이동체를 제공한다.
본 발명의 일 실시예 의하면, 상기 고열부는 고온 증기를 내부로 공급받아 가열되며, 상기 에너지 공급 시스템은, 고온 증기를 발생시키는 증기 발생기와, 상기 증기 발생기로부터 공급된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈과, 상기 증기 터빈으로부터 배출되는 증기 또는 상기 증기 발생기에서 발생한 증기를 입력 받아 상기 고열부에 공급되는 증기를 제어하는 증기 제어 장치와, 상기 증기 제어 장치와 상기 고열부 경로 사이에 설치되어 상기 증기 제어 장치로 입력된 증기를 승온하는 과열기를 포함하여, 상기 증기 제어 장치는 증기를 직접 상기 고열부에 제공하거나 상기 과열기를 경유하여 상기 고열부에 제공하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 고열부는 내부로 연소 가스를 공급받아 가열되며, 상기 에너지 공급 시스템은, 공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 공기를 이용하여 연료를 연소하는 연소기와, 상기 연소기로부터 제공되는 연소가스에 의해 구동하는 가스 터빈과, 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 연소가스 또는 상기 연소가스에 발생한 연소가스를 입력받아 상기 고열부 내로 공급되는 연소가스를 제어하는 연소가스 제어 장치를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 고열부는 공급되는 전기 에너지에 의해 발열하는 발열체를 포함하여 가열되며, 상기 에너지 공급 시스템은, 고온 증기 또는 연소 가스를 공급받아 구동하는 터빈, 상기 터빈에 연결되어 상기 터빈의 구동에 따라 구동하여 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 상기 발전기로부터 상기 고열부로 제공되는 전기 에너지를 제어하는 전원 제어 장치를 포함한다.
본 발명에 의하면, 상기 수중 이동체는 선박, 잠수함, 어뢰 중 어느 하나로 선택된다.
본 발명에 의하면 선단부의 형상 설계나 기포 분사 등이 없이 라이덴프로스트 현상에 의해 선단부에 초공동을 발생시킬 수 있다. 선단부에 고열부를 형성하여 라이덴프로스트 현상에 의해 선단부 표면에 희박한 기체막이 형성되도록 함으로써 물의 저항을 감소시키고 이에 따라 선박, 잠수함, 어뢰 등과 같은 수중 이동체의 고속 이동을 가능하게 한다.
도 1 은 본 발명에 따른 수중 이동체의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서 고열부를 고온 상태로 만드는 에너지원으로서 고온 증기를 이용하는 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서 고열부를 고온 상태로 만드는 에너지원으로서 고온 증기를 이용하여 잠수함을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서 고열부를 고온 상태로 만드는 에너지원으로 연소가스를 이용하여 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서 고열부를 고온 상태로 만드는 에너지원으로서 전기 에너지를 이용하는 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 기체막 형성이 가능한 수중 이동체를 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 수중 이동체의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 수중 이동체는 수중 이동체(1)의 선단부(10)에 형성되는 고열부(20)와, 상기 고열부(20)에 가열 에너지를 제공하는 에너지 공급 시스템(100)을 포함한다.
고열부(20)는 라이덴프로스트 현상에 의해 선단부(10) 표면에 희박한 기체막(5)을 형성시키기 위해 구비된다.
라이덴프로스트 현상(Leidenfrost phenomenon)은 액체의 끓는점 보다 높은 고온의 고체 표면에 액체가 닿으면 순간적으로 액체가 기화되면서 고체와 액체 사이에 희박한 기체막이 형성되는 현상이다.
본 발명에 의하면 수중 이동체(1)의 선단부(10)에 고열부(20)를 형성하고 고온 상태의 고열부(20)와 물 예컨대, 바닷물이 접촉함으로써 선단부(10) 표면과 바닷물 사이에 희박한 기체막(5)이 형성되어, 선단부(10)에서의 마찰 저항이 감소된다.
선단부(10) 표면에 형성된 기체막(5)은 수중 이동체(1)의 움직임에 따라 수중 이동체(1)의 몸체 표면을 따라 확산된다. 일반적으로 고열부(20)는 접촉 액체 즉, 바닷물과 200℃온도차가 나도록 고온 상태가 된다.
수중 이동체(1) 내부에는 고열부(20)를 고온 상태로 만들기 위한 가열 에너지를 제공하는 에너지 공급 시스템(100)이 설치된다.
도 2 내지 도 5 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예들을 설명하기 위한 도면들로서, 먼저, 도 2 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서, 고열부를 고온 상태로 만드는 에너지원으로서 고온 증기를 이용하는 선박이 도시되어 있다.
선박(2)은 아래 부분이 수중에 잠겨 물의 저항을 받으면서 이동하는 수중 이동체이다. 선박(2)의 선수 하단부에는 둥근 공처럼 부풀어 오른 형태부, 일반적으로 구상 돌기라 부르는 선단부(10)가 형성된다.
선단부(10)에는 물과 접촉하여 라이덴프로스트 현상에 의해 희박한 기체막을 만들 수 있는 고열부(20)가 형성되는 데, 고열부(20)는 공급된 고온 증기에 의해 고온 상태가 되도록 설계된다.
도 2 에 도시된 에너지 공급 시스템(100)은, 증기 발생기(112)와, 증기 터빈(114), 응축수 탱크(116), 증기 제어 장치(118) 및 과열기(126)를 포함한다.
증기 발생기(112)는 디젤과 같은 화석 연료를 연소하거나, 원자력의 핵분열 에너지를 이용하여 증기를 발생시킨다.
증기 발생기(112)에서 발생된 증기는 증기 터빈(114)을 구동하기 위해 제공된다. 증기 터빈(114)은 발전기(130)와 연결되고, 증기 터빈(114)의 구동과 함께 발전기(130)에서 생산된 전기는 모터(132)를 구동시키며, 모터(132)가 샤프트를 통해 프로펠러(134)를 구동시킨다. 증기 터빈(114)에서 사용된 증기는 증기 배출구와 연결된 관로(115) 통해 응축수 탱크(116)에 모여 액상 상태로 펌프(117)를 통해 다시 증기 발생기(112)로 주입된다.
증기 발생기(112), 증기 터빈(114) 및 응축수 탱크(116)는 선박(2)의 프로펠러(134)를 구동하는 구동 시스템을 이룬다.
에너지 공급 시스템(100)은, 증기 터빈(114)의 증기배출구와 증기 제어 장치(118)를 관로(119)로 연결하여 증기 터빈(114)에 배출되는 증기가 증기 제어 장치(118)로 입력될 수 있도록 구성된다.
증기 제어 장치(118)는 증기 제어 장치(118)는 고열부(20)에 설치된 온도 센서(22)를 통해 고열부(20)로의 고온 증기 공급 즉, 공급되는 고온 증기의 용량 및 온도를 제어한다.
증기 제어 장치(118)는 고열부(20)로 공급되는 고온 증기의 온도가 설정치 보다 낮은 경우 과열기(126)로 증기를 공급한다. 과열기(126)는 내부에 전열판 등을 구비하여 내부로 유입된 증기의 온도를 상승시킨 후 관로를 통해 고열부(20)로 공급한다.
이와 같이 증기 제어 장치(118)는 관로(120)를 통해 고열부(20)로 고온 증기를 직접 입력하거나 과열기(126)를 통해 입력한다.
증기 제어 장치(118)에서 발생한 응축수 및 및 고열부(20)를 경유한 증기는 관로를 통해 응축수 탱크(116)로 공급된다.
도면에 도시되지 않았지만 각 관로에는 관로를 통하는 증기의 흐름을 제어할 수 있는 밸브가 설치된다.
이러한 구성에 의하여 선박의 동작을 살펴보면, 통상 운전의 경우에는 증기 터빈(114)에서 발생된 증기는 응축수 탱크(116)로 입력되며 증기 제어 장치(118)로 입력되는 관로(119)를 밸브로 차단된다.
그러나 선박의 고속 운전이 필요한 경우 증기 터빈(114)에서 사용된 사용 증기를 응축수 탱크(116)로 입력되는 관로(115)는 차단되고, 증기 제어 장치(118)로 입력되는 관로(119)가 개방되어 증기 터빈(114)이 배출하는 증기는 증기 제어 장치(118)로 입력된다.
증기 제어 장치(118)는 직접 또는 과열기(136)를 경유하여 고온 증기를 고열부(20)에 제공함으로서 선단부(10)가 고온 상태가 되도록 가열 한다. 이러한 동작에 따라 고열부(20)에 의해 선박(2)의 선단부(10)의 표면에 접촉하는 바닷물이 순간적으로 기화될 수 있는 고온 상태가 되는 경우, 선단부(10) 표면과 바닷물 사이에 라이덴프로스트 현상에 의한 희박한 기체막이 형성되고, 이에 따라 마찰 저항을 감소된다.
본 발명의 변형 실시예로서, 증기 제어 장치(118)는 증기 발생기(112)로부터 고온 증기를 입력받도록 구성될 수 있다. 그러나 증기 터빈(114)에서 발생하는 폐증기를 이용하는 것이 폐열 활용 측면에서 더 바람직하며, 증기 터빈(114)에서 발생하는 폐증기와 증기 발생기(112)로부터 발생한 증기를 선택적으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
도 3 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서 고열부를 고온 상태로 만드는 에너지원으로서 고온 증기를 이용하여 잠수함이 도시되어 있다.
수중 이동체가 실시예로서 잠수함(3)이 된 것을 제외하고는 에너지 공급 시스템(100)의 구성은 동일하다. 잠수함(3)의 선단부(10)에 고열부(20)가 형성되어, 증기 터빈(114)으로부터 증기 제어 장치(118)를 경유하여 공급되는 고온 증기에 의해 고열부(20)는 선단부(10)를 고온 상태로 만든다. 따라서 라이덴프로스트 현상에 의한 기체막이 형성된다. 이에 의해 잠수함(3)은 고속 운전이 가능하다.
도 4 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서 고열부를 고온 상태로 만드는 에너지원으로 연소가스를 이용하여 선박이 도시되어 있다.
도 4 를 참조하면, 공급되는 연소가스에 의해 라이덴프로스트 현상에 의해 기체막을 형성할 수 있는 고열부(20)가 선단부(10)에 형성된다. 고열부(20)는 내부로 고온의 연소가스가 유입되어 고온 상태가 된다.
에너지 공급 시스템(100)은 가스 터빈(140), 연소기(142)와, 압축기(144), 연소가스 제어장치(146) 및 정화 장치(150)를 포함한다.
가스 터빈(140)을 구동하기 위한 연소가스는 연소기(142)로부터 공급된다. 연소기(142)는 압축기(144)에서 압축된 공기를 제공받아 연료를 연소하면서 고온의 연소가스를 발생시키고, 발생된 고온의 연소가스는 가스 터빈(140)에 제공된다. 가스 터빈(140)은 발전기(130)와 연결된다. 가스 터빈(140)의 구동과 함께 발전기(130)에서 생산된 전기는 모터(132)를 구동시키며, 모터(132)가 샤프트를 통해 프로펠러(134)를 구동시킨다.
가스 터빈(140)의 연소가스 배출구는 정화 장치(150)와 관로로 연결되어 배출된 고온 가스는 정화장치(150)에서 정화되어 선박의 외측으로 배출된다.
가스 터빈(140), 연소기(142)와, 압축기(144) 및 정화장치(150)는 선박(2)의 프로펠러(134)를 구동하는 구동 시스템을 이룬다.
에너지 공급 시스템(100)은, 가스 터빈(140)의 연소가스 배출구와 관로를 통해 연결된 연소가스 제어장치(146)를 포함한다. 따라서 가스 터빈(140)에서 배출되는 연소가스는 연소가스 제어 장치(146)로 입력될 수 있다. 연소가스 제어장치(146)로 입력된 연소가스는 고열부(20)로 공급되어 고열부(20)를 고온 상태로 만든다.
도면에 도시되지 않았지만 각 관로에는 관로를 통하는 증기의 흐름을 제어할 수 있는 밸브가 설치된다.
연소가스 제어장치(146)는 고열부(20)로의 연소가스 공급을 제어하기 위해 설치된다. 연소가스 제어장치(146)는 고열부(20)로 제공되는 연소가스 용량과 온도를 제어한다. 고열부(20)에는 온도 센서(22)가 설치되고 연소가스 제어장치(146)는 상기 온도 센서(22)의 검출값을 이용하여 연소가스의 공급을 제어한다. 고열부(20)를 경유한 연소가스는 관로를 통해 정화장치(150)로 공급되어 정화된 후 배출된다.
이러한 구성에 의하여 선박의 동작을 살펴보면, 통상 운전의 경우에는 가스 터빈(140)의 연소가스는 정화 장치(150)를 통해 외부로 배출되고, 연소가스 제어장치(146)로의 연소가스 입력은 차단된다.
그러나 선박의 고속 운전이 필요한 경우, 가스 터빈(140)에서 배출된 연소가스는 연소가스 제어장치(146)를 통해 고열부(20)로 공급되고, 고열부(20)가 고온상태가 되도록 한다. 이러한 동작에 따라 고열부(20)가 고온 상태가 되는 경우 선박(2)의 선단부(10)의 표면에 접촉하는 바닷물이 순간적으로 기화되어 라이덴프로스트 현상에 의해 희박한 기체막이 형성된다.
본 발명의 변형 실시예로서, 연소가스 제어장치(146)는 연소기(142)로부터 연소가스를 입력받도록 구성될 수 있다. 그러나 가스 터빈(140)에서 발생하는 폐가스를 이용하는 것이 폐열 활용 측면에서 더 바람직하며, 가스 터빈(140)에서 발생하는 폐가스와 연소기(142)로부터 발생하는 연소가스를 선택적으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 수중 이동체의 실시예로서 고열부를 고온 상태로 만즈는 에너지원으로서 전기 에너지를 이용하는 선박을 도시하고 있다.
도 5 에 도시된 선박(2)은 증기 터빈 또는 가스 터빈과 같은 터빈(160)이 발전기(130)와 연결되고 터빈(160)의 구동에 따라 발전기(130)에서 전기가 발생한다. 발전기(130)에서 발생된 전기 의해 모터(132)가 구동되어 프로펠러(134)가 회전하도록 구동 시스템이 형성된다. 이러한 구동 시스템의 구성은 도 2 내지 도 4 에 도시된 바와 같다. 도 5 에 도시된 실시예의 선박(2)은 터빈(160)의 구동에 의해 발전기(130)에서 발생한 전기를 고열부(20)를 고온 상태로 만드는 에너지원으로 이용하는 시스템이다.
도면을 참조하면, 선단부(10)에 형성되는 고열부(20)는 내부로 열선(25)을 포함하여 공급된 전기 에너지에 의해 발열하는 발열체로 형성된다.
그리고 에너지 공급 시스템(100)은 상술한 터빈(160), 발전기(130) 및 전원 제어 장치(162)를 포함한다. 고열부(20)는 전원 제어 장치(162)를 매개로 발전기(130)와 연결된다. 전원 제어 장치(162)는 온도센서를 이용하여 열선(25)의 온도를 제어한다.
전원 제어 장치(162)에 의해 공급되는 연결된 열선(25)에 의해 발열하는 발열체로 형성된 고열부(20)가 라이덴프로스트 현상을 유도할 수 있는 고온 상태가 되면, 선단부(10)의 표면에 라이덴프로스트 현상에 의한 기체막이 형성된다.
이상에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였다. 그러나 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
1: 수중 이동체 2: 선박
3: 잠수함 10: 선단부
20: 고열부 100: 에너지 공급 시스템
112: 증기 발생기 114: 증기 터빈
116: 응축수 탱크 118: 증기 제어 장치
126: 과열기 130: 발전기
132: 모터 140: 가스 터빈
142: 연소기 114: 압축기
146: 연소가스 제어장치 150: 정화 장치
160: 터빈 162: 전원 제어 장치

Claims (5)

  1. 적어도 부분적으로 수중에 잠겨 이동하는 수중 이동체에 있어서,
    수중에서 돌출된 선단부에 상기 선단부 표면과 접촉하는 물과의 사이에 라이덴프로스트 현상에 의한 기체막을 형성하여 초공동이 발생할 수 있도록 고온이 형성 가능한 고열부; 및
    상기 고열부가 고온 상태가 되도록 에너지를 제공하는 에너지 공급 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 초공동 수중 이동체
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고열부는 고온 증기를 내부로 공급받아 가열되며,
    상기 에너지 공급 시스템은,
    고온 증기를 발생시키는 증기 발생기와, 상기 증기 발생기로부터 공급된 증기에 의해 구동하는 증기 터빈과, 상기 증기 터빈으로부터 배출되는 증기 및 상기 증기 발생기에서 발생한 증기 중 적어도 어느 하나를 입력 받아 상기 고열부에 공급되는 증기를 제어하는 증기 제어 장치와, 상기 증기 제어 장치와 상기 고열부 경로 사이에 설치되어 상기 증기 제어 장치로 입력된 증기를 승온하는 과열기를 포함하여, 상기 증기 제어 장치는 증기를 직접 상기 고열부에 제공하거나 상기 과열기를 경유하여 상기 고열부에 제공하는 것을 특징으로 하는 초공동 수중 이동체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고열부는 내부로 연소 가스를 공급받아 가열되며,
    상기 에너지 공급 시스템은,
    공기를 압축하는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 공기를 이용하여 연료를 연소하는 연소기와, 상기 연소기로부터 제공되는 연소가스에 의해 구동하는 가스 터빈과, 상기 가스 터빈으로부터 배출되는 연소가스 및 상기 연소가스에 발생한 연소가스 중 적어도 어느 하나를 입력받아 상기 고열부 내로 공급되는 연소가스를 제어하는 연소가스 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초공동 수중 이동체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고열부는 공급되는 전기 에너지에 의해 발열하는 발열체를 포함하여 가열되며,
    상기 에너지 공급 시스템은, 고온 증기 또는 연소 가스를 공급받아 구동하는 터빈, 상기 터빈에 연결되어 상기 터빈의 구동에 따라 구동하여 전기 에너지를 생산하는 발전기와, 상기 발전기로부터 상기 고열부로 제공되는 전기 에너지를 제어하는 전원 제어 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 초공동 수중 이동체.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 수중 이동체는 선박, 잠수함, 어뢰 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초공동 수중 이동체.
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