Manta형 무인잠수정의 조종운동 특성에 관한 연구

Abstract

본 논문에서는 모함인 잠수함 동체 상부의 일부로서 정착되어 있다가 필요시에만 모함으로부터 분리되어 자료획득 등 작전수행에 이용되는, 소형의 Manta 형상 무인잠수정(Unmanned Undersea Vehicle, 이하 UUV라 함)의 운동특성에 관한 기초적 검토를 하였다. UUV가 중성부력(Neutral Buoyancy)상태일 때 6자유도 운동 수학모델을 정립하였다. 즉, UUV를 강체로 가정 했을 때 동좌표계의 기하학적인 중심과 무게중심과 일치하지 않는데 기인하여 힘과 모멘트를 Newton의 운동량 법칙에서 Euler의 6자유도 방정식으로 각성분별 정리하여 확립하였다(Abkowitz 1969). 또한, 구성요소별로 중력, 부력, 관성유체력 감쇠유체력 및 제어유체력으로 세분화하여 각각의 힘과 모멘트의 합으로 표시하여 Euler의 6자유도 방정식과 합하여 UUV의 6자유도 운동 수학모델을 정립하였다. 선형유체력미계수의 이론적 추정법 확립하는 수순으로 관성력추정은 UUV의 형상을 고려한 Simpson 제2법칙을 적용시켜 계산하였고, 감쇠유체력의 추정은 Slender Body Theory 이론(Newman 1978)과 소종횡비익(Low Aspect Ratio Wing)의 양력계수에 관한 Jones의 이론식을 적용시켜 구하였다. 선형 유체력미계수의 추정정도는 박리지점 위치 결정과 항력에 귀착되는데, 일반적으로 실험에 의존하지 않고 정확하게 추정하는 것은 곤란하다. 본 논문에서는 선형 유체력미계수의 개략적인 값의 추정에 목표를 두고 있기 때문에 박리지점의 위치는 UUV의 형상을 고려하여 폭과 깊이의 최대가 되는 지점을 취하였으며 항력은 무시하였다. 향후에 전산유체프로그램을 통한 정확한 위치를 파악과 항력을 첨가한다면 이론적으로 더욱 정확한 추정이 가능 할 것으로 본다. 그리고 제어유체력의 추정으로 부가물의 양력계수의 경사는 Whicker and Fehlner의 이론식을 적용시켜 구하였다. Whicker and Fehlner의 이론식의 유용성을 확인하기 위해 UUV에 부착되어 있는 수직평판과 수평타에 대해 회류수조에서 모형실험을 수행하여 그 결과를 비교한 결과 실험치와 거의 일치하는 양력계수를 추정할 수 있었으며, 종횡비의 고저는 물론 후퇴익 등 다양한 측면 형상을 취하는 익에 대해서도 유용함을 알 수 있었다. 유체력미계수의 이론추정치와 실험치의 비교해 보면 양자가 어느 정도 일치하고 있음을 알 수 있으며, 본 논문에서 제안된 이론추정식이 실험치의 확인 및 동안정성 검토 등 기초조사에 활용될 수 있을 것으로 생각된다. 이론적인 유체력미계수를 바탕으로 UUV의 동안정성, 선회성 및 중립운항조건 등 조종응답 특성을 검토하였다. 동안정성은 제어장치 고정상태에서 정상직전잠항 중 미소교란에 의한 운동이 발생되었을 때 수직방향 및 수평방향의 동적 안정성 고려하였다. 선회성은 종운동의 선형연립방정식을 무차원화한 후 pitch 모드만의 운동방정식으로 나타내어 승강타는 선미 수평타만 이용하여 선회성 지수를 검토와 횡운동의 선형연립방정식 무차원화한 후 yaw 모드만의 운동방정식으로 나타내어 선회성지수를 검토 하였다. UUV가 상하비대칭 형상에 기인한 힘과 모멘트로 인하여 제어판 고정상태에서는 정상 수평 직진 잠항을 하지 못한다. 따라서 수평 평행상태를 유지하기 위해서 필요한 수직방향의 앙각과 대응 승강타각 조건을 검토 하였다. 또한, UUV가 수직앙각을 가지지 아니하는 경우 즉, UUV가 상승하거나 하강하지 않고 똑바로 나아가기 위해서 필요한 대응 승강타각의 조건을 검토 하였다.