KR20220121467A - 에어백 인플레이터를 이용한 무폭약 수중 충격 시험 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어백 인플레이터를 이용한 수중충격시험에 관한 것이다. 기존 수중충격시험은 에어건을 이용하여 충격파를 형성하였으나 폭약에 비해 저주파에 집중되어 있는 단점이 있어, 다수의 에어백 인플레이터를 이용하여 넓은 영역의 주파수대를 갖는 수중 충격파를 형성하고자 한다.
또한, 이용되는 에어백 인플레이터는 다양한 초기 압력을 가질 수 있으며, 에어백 인플레이터가 고정 배치되는 그리드는 선체의 곡면에 대응되도록 형성될 수 있다. 실제 폭약 충격파를 모사하기 위해 평면파를 형성하도록, 선체와 에어백 인플레이터의 간격을 조절하며, 각 에어백 인플레이터에 발파시간을 조절하여 평면파를 형성할 수 있다.

Description

에어백 인플레이터를 이용한 무폭약 수중 충격 시험 장치 및 방법{Non-explosive Underwater Impact Test Devices and Methods Using Airbag Inflators}

본 발명은 수중 충격 시험 장치 및 방법에 대한 것으로, 더 자세하게는 선체의 생존성을 테스트하기 위해 수중에 떠 있는 선체에 충격파를 가하는 시험 장치 및 방법에 관한 것이다.

해군 함정에서 내충격 성능은 전투성능 유지 및 생존성 향상에 필수적으로 요구된다. 어뢰나 기뢰가 원거리에서 폭발 시 함정의 전투불능 사례는 대부분 함정 선체의 충격 손상보다는 주요 탑재 장비의 충격 손상에 기인하는 것으로 알려져 있다. 이러한 원거리에서 수중 폭발 시 함정의 내충격 성능은 시뮬레이션을 통해 활발히 연구되고 있으나, 미국, 유럽 등에서도 이러한 해석 결과를 통해서만 내충격 성능을 평가할 수 없기 때문에 실제 해상에서 고성능 폭약을 사용하여 건조된 함정을 충격시험을 통해 내충격 성능을 검증하고 있다. 그러나 실제 폭약을 사용한 실선 충격 시험은 많은 비용과 오랜 기간이 소요됨은 물론, 해양 오염과 생태계에 부정적인 영향을 미치며 인근 해역을 지나는 선박들과 시험요원들의 안전을 위협하는 문제가 있다.

이를 위해 영국 해군에서는 해저 자원탐사를 위한 인공 지진파를 발생하는 에어건 시스템을 활용하여 항만에서 함정에 대해 수중 충격 시험을 진행하고 있다. 에어건은 내부 압력 챔버 내 압축한 공기를 빠르게 방출하는 방식으로 수중에서 충격파를 발생시키며, 함정의 충격 시험이 가능할 수준의 충분한 충격량을 만들어 낼 수 있으나, 수중 충격 시험에 적합한 평면파를 만들기 어렵고, 에어건을 운용하기 위한 고압의 압축기 등 관련 장비가 매우 고가이며, 폭약에 비해 에어건은 수십 Hz의 주파수만을 가지기 때문에 에어건을 사용한 충격 시험의 경우 저주파 영역에서는 수중폭발로 인한 충격파와 비슷하지만, 그보다 높은 주파수 영역에서는 유사성이 떨어지는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일반 승용차에서 에어백을 부풀리는데 활용되는 하이브리드 방식의 에어백 인플레이터를 활용하여 경제적이고, 평면파에 가까우며, 더 넓은 영역의 주파수대를 갖는 수중 충격파를 만들어 무폭약 수중 충격 시험을 개선하는 것이다.

본 발명은 선체에 충격파를 가하는 에어백 인플레이터, 상기 에어백 인플레이터가 일정 간격으로 고정되고 상기 선체로부터 이격 배치되는 그리드, 상기 그리드를 수중에 배치하는 부이. 상기 부이를 고정하고, 상기 그리드와 상기 부이를 연결하는 계류선, 및 상기 에어백 인플레이터를 시간을 조절하여 상기 선체에 평면파 충격을 보내는 신호 지연기를 포함하고, 상기 다수의 에어백 인플레이터를 이용한 다수의 충격파로 인해 고주파영역의 충격파를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그리드는 상기 선체의 곡면에 대응하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그리드에는 2종이상의 에어백 인플레이터가 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어백 인플레이터에 의해 형성된 충격파를 측정하는 압력센서와 가속도 센서가 포함되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 그리드는 상기 선체와의 거리가 1m이내로 배치가 되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 선체의 곡면에 대응하는 그리드 제작 단계, 상기 그리드에 상기 에어백 인플레이터를 배치하는 배치단계, 상기 그리드는 선체로부터 일정 간격 이격 배치되는 설치단계, 및 상기 신호선에 의해 상기 에어백 인플레이터가 작동하여 선체 내의 센서로 충격파를 측정하는 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 배치 단계는 실제 폭약에 대응하는 충격파를 발생하고, 상기 선체에 평면파가 도달하도록 상기 그리드에 다수의 에어백 인플레이터를 계산하여 간격 배치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 다수의 에어백 인플레이터를 활용하여 수중 충격파를 발생시키면, 에어건으로 발생시켰을 때 보다 고주파 영역에서 실제 폭약과 유사한 수중 충격파를 발생시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 전체 구성도
도 2는 본 발명의 정면도
도 3은 도 2의 확대도
도 4는 그리드의 예시도
도 5는 에어백 인플레이터의 수에 따른 스트레인 그래프
도 6은 에어백 인플레이터와 그리드 결합 예시도
도 6은 제 2 실시 예
도 7은 거리 조절을 통한 평면파 형성 예시도
도 8은 시간 조절을 통한 평면파를 형성 예시도
도 9는 그리드가 선체에 이격 배치된 측면도

본 발명은 다수의 에어백 인플레이터를 활용하여 수중 충격파를 발생시키면, 기존의 시험 장치인 에어건으로 발생시켰을 때 보다 더 고주파에 가까운 수중 충격파를 발생시킬 수 있다. 참고로 고압의 가스를 압축시켰다가 고속으로 방출하는 방식으로 수중에서 수중 버블과 수중 충격파를 발생시키는 방식은 다음과 같이 거동한다.

최대 압력:

최대 압력 주파수 (frequency):

이때,

은 압축공기의 초기 압력,

는 압력용기의 부피,

는 에어건과 측정점의 거리이다. 또한, 일반적으로 에어건의 압력용기보다 에어백의 압력용기의 부피가 작기 때문에, 동일한 압력과 충격량을 주기 위해서는 다수의 에어백 인플레이터를 사용되어지며, 다수의 에어백 인플레이터를 배치함으로써 평면파에 가까운 수중 충격파가 시험의 대상이 되는 함정에 도달하기가 용이하다.

에어백 인플레이터는 다수의 차량에 사용되는 부품이므로 그 비용이 에어건에 비해서 1/1000 (에어백 인플레이터: 약 3~5만원, 에어건 시스템: 약 1.5억원) 수준으로 매우 저렴하다. 에어백 인플레이터를 발파하기 위한 전원 시스템도 고압의 전원이 아니기 때문에 전기신호를 다수의 에어백 인플레이터에 동시에 줄 수 있는 장치만 필요하기 때문에 매우 저렴한 장점이 있다.

본 발명은 커튼 에어백 인플레이터를 사용 할 수 있으며, 폭약의 대체 에너지원으로 가장 각광을 받고 있는 에어건의 작동방식과 같은 하이브리드 방식이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 대한 에어백 인플레이터를 이용한 무폭약 수중 충격 시험 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[1] 전체구성 및 동작원리

먼저, 도 1은 본 발명의 전체 구성도이다. 도 1을 참고하면, 차량에 사용되는 에어백 인플레이터(100)가 일정한 간격으로 그리드(200)에 배치된다. 그리드(200)는 충격파를 받는 대상인 선체(300)로부터 일정간격 이격되어 수중에 배치된다. 그리드(200)에 배치된 각각의 에어백 인플레이터(100)는 전기 신호선이 연결되며, 신호 발생기(400)의 신호를 받아 충격파를 형성하게 된다.

이때, 에어백 인플레이터(100)는 선체(300)와 간격을 약 1m이내에 배치될 수 있으며, 인근 해안 또는 항구에서 시험 진행이 가능하며, 이로 인해 폭약을 사용하는 위험성과 먼 바다로 나가야 하는 시간과 비용 면에서 효율적이다.

도 2는 본 발명의 정면도이다. 도 2를 참고하면, 에어백 인플레이터(100)가 그리드(200)에 일정한 간격으로 배치되어 있으며, 에어백 인플레이터(100)의 폭발로 인해 충격파(110)가 형성되어 선체(300)에 전달된다. 선체(300)로 전달된 충격파(110)는 측정부(310)를 통해 측정된다.

이때, 측정부(310)는 압력 센서와 가속도 센서로 구성되며 선체(300)로 전달된 충격파(110)를 측정하며, 측정된 데이터는 실제 폭약과 충격파 크기 및 주파수 영역별 크기 등을 비교하는데 사용될 수 있으며, 충격파의 주파수 분석을 통한 추가 실시를 모색할 수 있다. 그리드(200)는 수면에 떠 있는 부이(210)와 계류선(220)으로 연결되어 수중에서 선체(300)로부터 일정한 간격을 유지된다. 부이(210)는 물 위의 일정한 위치에 설치되는 부표이며 계류선(220)을 통해 일정한 곳을 벗어나지 못하도록 매어둔다.

도 3은 도 2의 확대도이다. 도 3을 참고하면, 에어백 인플레이터(100)는 그리드(200)에 수직으로 일정한 간격으로 설치된다. 이를 통해 에어백 인플레이터(100)가 충격파를 받는 선체로 수직으로 배치되며, 각 인플레이터(200)의 충격파가 중첩되어 폭약과 유사한 충격파가 형성된다. 이때, 에어백 인플레이터(100)를 그리드(20)에 수직으로 배치함으로써, 충격파가 방출되는 에어백 인플레이터(100)의 말단이 선체를 향하게 되고, 선체로부터 일정한 간격을 유지하게 된다.

도 4는 그리드의 예시도이다. 도 4를 참고하여 에어백 인플레이터와 그리드 배치를 예시로 설명한다. 그리드(200)는 사각 틀로 형성될 수 있으며, 내부에 가로, 세로 및 사선의 직선 또는 격자 형태의 구조를 포함할 수 있다. 그리드(200)의 한쪽 면에 다수의 에어백 인플레이터(100)가 수직으로 일정간격으로 배치된다.

이때, 그리드(200)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 각 에어백 인플레이터(100)는 폭발신호를 보내는 전기선이 연결되어지며, 단순한 공정을 통해 그리드 설치에 어려움이 없어 복수 실시에 용이하다. 예를 들어, 그리드에 나사 홈이 형성되어 에어백 인플레이터와 볼트체결이 되어 고정시킬 수 있으며, 전기 신호를 보내는 전기선을 연결하여 설치가 완료될 수 있다.

도 5는 에어백 인플레이터의 수에 따른 스트레인 그래프이다. 도 5를 참고하면, 에어백 인플레이터가 1개, 4개, 9개, 및 16개를 배열하여 실시하였을 때의 그래프이다. 에어백 인플레이터가 1개, 4개, 및 9개를 배열하여 발파하였을 때 선체에 도달하는 충격량이 적은 것을 확인 할 수 있으며, 16개의 에어백 인플레이터를 발파하였을 때, 충격파가 도달되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 16개 이상의 에어백 인플레이터가 그리드에 배치되어야 하며 에어백 인플레이터의 초기 압력에 따라 사용자의 필요에 수량 조절을 할 수 있다.

도 6은 제 2 실시 예이다. 도 6을 참고하면, 그리드(200)에 다양한 크기의 압력용기를 가진 에어백 인플레이터(100)가 배치되어 있다. 그리드(200)에 초기 압력 값이 다른 에어백 인플레이터(100)가 사용될 수 있으며, 상기 한 바와 같이 신호발생기를 통해 충격파를 중첩하여 선체로 폭약과 유사한 충격파가 도달되도록 한다.

또한, 사용되는 에어백 인플레이터(100)는 기존에 사용되는 차종과 사용 위치에 따라 다양한 압력 용기의 크기와 초기 압력을 고려하여 그리드(200)에 배치하도록 한다. 예를 들면, 자동차의 디스크 형의 에어백 인플레이터와 실린더형의 에어백 인플레이터 등을 이용할 수 있다.

도 7은 거리 조절을 통한 평면파 형성 예시도이다. 도 7을 참고하면, 다수의 에어백 인플레이터(100)는 그리드(200)의 한 면에 일정간격으로 수직 배치되며, 충격파(110)를 형성한다. 그리드(200)는 수면에 떠 있는 부이(210)와 계류선(220)에 연결되어 선체(300)로부터 일정간격을 유지된다.

이때, 각각의 에어백 인플레이터(100)에서 생성된 충격파(110)가 중첩되어 실제 폭약의 충격파와 유사한 크기가 형성되며, 충격파(110)는 선체(300)에 평면파가 도달되도록 에어백 인플레이터(100)와 선체(300)의 간격(H)이 조절된다. 평면파는 파면의 모양이 직선 또는 평면을 이루면서 진행하는 파동을 말하며, 멀리 퍼져 나가도 진폭에 거의 변함이 없는 것이 특징이다.

도 8은 시간 조절을 통한 평면파를 형성 예시도이다. 도 8을 참고하면, 다수의 에어백 인플레이터(100)는 그리드(200)의 한 면에 일정간격으로 수직 배치되며, 충격파(110)를 형성한다. 그리드(200)는 수면에 떠 있는 부이(210)와 계류선(220)으로 연결되어 선체(300)로부터 일정간격을 유지된다. 각각의 에어백 인플레이터(100)는 신호발생기(400)에 연결되어 있으며, 전기 신호를 통해 충격파(110)를 형성한다. 에어백 인플레이터를 발파하기 위한 전원 시스템이 고압의 전원이 아니기 때문에 저렴한 이점이 있다.

이때, 신호발생기(400)는 각각의 에어백 인플레이터의 작동 시간을 조절하여, 생성된 충격파(100)가 서로 중첩되어 선체에 평면파가 도달된다.

도 9는 그리드가 선체에 이격 배치된 측면도이다. 도 9를 참고하면, 에어백 인플레이터(100)가 그리드(200)에 일정한 간격으로 수직 배치된다. 그리드(200)는 수중에서 선체(300)로부터 일정간격 이격되며, 선체(300)의 곡면에 대응하도록 곡면으로 제작된다. 이에, 에어백 인플레이터(100)가 선체에 수직으로 배치가 될 수 있으며, 각각의 에어백 인플레이터(100)가 선체로부터 균일한 간격을 가지게 된다. 전기 신호를 통해 에어백 인플레이터(100)가 충격파를 생성하며 각각의 충격파가 중첩되고, 선체 표면 동시에 도달할 수 있는 평면파가 형성된다.

[2] 실험 실시 예

표 1은 두 개의 에어백 인플레이터의 충격파의 크기를 나타낸 데이터이다. 에어백 인플레이터의 개수에 대한 수중 충격파의 특성을 파악하기 위해서, 에어백 인플레이터 2개를 동일한 환경에서 발파하였다. AIRGUN (P.M.Krail, 2010)에서 발췌한 에어건을 군집해서 발파했을 경우 발생한 수중 충격파의 최대압력식이다.

최대 압력

여기서,

는 실험상수

는 압축가스의 초기압력,

는 압력용기의 부피,

는 발파 지점과 측정점 간의 거리를 의미한다. 실제 시험을 통해 얻어진 최대 압력값과 회귀(Regression)법을 이용하여 실험상수 K(0.157)를 구할 수 있다. 표 1을 참고하면, 실제 실험을 통해 얻어진 거리에 대한 최대 충격파 크기와 실험상수 K(0.157)을 대입한 이론 최대 충격파의 크기를 비교하였을 때, 최대 오차율은 약 17%이고, 오차율이 거리에 비례하여 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 동일한 환경에서 2개의 에어백 인플레이터 사이의 거리를 두어 중첩 발파하면서 거리가 멀어질수록 각 에어백 인플레이터에서 발생한 수중 충격파가 서로 중첩하여 평면파 형태로 퍼져나가는 특성에 기안한다. 이를 통해 에어백 인플레이터와 에어건에 의해 발생한 수중 충격파의 특성이 유사한 것을 확인할 수 있다.

Distance (m)	Actual peak pressure (kPa)	Theoretical peak pressure (kPa)
0.5	567.3	567.55
0.7	333.06	405.39
0.9	287.67	315.30

[3] 수중 충격 시험 방법

본 발명의 수중 충격 시험 방법을 설명하고자 한다. 아래의 설명은 제작단계, 배치단계, 설치단계, 및 측정단계로 구분하였다. 먼저, 제작단계는 그리드를 다각형 또는 원으로 형성하고, 내측에 수평 수직, 및 사선의 직선 또는 격자 형태의 구조물을 가지도록 제작된다. 제작단계 후 그리드의 한 면에 에어백 인플레이터를 수직 배치하는 배치단계를 거친다. 배치단계 후 설치단계는 선체 표면을 기준으로 에어백 인플레이터의 거리를 일정간격 이격되어 설치되며, 설치단계 후 에어백 인플레이터가 충격파를 생성하여 선체 내의 센서로 충격파를 측정하는 측정단계를 포함하고 있다.

이 때, 제작단계는 그리드가 지상에서 제작될 수 있으며, 다수의 그리드를 준비하여 복수 시험을 실시하는데 시간소모를 줄일 수 있다. 또한, 선체의 곡면에 대응하도록 곡면으로 제작되어진다. 다수의 에어백 인플레이터의 충격파에 견딜 수 있으며, 에어백 인플레이터 교체를 통한 복수 시험이 가능하도록 제작된다.

배치단계는 다양한 크기의 압력용기 및 초기 압력을 가지는 에어백 인플레이터를 배치할 수 있으며, 이에 따라 배치 간격을 조절할 수 있다. 에어백 인플레이터는 선체를 향하여 그리드의 한쪽 면에 배치가 되며, 그리드에 배치될 에어백 인플레이터의 수량과 위치를 계산하여 실제 폭약의 충격파에 대응하도록 배치한다. 또한, 각각의 에어백 인플레이터는 전기선이 연결되어 전류신호를 통해 작동된다.

설치단계는 에어백 인플레이터가 배치된 그리드를 계류선으로 수면에 떠 있는 부이와 선체에 연결되며, 수중에서 선체로부터 이격 배치된다. 에어백 인플레이터의 충격파가 서로 중첩되고 선체에 평면파가 도달하도록 에어백 인플레이터와 선체의 거리를 조절한다. 또한, 다수의 그리드를 이용하여 선체의 다양한 방향에서 충격파를 가하는 시험이 가능하다.

측정단계는 각각의 에어백 인플레이터에 연결된 전기선은 신호발생기에 연결되며, 신호 발생기가 전기 신호를 전달하면 충격파가 발생된다. 신호 발생기는 각각의 에어백 인플레이터의 작동시간을 제어하여 충격파가 중첩되어 평면파를 형성하도록 하며, 형성된 충격파는 선체 내의 압력 센서와 가속도 센서를 통해 측정된다.

본 발명은 상기한 실시예로 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 에어백 인플레이터
110 : 충격파
200 : 그리드
210 : 부이 220 : 계류선
300 : 선체
310 : 측정부
400 : 신호 발생기

Claims (7)

1. 선체에 충격파를 가하는 에어백 인플레이터;
   상기 에어백 인플레이터가 일정 간격으로 고정되고 상기 선체로부터 이격 배치되는 그리드;
   상기 그리드를 수중에 배치하는 부이;
   상기 부이를 고정하고, 상기 그리드와 상기 부이를 연결하는 계류선; 및
   상기 에어백 인플레이터를 시간을 조절하여 상기 선체에 평면파 충격을 보내는 신호 지연기;를 포함하고,
   상기 다수의 에어백 인플레이터를 이용한 다수의 충격파로 인해 고주파영역의 충격파를 형성하는 것을 특징으로 하는 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 그리드는 상기 선체의 곡면에 대응하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 그리드에는 2종 이상의 에어백 인플레이터가 설치되는 것을 특징으로 하는 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 에어백 인플레이터에 의해 형성된 충격파를 측정하는 압력센서와 가속도센서가 포함되는 것을 특징으로 하는 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 그리드는 상기 선체와의 거리가 1m이내로 배치되는 것을 특징으로 하는 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 장치.
   
6. 제 1항의 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 장치를 활용한 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 방법에 있어서,
   상기 선체의 곡면에 대응하는 그리드 제작 단계;
   상기 그리드에 상기 에어백 인플레이터를 배치하는 배치단계;
   상기 그리드는 선체로부터 일정 간격 이격 배치되는 설치단계; 및
   상기 신호선에 의해 상기 에어백 인플레이터가 작동하여 선체 내의 센서로 충격파를 측정하는 측정단계;
   를 포함하는 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 방법.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 배치 단계는 실제 폭약에 대응하는 충격파를 발생하고, 상기 선체에 평면파가 도달하도록 상기 그리드에 다수의 에어백 인플레이터를 계산하여 간격 배치하는 것을 특징으로 하는 에어백 인플레이터를 이용한 수중 충격 시험 방법.

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