KR20230137609A - 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법 - Google Patents

적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법 Download PDF

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KR20230137609A
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wind tunnel
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signal reduction
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조용진
박종천
윤석태
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동의대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 실제 추진기관을 모사하는 열풍동 시험 장치를 이용하여 적외선신호 감소장치에 대한 질량 유량과 온도를 포함하는 물리적 신호를 정확하게 계측하고 해석하여 열풍동 시험의 정밀성 및 신뢰성을 제공할 수 있는 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 측정장치 장착하우징의 중심을 동심원으로 하여 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 피토튜브를 배치하되, 측정장치 장착하우징의 중심점을 기준으로 방사상으로 동일한 면적으로 복수 분할하고, 복수의 동일 분할 면적부 중에서 소정 지점의 면적부에 피토튜브의 압력 측정 포인트가 위치되고 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 복수 배치시켜서 피토튜브에서 계측된 신호를 전달받아 전기 신호로 변환하는 압력계에서 변환된 값을 전달받는 퍼스널컴퓨터의 질양유량 계산부에서 질량유량을 계산하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법이 제공된다.

Description

적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법 {TEST METHOD OF HEAT WIND TUNNEL FOR INFRARED SUPPRESSION SYSTEM}
본 발명은 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 실제 추진기관을 모사하는 열풍동 시험 장치를 이용하여 적외선신호 감소장치에 대한 질량 유량과 온도를 포함하는 물리적 신호를 정확하게 계측하고 해석하여 열풍동 시험의 정밀성 및 신뢰성을 제공할 수 있는 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 관한 것이다.
지구상에 존재하는 모든 물체는 절대온도 0K 이상일 때 복사 에너지를 방출하게 된다.
일반적으로 적외선 영역은 0.7~100 에 해당되며, 여기에서 적외선 신호 저감을 위해 관심 있는 파장영역은 중적외선 영역(MidWaveInfraRed, 3~5 ) 및 원적외선 영역(LongWave-InfraRed, 8~12 )이다. 상기 두 영역에서 방출되는 적외선 신호의 경우 대기에 의한 감쇠효과(대기 흡수도, absorptance)가 매우 작게 나타나기 때문이다.
따라서, 물체에서 방출되는 중적외선 영역 및 원적외선 영역에서의 적외선 신호를 효과적으로 탐지할 수 있는 방법과 이에 대응하는 개념으로 물체에서 방출되는 적외선 신호를 효과적으로 저감하는 방법에 대한 관심이 높아지고 있는 실정이다. 특히 군용장비의 경우 적외선 신호를 저감시키는 스텔스 기능에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
예를 들면, 함정의 적외선 스텔스 기술은 적외선 탐지·추적 장비에 의한 적외선 신호탐지를 방지하기 위하여 선체 표면에서 방출되는 적외선 신호를 최소화하는 기술이다. 이 기술의 기본원리는 함정에서 방출되는 적외선 신호를 저감하여 주변 환경과의 대비를 줄이는 것이다.
함정의 적외선 신호는 함정의 내부와 외부에서 발생할 수 있으며, 예를 들어 엔진 및 장비의 발열, 배기가스의 열, 주변 환경에 의한 선체가열 등으로 인해 적외선 신호가 방출된다.
이 중에서 특히 배기가스에 의해 발생되는 적외선 신호로 인한 피탐지 가능성이 가장 높기 때문에 배기가스 적외선 저감을 위한 기술개발의 필요성이 가장 높다. 이를 감안하여 개발된 IRSS(Infrared Signature Suppression System)는 함정에서 발생하는 배기가스 온도를 저감하여 주변 환경과 대비를 줄여 함정 피탐지 능력을 개선한다.
그러나 종래에는 실제 추진기관을 계획하고 설계함에 있어, 예를 들면 함정의 적외선 신호의 피탐지 능력을 위해 설치되는 적외선 신호감소 장치에 대한 성능을 정확하게 계측하기 위한 시험 장치 또는 실험 장치가 전무한 상황이며, 이에 대한 대안과 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 공개특허공보 10-2014-0017153(2014.02.11. 공개) 대한민국 등록실용신안공보 20-0312618(2003.05.12. 공고) 대한민국 등록특허공보 10-2208493(2021.01.27. 공고)
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 실제 추진기관을 모사하는 열풍동 시험 장치를 이용하여 적외선신호 감소장치에 대한 질량 유량과 온도를 포함하는 물리적 신호를 정확하게 계측하고 해석하여 열풍동 시험의 정밀성 및 신뢰성을 제공할 수 있는 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 열추진 기관의 적외선신호를 저감시키는 적외선신호 감소장치의 열풍동을 시험하기 위한 방법으로서, 배기가스를 발생시키도록 구성되는 모형 추진기관 장치부와, 일단부가 상기 모형 추진기관 장치부의 배기가스 출구 측에 연결되는 연결 덕트와, 일단부가 상기 연결 덕트 부재의 타단부에 연결되는 측정장치 장착하우징, 및 상기 측정장치 장착하우징에 장착되어 상기 모형 추진기관 장치부에서 배출되는 배기가스의 질량유량을 측정하도록 구성되는 질량유량 측정 장치부를 포함하는 열풍동 시험 장치를 이용하고, 상기 질량유량 측정 장치부는 상기 측정장치 장착하우징의 중심을 동심원으로 하여 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 피토튜브를 배치하되, 상기 측정장치 장착하우징의 중심점을 기준으로 방사상으로 동일한 면적으로 복수 분할하고, 복수의 동일 분할 면적부 중에서 소정 지점의 면적부에 상기 피토튜브의 압력 측정 포인트가 위치되고 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 복수 배치시켜서 상기 피토튜브에서 계측된 신호를 전달받아 전기 신호로 변환하는 압력계에서 변환된 값을 전달받는 퍼스널컴퓨터의 질양유량 계산부에서 질량유량을 계산하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법이 제공된다.
본 발명에 있어서, 상기 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법은 장치 하우징과, 상기 장치 하우징의 일단부에 구비되는 송풍 장치와, 상기 장치 하우징의 내부 일측에 구비되어 송풍되는 공기를 가열하는 가열기와, 상기 장치 하우징의 내부 타측에 구비되어 가열 공기가 균일한 유동 흐름으로 흐르도록 하는 블레이드, 및 상기 장치 하우징의 외부 일측에 구비되어 상기 송풍 장치의 팬 속도와 가열기의 온도를 조절하도록 구성되는 제어반을 포함하는 상기 모형 추진기관 장치부를 이용하며, 상기 측정장치 장착하우징이 상기 연결 덕트의 내경과 동일한 직관으로 형성되도록 하여 실행될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 복수의 동일 분할 면적부는 8개로 분할되며, 상기 피토튜브의 압력 측정 포인트는 세번째의 분할 면적부에 위치되고, 둘레방향으로 30°의 간격을 갖고 12개로 구비되도록 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서, 상기 퍼스널컴퓨터의 질량유량 계산부는 아래의 식으로 질량유량을 계산할 수 있다.
(여기서, Q는 질량 유량(kg/s), A는 면적, V는 속도, ρ는 밀도, i는 분할 면적부)
본 발명에 있어서, 상기 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서, 상기 열풍동 시험 장치는 상기 측정장치 장착하우징의 배기가스 출구 측에 열유동 해석용 장치부를 구비시켜 배기가스의 열유동을 해석하도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 열유동 해석 장치부는, 일단부가 상기 측정장치 장착하우징의 배기 측 단부에 연결되어 배기가스에 난류 유동을 형성시키도록 구성되는 이덕터와, 일단부가 상기 이덕터의 타단부에 간격을 갖고 구비되며, 배기가스와 주변 공기가 혼합되도록 믹싱시키는 믹싱 튜브와, 상기 믹싱 튜브의 타단부에 구비되며, 외기와 내기의 압력차를 이용하여 공기 필름을 형성하는 디퓨져와, 상기 디퓨져에 구비되어 디퓨져의 표면온도를 계측하는 열전대 센서, 및 상기 이덕터와 믹싱 튜브 및 디퓨져를 열화상 촬영하는 열화상 시스템을 포함하고, 상기 믹싱 튜브는 배기가스의 흐름을 기준으로 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 직경이 감소하는 축관부, 및 상기 축관부의 끝단과 동일 직경을 갖고 형성되는 직관부를 포함하고, 상기 디퓨져는 배기가스 흐름 방향 측으로 갈수록 단계적으로 직경이 큰 복수의 직관으로 형성되되, 이웃하는 직관은 소정 폭 중첩되게 구비되며, 중첩부에 외부와 연통되는 간극이 형성되어 구성되며, 상기 열전대 센서는 상기 디퓨져의 직관 각각의 전방단부와 후방단부에서 10mm의 거리를 두고 구비되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 본 발명은 실제 추진기관과 유사한 성능을 발휘할 수 있는 열풍동 시험 장치를 통하여 적외선신호 감소장치의 물리적 신호를 정확하게 계측하고 해석할 수 있는 시험 방법을 제공함으로써 실제 추진기관 및 그의 적외선신호 감소장치의 설계성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 특정의 측정 구조를 통하여 열풍동 시험의 정밀성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 모형 추진기관 장치부를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 질량유량 측정장치부의 피토튜브의 일 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 질량유량 측정 장치부의 피토튜브의 배치 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 열유동 해석용 장치부의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 열유동 해석용 장치부의 이덕터를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치를 촬영한 사진으로, 이덕터와 디퓨져의 구성부들을 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 피토튜브의 압력 신호를 전기적 신호로 변환하여 디지털 자료를 저장하는 장치의 시간에 따른 안정화 전후의 계측 자료를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열풍동 시험 장치의 송풍 장치를 가동하고 16Hz, 32Hz, 48Hz로 설정하여 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 평균과 표준편차를 계산한 후 정량적인 계측 결과를 정리한 테이블이다.
도 11은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열전대 센서의 신뢰성 평가 실험을 가시화 한 실제 구성을 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열화상 시스템을 통해 얻은 열전대 센서의 테스트 이미지를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 표면 온도 계측 센서와 8 케이스(case)의 열전대 시편의 시간에 따른 온도 계측 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 공기를 이루고 있는 분자들의 흡수율에 따른 투과율의 비율인 대기 투과 효과를 나타내는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 이상기체 상태 방정식과 레이놀즈 수 계산식 및 시험 장치의 시험 조건을 이용하여 계산한 결과를 나타내는 테이블이다.
도 16은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 8개로 분할한 면에서 각각의 질량유량을 계산한 결과를 나타내는 테이블이다.
도 17은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 질량유량의 계측 결과를 가시화하여 나타내는 도면이다
도 18은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 실험 횟수에 따른 속도와 온도에 대한 분포를 가시화하여 나타내는 도면이다.
도 19는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열풍동 시험 장치의 시험을 위해 셋팅을 수행하고 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 20은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열풍동 시험 장치의 가열장치의 온도를 450℃로 조절하여 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 냉각식 탐지 센서를 사용하는 중적외선 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 22는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 비냉각식 탐지 센서를 사용하는 원적외선 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 23 및 도 24는 각각 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 배기가스의 조성 분자에 대한 파장에 따른 방사율을 나타내는 도면이다.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 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.
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 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "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, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 전체 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 모형 추진기관 장치부를 나타내는 구성도이며, 도 3은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 질량유량 측정장치부의 피토튜브의 일 실시 예를 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 질량유량 측정 장치부의 피토튜브의 배치 구조를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 열유동 해석용 장치부의 구성을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치의 열유동 해석용 장치부의 이덕터를 나타내는 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치를 촬영한 사진으로, 이덕터와 디퓨져의 구성부들을 촬영한 사진이다.
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법은 열추진 기관에 설치되어 적외선신호를 저감시키는 적외선신호 감소장치의 열풍동 시험 장치를 이용하며, 이러한 열풍동 시험 장치의 구성에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치는, 도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 크게 모형 추진기관 장치부(100); 연결 덕트(200); 측정장치 장착하우징(300); 질량유량 측정 장치부(400); 및 열유동 해석용 장치부(500);를 포함한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 이용되는 열풍동 시험 장치는, 도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 고온의 배기가스를 발생시키도록 구성되는 모형 추진기관 장치부(100); 일단부가 상기 모형 추진기관 장치부(100)의 배기가스 출구 측에 연결되는 연결 덕트(200); 일단부가 상기 연결 덕트 부재(200)의 타단부에 연결되는 측정장치 장착하우징(300); 상기 측정장치 장착하우징(300)에 장착되어 상기 모형 추진기관 장치부(100)에서 배출되는 배기가스의 질량유량을 측정하도록 구성되는 질량유량 측정 장치부(400); 및 상기 측정장치 장착하우징(300)의 배기가스 출구 측에 구비되어 배기가스의 열유동을 해석하는데 이용되도록 구성되는 열유동 해석용 장치부(500);를 포함한다. 본 발명에서 상기 열유동 해석용 장치부(500)는 필수 구성부가 아니며, 선택적으로 더 포함할 수 있는 구성부이다.
상기 모형 추진기관 장치부(100)는 고온의 배기가스를 발생시키는 구성부로서, 실제 추진기관과 유사하게 성능을 발휘 할 수 있게 구성되는 장치부이다.
구체적으로, 상기 모형 추진기관 장치부(100)는 장치 하우징(110)과, 상기 장치 하우징(110)의 일단부에 구비되어 바람을 발생시키는 송풍 장치(120)와, 상기 장치 하우징(110)의 내부 일측(공기 흐름을 기준으로 상류 측)에 구비되어 송풍되는 공기를 가열하는 가열기(burner)(130)와, 상기 장치 하우징(110)의 내부 타측(공기 흐름을 기준으로 하류 측)에 구비되어 가열기에 의해 가열되어 흐르는 유체(공기)를 균일한 유동 흐름으로 흐르도록 하는 블레이드(140), 및 상기 장치 하우징(110)의 외부 일측에 구비되어 상기 송풍 장치(120)의 팬 속도와 가열기(130)의 온도를 조절하도록 구성되는 제어반(미도시)을 포함한다.
상기 장치 하우징(110)는 실제 추진장치에서 배기가스의 흐름(열풍)이 구현될 수 있는 형상으로 형성되는 구성부이다.
구체적으로, 상기 장치 하우징(110)은 일단에서 타단으로 갈수록 직경(내경)이 증가하게 형성되는 확관부(111)와, 직경(내경)이 상기 확관부(111)의 연장단(타단) 직경과 동일하게 형성되어 일단부가 상기 확관부(111)의 연장단에 결합되는 직관부(112), 및 일단에서 타단으로 갈수록 직경(내경)이 감소하게 형성되어 일단부가 상기 직관부(112)의 타단에 결합되는 축관부(113)를 포함한다.
상기 축관부(113)의 타단에는 그 축관부(113)의 타단 직경과 동일한 직경을 갖는 연결 덕트(200)가 결합된다.
상기한 모형 추진기관 장치부(100)는 예를 들면 국내외 함정 추진기관에 많이 사용되고 있는 General Electric 사의 LM2500 가스 터빈 모델을 기준으로 소정 비율의 축소 스케일(scale) 규모를 갖고 구성된다.
계속해서, 상기 측정장치 장착하우징(300)은 일단부가 상기 연결 덕트 부재(200)의 타단부에 연결되며, 아래에서 설명될 질량유량 측정장치부(400)가 특정 배치 구조로 설치되는 구성부이다.
구체적으로, 상기 측정장치 장착하우징(300)은 상기 연결 덕트(200)의 직경(내경)과 동일하거나, 그보다 약간 작거나 큰 직관 하우징으로 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 질량유량 측정 장치부(400)는 상기 측정장치 장착하우징(300)에 장착되어 상기 모형 추진기관 장치부(100)에서 배출되는 배기가스의 질량유량을 측정하도록 구성되는 구성부이다.
상기 질량유량 측정 장치부(400)는 상기 측정장치 장착하우징(300)의 중심을 동심원으로 하여 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 구비되어 유체의 압력과 온도의 물리적 신호(압력값과 온도값)를 계측하는 피토튜브(410)와, 상기 피토튜브(410)에서 계측된 물리적 신호를 전달받아 전기 신호로 변환하는 압력계(미도시), 및 상기 압력계에서 변환된 값을 전달받아 질량유량을 계산하는 질량유량계산부를 포함하는 퍼스널컴퓨터(PC)(미도시)를 포함한다.
상기 피토튜브(410)는 그의 압력 측정 포인트(pressure measurement point)(411)이 측정유닛 장착하우징(300)의 관내 유동 흐름과 평행한 방향으로 배치된다. 도면부호 412는 전압 측정부(total pressure connection)이고, 413은 정압 측정부(statics pressure connection)이며, 414는 서모커플(thermocouple connection)이다.
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법은 열풍동 시험 장치에 포함되는 상기 피토튜브(410)가 측정장치 장착하우징(300)에 구비됨에 있어, 측정장치 장착하우징(300)의 횡단면적(즉, 측정장치 장착하우징(300)의 반경방향으로의 면적)을 그 중심점을 기준으로 방사상으로 동일한 면적으로 복수 분할하고, 복수의 동일 분할 면적부(도 4에서 환형의 A1 내지 A8) 중에서 소정 지점의 면적부에서 피토튜브(410)의 압력 측정 포인트(411)가 위치되고, 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 복수 배치되도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서, 상기 동일 분할 면적부는 8개로 분할되고, 상기 피토튜브(410)의 압력 측정 포인트(411)는 중심으로부터 두번째 분할 면적부인 A2 또는 세번째 분할 면적부인 A3에 위치되도록 한다. 도면에서 상기 피토튜브(410)의 압력 측정 포인트(411)는 두번째 분할 면적부인 A2에 위치되는 것을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서, 상기 피토튜브(410)는 해당 분할 면적부(A2)에서 둘레방향으로 30°의 간격을 갖고 12개로 구비되도록 한다.
이러한 피토뷰브(410)의 배치와 개수와 관련하여 본 발명의 발명자는 관내 유동에 대한 시뮬레이션을 수행하고 면적 분할수와 위치에 따른 질량 유량 오차율을 계산하고 피토튜브의 물리적 계측한계선을 기초하여 보다 정확안 계측을 얻을 수 있었음을 확인하였다.
계속해서, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법은, 상기 퍼스널컴퓨터의 질량유량계산부에서 압력계(공지의 구성 채용)에서 변환된 값을 전달받아 질량유량을 유량 방정식과 이상기체 상태방정식을 통해 계산하도록 이루어진다.
여기서 Q는 질량 유량으로 단위는 kg/s이며, A와 V는 각각 면적과 속도이다. 그리고 구분구적법을 이용한 질량 유량을 계산하기 위해서는 다음 식을 사용한다. 이때, 피토튜브(410)가 위치되는 측정장치 장착하우징(300)의 횡단면적(즉, 측정장치 장착하우징(300)의 반경방향으로의 면적)은 그 중심점을 기준으로 방사상으로 8개의 동일한 면적으로 분할되어 있다.
여기서 로 계산할 수 있으며, 속도와 밀도는 12(ch1 ~ ch12)개의 계측점에서 획득한 값을 평균하여 사용하며, 그 식은 다음과 같다.
따라서, 질량 유량 계산을 위한 최종 식은 다음 식을 통해 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 상기 측정장치 장착하우징(300)의 배기가스 출구 측에 구비되는 열유동 해석용 장치부(500)를 통해 배기가스의 열유동을 해석하도록 이루어진다.
상기 열유동 해석 장치부(500)는 일단부가 상기 측정장치 장착하우징(300)의 타단부(끝단부)에 연결되어 배기가스에 난류 유동을 형성시키도록 구성되는 이덕터(eductor)(510)와, 일단부가 상기 이덕터(510)의 타단부에 간격을 갖고 구비되며, 배기가스와 주변 공기가 혼합되도록 믹싱시키는 믹싱 튜브(520)와, 상기 믹싱 튜브(520)의 타단부에 구비되며, 외기와 내기의 압력차를 이용하여 공기 필름을 형성하는 디퓨져(530), 상기 디퓨져(530)의 표면온도를 정량적으로 계측하는 열전대 센서(540), 및 상기 이덕터(510)와 믹싱 튜브(520) 및 디퓨져(530)를 열화상 촬영하는 열화상 시스템(미도시)을 포함한다.
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 상기 열풍동 시험 장치의 이덕터(510)는 상기 측정장치 장착하우징(300)의 타단부(끝단부)에 연결되어 배기가스에 난류 유동을 형성시키도록 구성되는 구성부로서, 통상적으로 고온의 배기가스(폐기가스)를 배출하는 추진기관의 말단부에 구비되는 이덕터로 구성하는 것이 바람직하다.
예를 들면, 상기 이덕터(510)는 도 5에 나타낸 바와 같이 끝단의 단면 형상에 있어서 상하좌우의 4개의 변부(511)가 소정 곡률과 길이를 갖고 형성되고, 4변의 양단을 잇는 4군데의 각 모서리부(512)가 반원 형태로 돌출된 로브(lobe) 타입으로 형성된다. 이러한 이덕터(510)는 이미 수많은 국내외 함정에 적용되고 타입의 형태이다.
계속해서, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 상기 열풍동 시험 장치의 믹싱 튜브(520)는 상기 이덕터(510)의 배기가스 배출 측에 간격을 갖고 구비되어 배기가스와 주변 공기가 혼합되도록 믹싱시키도록 구성되는 구성부로서, 배기가스의 흐름을 기준으로 일측(상류 측)에서 타측(하류 측)으로 갈수록 직경이 감소하는 축관부(521), 및 상기 축관부(521)의 끝단과 동일 직경을 갖고 형성되는 직관부(522)를 포함하도록 구성한다.
다음으로, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법은, 열풍동 시험 장치의 디퓨져(530)가 후방 측(배기가스 흐름 방향 측)으로 갈수록 단계적으로 직경이 크고, 길이가 짧은 복수의 직관(제1 내지 제4 직관)(531)으로 형성되되, 각각의 직관은 앞측 직관의 후단부에 소정 폭 중첩되게 구비되며, 중첩부에 외부와 연통되는 간극(Gap)이 형성되도록 구성되는 것을 이용한다.
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서, 상기 디퓨져(530)는 4개의 직관으로 형성되고, 상기 간극에서 배기가스가 내부와 주변 외부 공기와의 압력 차이를 생성시켜 공기필름을 유발하도록 하는 것이다.
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법은, 상기와 같이 복수의 직관(531)으로 구성되는 디퓨져(530)에서 내경과 길이를 다르게 하여 구성함으로써 적외선 신호저감 장치의 구조적 안정성을 고려하여 다르게 한 것이다.
계속해서, 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열풍동 시험 장치의 열전대 센서(540)는 상기 디퓨져(530)의 표면온도를 정량적으로 계측하기 위한 구성부로서, 디퓨져(530)의 직관(531) 각각의 전방단부와 후방단부에서 10mm의 거리를 두고 0도와 30도를 이루면서 구비되도록 한다.
상기 열화상 시스템(미도시)은 물체의 에너지 분포와 온도를 비접촉으로 계측하여 실시간 열화상 영상으로 가시화하고, 열에너지 분포를 계측하는 공지의 장비를 채용하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 발명자는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 대한 신뢰성 평가를 위한 테스트를 실시하였다.
신뢰성 평가
실험 조건 및 절차
본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법을 사용하여 얻은 결과는 유사한 환경과 조건에서 반복실험을 통해 계측 결과의 정밀성과 신뢰성을 확보해야 한다. 본 발명의 발명자는 다양한 계측 기기를 사용하여 비교 물리 대상인 유체의 온도와 압력 그리고 표면 온도의 계측 신뢰성 평가 실험을 실시하였다.
피토튜브(410)를 통해 계측되는 유체의 온도와 압력은 전기적 신호로 변환되어 디지털 신호로 저장된다. 디지털 변환 장치들은 기기마다 초기 고유 설정값을 갖고 있으며, 별도의 전력을 공급해 주어야 작동된다. 그리고 별도로 공급된 전력은 시간에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변화는 교류이므로 불안정한 신호 변동이 발생한다. 이에 따라 피토튜브로 계측되는 압력은 디지털 변환 장치들의 안정화 작업 이후에 신뢰성 평가 실험을 수행하였다.
신뢰성 평가 실험에서 모형 추진기관 장치부(100)의 가열기(130)는 사용하지 않았고 오직 송풍 장치(120)의 회전수만 조절하여 신뢰성 평가 실험의 조건을 설정하였다. 그리고 피토튜브(410)와 디지털 변환 기기들의 수는 총 12 세트로 결선 및 배선작업을 통해 물리 신호를 계측할 수 있도록 구성하였으며, 피토튜브(410)는 시험 장치 출구 끝에 별도의 지그를 이용하여 설치하였다.
실험은 12개의 피토튜브(140)를 각각 중앙으로 이동하여 약 100초 동안의 압력을 계측하였으며, 송풍 장치(120)의 회전수는 16Hz, 32Hz, 48Hz로 조절하였다.
실험 결과
도 8은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 피토튜브(410)의 압력 신호를 전기적 신호로 변환하여 디지털 자료를 저장하는 장치의 시간에 따른 안정화 전후의 계측 자료를 나타내는 그래프로서, Ch1과 Ch12 까지는 각각 피토튜브 1에서 12번까지 대응하는 것으로 교정 전 각각의 센서 고유 설정값이 다르다는 것을 확인할 수 있다(도 8의 Before offset). 따라서 고유 설정값을 계측하고 평균값을 계산하여 보정을 수행하였으며, 교정 후 12개의 계측기의 평균 압력이 0으로 유지되는 것을 확인 할 수 있다(도 8의 After offset).
도 9는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열풍동 시험 장치의 송풍 장치(120)를 가동하고 16Hz, 32Hz, 48Hz로 설정하여 계측한 결과를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 평균과 표준편차를 계산한 후 정량적인 계측 결과를 정리한 표로서, 피토튜브로 계측한 압력 결과는 속도로 변환하여 그림과 표에 반영하였다. 도 9에 나타낸 바와 같이 송풍 장치의 회전수가 증가할수록 속도와 온도도 함께 증가하는 것을 확인 할 수 있었다.
속도와 온도 그리고 송풍 장치의 회전수에 대해 각각 분석해 보면 속도의 경우 송풍 장치의 회전수가 16Hz, 32Hz 그리고 48Hz로 증가할 경우 12개의 지점에서 최대와 최소의 차이는 각각 0.4m/s, 0.6m/s 그리고 0.7m/s의 차이를 보였다. 이 결과는 송풍 장치의 회전수가 증가할 경우 최대와 최소의 차이가 증가한다는 것이다. 하지만 도 10의 표를 참고해 보면, 각각의 회전수에 대해 최소값을 기준으로 상대 비율을 계산할 경우 16Hz, 32Hz 그리고 48Hz에서 평균 오차율이 2.1%, 1.5% 그리고 0.9%로 감소했다. 이러한 결과는 16Hz에서 계측한 속도를 48Hz의 결과와 비교하였을 때 상대적으로 48Hz의 속도 결과가 큰 속도 결과가 계산되어 나타난 것이다. 따라서 정량적인 속도의 차이는 증가하지만, 상대적인 오차율의 차이는 송풍장치의 회전수가 증가할수록 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다.
이와 마찬가지로 온도의 계측 결과의 경우 송풍장치의 회전수가 16Hz, 32Hz 그리고 48Hz로 증가할 경우 12개의 지점에서 최대와 최소의 차이는 각각 1.4℃, 2.7℃ 그리고 2.4℃의 차이를 보인다. 이러한 결과는 송풍장치의 회전수가 증가할수록 송풍장치 내부의 기계적 마찰 에너지가 증가하여 온도가 상승한 것으로 판단되었다. 또한, 온도 차이는 밀도에 직접적 영향을 주는데 이는 매우 미미한 것으로 계산되었다.
도 11은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열전대 센서의 신뢰성 평가 실험을 가시화한 실제 구성을 촬영한 사진이고, 도 12는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열화상 시스템을 통해 얻은 열전대 센서의 테스트 이미지를 나타내는 도면이다. 도 11에서 좌측 열화상 시스템, 가열판 시스템, 휴대형 데이터 측정기 그리고 8 case의 열전대 시편을 확인 할 수 있다. 그리고 도 12에 나타낸 바와 같이, 가열판 시스템의 열에너지 분포 형태를 살펴보면 열전대 센서를 부착한 시편을 확인 할 수 있으며 가열판의 바깥 부분으로 갈수록 온도 값이 중앙 영역보다 낮아지는 것을 확인 할 수 있다.
도 13은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 표면 온도 계측 센서와 8 case의 열전대 시편의 시간에 따른 온도 계측 결과를 나타내는 그래프이다. 기준이 되는 온도 센서의 경우 약 91℃ 정도 온도가 유지되는 것을 확인 할 수 있으며, 와이어를 꼬아놓지 않고 와이어 끝을 결합한 후 시편에 용접 부착한 case 8의 결과가 가장 민감도가 높고 기준이 되는 온도 결과와 근접한 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 열전대 센서는 신뢰성 평가 실험을 통해 얻은 방법을 이용하여 디퓨져 표면에 용접 부착하여 실험을 수행하였다.
다음으로, 본 발명의 발명자는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법의 성능 평가에 대한 시험을 실시하였다.
성능 평가 기준 조건
성능 시험 평가의 목적은 군 요구 조건에 맞추어 설계 및 제작된 IRSS의 성능을 확인하는 것이다. 성능 평가 사항은 첫째 엔진에 부하되는 역압(back pressure)이다. 이는 엔진으로부터 장비로 유입되는 입구부에 유동량(mass flow)을 고려한 평균 정압을 계측하여 기준치를 만족하는지 확인한다. 둘째, 디퓨져 금속 표면 온도(metal temperature)이다. 이는 IRSS의 각각의 디퓨져의 평균 온도를 계측하여 Tambient + 30℃ 이하를 만족시키는 것이다. 셋째, 폐기가스의 온도(plume temperature)이다. 이는 IRSS의 유동량을 고려하여 평균 폐기가스 온도를 계측하여, 주변 기준온도(38℃)에서 폐기가스의 평균온도를 250℃ 이하로 낮추는 것이다. 이 조건은 적외선 신호의 대기 투과 효과 및 복사에너지의 특성을 기반으로 설정된 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법의 성능 평가에서 공기를 이루고 있는 분자들의 흡수율에 따른 투과율의 비율인 대기 투과 효과를 나타내는 그래프로서, 적외선 대역을 분류할 때 대기 투과율이 높은 영역을 선정하여 일반적으로 함정의 적외선 신호는 3-5㎛ 대역을 중적외선 그리고 8-12㎛ 대역을 원적외선으로 분류한다. 그리고 복사에너지의 세기는 온도와 파장에 대한 함수로 표현 할 수 있으며, 다음의 식 (1) 을 따른다.
(1)
여기서, E는 에너지의 세기, λ는 파장, T는 절대온도, π는 원주율, h는 Planck 상수, Co는 빛의 속도 그리고 k는 Boltzmann 상수이며 복사에너지의 W/m2·㎛의 단위를 갖는다. 그리고 위의 식을 계산하기 위한 각의 상수들은 다음 식과 같다.
(1.1)
(1.2)
(1.3)
그리고 일정한 온도를 갖는 물체에서 방사되는 복사량은 전체 파장에 대해 식 (1)을 적분하여 얻을 수 있는데 이를 스테판-볼츠만(Stefan-Boltzmann law) 법칙이라 하고 다음 식 (2)로 표현 할 수 있다.
(2)
(2.1)
여기서, σ는 Stefan-Boltzmann 상수로 식 (2.1)으로 나타나며, Planck 상수, Boltzmann 상수, 빛의 속도를 이용하여 계산할 수 있다. 식 (2)를 통해 온도가 소폭 상승해도 흑체복사 강도는 온도에 4제곱으로 증가하는 것을 알 수 있으며 이 식의 단위는 W/m2이다.
물체에서 방사된 복사에너지는 파장에 따라 연속적으로 변하고 그 크기는 온도가 증가할수록 증가하지만 에너지 밀도가 가장 큰 파장과 온도와의 관계는 반비례이다. 즉 온도가 증가할수록 짧은 파장에서 더 많은 복사가 나타나며 이를 빈의 변위법칙(Wien’displacement law)이라 하고 다음 식 (3)과 같다.
(3)
대기 투과 효과와 식 (3)을 통해 알 수 있는 것은 중적외선 신호를 저감하기 위해서는 배기가스를 통해 방출되는 에너지를 줄이기 위해서는 약 300℃에서 700℃의 온도가 방출되지 못하도록 억제하는 것이 중요하며, 이에 따라 적외선 신호저감 장치를 통해 배출되는 폐기가스 평균 배출 온도의 기준을 250℃ 이하로 설정한 것이다.
시험 계측 조건 및 방법
정확한 시험을 위해서는 실제 함정의 엔진에서 배출되는 배기가스의 온도와 질량 유량 상사를 만족해야 한다. 본 시험에서 선정한 엔진의 배출 온도는 450℃이고 질량 유량은 full load 시 약 15.2 kg/s가 된다. 하지만 시제작된 시험 장치의 크기는 실제 함정에 설치되는 적외선 신호저감 장치와 비교하여 1/7 스케일(scale) 규모이다. 따라서 열풍동 시험의 조건은 가열기를 450℃로 설정하고 질량 유량 조건은 약 2.17 kg/s가 되도록 송풍량을 조절하였다. 질량 유량 조건을 단순히 1/7 scale로 축소한 이유를 레이놀즈 수 상사를 위한 것이며, 레이놀즈 수는 다음 식 (4)를 이용하여 계산 할 수 있다.
(4)
여기서, Re는 레이놀즈 수를 나타내며 단위는 무차원이다. 그리고 V는 속도, L은 특성 길이 그리고 υ는 동점성 계수를 의미한다. 이상기체 상태 방정식과 레이놀즈 수 계산식 (4) 그리고 시험 장치의 시험 조건을 이용하여 계산한 결과를 도 15에 정리하였다.
열풍동 시험 장치로부터 배출되는 배기가스의 온도와 질량 유량은 피토튜브를 통해 계측된 온도와 속도를 바탕으로 계산한다. 열풍동 시험 장치의 덕트 형상은 원형관으로 관내 유동과 유사하게 중앙의 속도가 높고 벽면 근처에서 속도는 점착 조건으로 인해 속도가 0이 된다. 따라서 피토튜브의 위치를 중앙에서 벽면으로 조절하면서 물리량을 계측하였다. 그리고 질량 유량을 계산하기 위한 방법으로는 구분구적법의 개념을 도입하여 시험기 출구의 횡단면적을 일정하게 나누어 계측 지점을 결정하였다(도 4 참조).
시험 계측 결과
도 16은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 8개로 분할한 면에서 각각의 질량유량을 계산한 결과를 나타내는 테이블이며, 따라서 질량 유량의 비교는 온도 및 속도를 모두 비교 할 수 있는 결과이다.
도 16으로부터 알 수 있듯이, 8개의 분할 된 면적에서 계산된 질량 유량은 거의 유사하다는 것을 확인 할 수 있다. 이러한 결과는 열풍동 시험 장치의 송풍 장치와 가열기의 설정 온도를 시험마다 같게 설정할 경우 주변의 환경에 상관없이 재현성이 확보된다는 것을 도출 할 수 있었다. 그리고 총 3회 실시한 각각의 결과를 상대 오차율로 분석한 결과 평균 오차율은 1% 미만으로 계산되었으며, 도 17은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법의 성능 평가에서 3회 실시한 결과에서 3번째 계측한 결과를 가시화하여 나타내는 도면이다. 여기서 x과 y축의 단위는 m이다.
유체의 온도와 속도를 계측하기 위한 계측기는 원주 반경으로 30도마다 설치되어 있다. 따라서 이를 가시화할 경우 도 16의 왼쪽처럼 이산적인 분포를 보인다. 따라서 이산화된 결과는 보간법을 통해 5도 간격으로 축소하였으며 그 결과를 도 16의 오른쪽에 나타내었다. 도 16의 결과를 통해 알 수 있는 것은 입구의 영역을 사분면으로 분할하였을 때 속도는 3사분면이 그리고 온도의 경우 1사분면이 상대적으로 높다는 것을 알 수 있다.
도 18은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법의 성능 평가에서 실험 횟수에 따른 속도와 온도에 대한 분포를 가시화하여 나타내는 도면으로, 시험 횟수에 따른 속도와 온도에 대한 분포는 거의 유사하다는 것을 알 수 있었다.
도 19는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법의 성능 평가에서 열풍동 시험 장치의 시험을 위해 셋팅을 수행하고 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이며, 도 20은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 열풍동 시험 장치의 가열장치의 온도를 450℃로 조절하여 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 19는 열풍동 시험 장치를 가동하지 않은 상태이지만 디퓨져 부분을 횡방향으로 이분하여 온도 분포를 보았을 때 약 6℃의 오차를 보였다. 이러한 결과는 디퓨져 재질의 반사율과 주변 사물의 온도가 달라서 발생한 오차이다. 그리고 열풍동 시험 장치의 가열장치의 온도를 450℃로 조절하여 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 도 20에 나타내었다. 이 결과를 도 19와 비교 했을 때 이덕터와 믹싱 튜브간의 거리가 40mm 감소한 것을 확인 할 수 있었다.
본 시험에서는 냉각식 탐지 센서를 사용하는 중적외선 열화상 시스템과 비냉각식 탐지 센서를 사용하는 원적외선 열화상 시스템을 총 2대를 사용하였으며, 이를 이용하여 계측한 결과를 도 21 및 도 22에 각각 나타내었다. 이 결과는 실내환경 그리고 실험 조건이 모두 동일한 상태이다.
도 21은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 냉각식 탐지 센서를 사용하는 중적외선 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이며, 도 22는 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서 비냉각식 탐지 센서를 사용하는 원적외선 열화상 시스템을 이용하여 계측한 결과를 나타내는 도면이다.
도 21과 도 22를 비교하였을 때 온도 측정 범위가 다른 것을 알 수 있었다. 이러한 이유는 냉각 방식의 탐지 센서는 비냉각 방식과는 달리 탐지 센서로 계측할 수 있는 절대적인 에너지의 적분 양을 조절하여 온도로 전환하기 때문이다. 이와 달리 비냉각식 탐지 센서는 입사되는 모든 에너지의 양을 적분하여 신호 증폭기를 통해 사물의 에너지 분포를 시각 열 영상으로 표현한다. 또한, 열풍동 시험 장치로부터 배출되는 배기가스의 탐지 형태의 차이를 보인다. 이러한 중적외선과 원적선에 따라 폐기 가스의 입자의 방사율이 달라서 나타나는 것으로 판단되었다. 도 23 및 도 24는 각각 배기가스의 조성 분자에 대한 파장에 따른 방사율을 나타내는 도면이다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에 의하면, 실제 추진기관과 유사한 성능을 발휘하는 열풍동 시험 장치를 통하여 적외선신호 감소장치에 대한 물리적 신호를 정확하게 계측하고 해석할 수 있으며, 이에 따라 실제 추진기관 및 그의 적외선신호 감소장치의 설계성을 향상시킬 수 있으며, 특정의 측정 구조를 통하여 열풍동 시험의 정밀성 및 신뢰성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 모형 추진기관 장치부
110: 장치 하우징
111: 확관부
112: 직관부
113: 축관부
120: 송풍 장치
130: 가열기
140: 블레이드
200: 연결 덕트
300: 측정장치 장착하우징
400: 질량유량 측정 장치부
410: 피토튜브
411: 압력 측정 포인트
412: 전압 측정부(total pressure connection)
413: 정압 측정부
414: 서모커플
500: 열유동 해석용 장치부
510: 이덕터(eductor)
511: 변부
512: 모서리부
520: 믹싱 튜브
521: 축관부
522: 직관부
530: 디퓨져
531: 직관
540: 열전대 센서

Claims (6)

  1. 열추진 기관의 적외선신호를 저감시키는 적외선신호 감소장치의 열풍동을 시험하기 위한 방법으로서,
    배기가스를 발생시키도록 구성되는 모형 추진기관 장치부와, 일단부가 상기 모형 추진기관 장치부의 배기가스 출구 측에 연결되는 연결 덕트와, 일단부가 상기 연결 덕트 부재의 타단부에 연결되는 측정장치 장착하우징, 및 상기 측정장치 장착하우징에 장착되어 상기 모형 추진기관 장치부에서 배출되는 배기가스의 질량유량을 측정하도록 구성되는 질량유량 측정 장치부를 포함하는 열풍동 시험 장치를 이용하고,
    상기 질량유량 측정 장치부는 상기 측정장치 장착하우징의 중심을 동심원으로 하여 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 피토튜브를 배치하되, 상기 측정장치 장착하우징의 중심점을 기준으로 방사상으로 동일한 면적으로 복수 분할하고, 복수의 동일 분할 면적부 중에서 소정 지점의 면적부에 상기 피토튜브의 압력 측정 포인트가 위치되고 둘레 방향으로 일정 간격을 갖고 복수 배치시켜서 상기 피토튜브에서 계측된 신호를 전달받아 전기 신호로 변환하는 압력계에서 변환된 값을 전달받는 퍼스널컴퓨터의 질양유량 계산부에서 질량유량을 계산하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는
    적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법은,
    장치 하우징과, 상기 장치 하우징의 일단부에 구비되는 송풍 장치와, 상기 장치 하우징의 내부 일측에 구비되어 송풍되는 공기를 가열하는 가열기와, 상기 장치 하우징의 내부 타측에 구비되어 가열 공기가 균일한 유동 흐름으로 흐르도록 하는 블레이드, 및 상기 장치 하우징의 외부 일측에 구비되어 상기 송풍 장치의 팬 속도와 가열기의 온도를 조절하도록 구성되는 제어반을 포함하는 상기 모형 추진기관 장치부를 이용하며,
    상기 측정장치 장착하우징이 상기 연결 덕트의 내경과 동일한 직관으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는
    적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 동일 분할 면적부는 8개로 분할되며,
    상기 피토튜브의 압력 측정 포인트는 세번째의 분할 면적부에 위치되고, 둘레방향으로 30°의 간격을 갖고 12개로 구비되는 것을 특징으로 하는
    적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서, 상기 퍼스널컴퓨터의 질량유량 계산부는 아래의 식으로 질량유량을 계산하는 것을 특징으로 하는



    (여기서, Q는 질량 유량(kg/s), A는 면적, V는 속도, ρ는 밀도, i는 분할 면적부)
    적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법에서, 상기 열풍동 시험 장치는 상기 측정장치 장착하우징의 배기가스 출구 측에 열유동 해석용 장치부를 구비시켜 배기가스의 열유동을 해석하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는
    적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열유동 해석 장치부는, 일단부가 상기 측정장치 장착하우징의 배기 측 단부에 연결되어 배기가스에 난류 유동을 형성시키도록 구성되는 이덕터와, 일단부가 상기 이덕터의 타단부에 간격을 갖고 구비되며, 배기가스와 주변 공기가 혼합되도록 믹싱시키는 믹싱 튜브와, 상기 믹싱 튜브의 타단부에 구비되며, 외기와 내기의 압력차를 이용하여 공기 필름을 형성하는 디퓨져와, 상기 디퓨져에 구비되어 디퓨져의 표면온도를 계측하는 열전대 센서, 및 상기 이덕터와 믹싱 튜브 및 디퓨져를 열화상 촬영하는 열화상 시스템을 포함하고,
    상기 믹싱 튜브는 배기가스의 흐름을 기준으로 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 직경이 감소하는 축관부, 및 상기 축관부의 끝단과 동일 직경을 갖고 형성되는 직관부를 포함하고,
    상기 디퓨져는 배기가스 흐름 방향 측으로 갈수록 단계적으로 직경이 큰 복수의 직관으로 형성되되, 이웃하는 직관은 소정 폭 중첩되게 구비되며, 중첩부에 외부와 연통되는 간극이 형성되어 구성되며,
    상기 열전대 센서는 상기 디퓨져의 직관 각각의 전방단부와 후방단부에서 10mm의 거리를 두고 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는
    적외선신호 감소장치용 열풍동 시험 방법.
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Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200312618Y1 (ko) 2003-02-22 2003-05-12 두산중공업 주식회사 직렬 가스버너식 열풍동 장치
KR20140017153A (ko) 2012-07-31 2014-02-11 대우조선해양 주식회사 선박의 배기가스 배출장치
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