2013 STEAM R&E 결과보고서

2013 STEAM R&E 결과보고서

솔레노이드를 이용한 발사장치의 성능향상 및 속도제어에 관한 연구

관련분야 기술공학

2013. 11 . 25

시․도 학 교

(소 속)

학 년

(직 위) 성 명 경상남도 경남과학고등학교 1 손준영 경상남도 경남과학고등학교 1 이재희 경상남도 경남과학고등학교 1 성민식 경상남도 경남과학고등학교 1 김태호 경상남도 경남과학고등학교 1 박승재 경상남도 경남과학고등학교 1 이창민

1. 개요

□ 연구목적

○ 본 연구를 착수하게 된 동기, 필요성 및 목적, 지역 특성 및 학교 여건, 연구 동기, 목적 등에 대해 기술

대부분의 연구는 원하는 결과를 얻기 위해 수많은 실험과 시행착 오를 겪게 된다. 정확한 실험을 위해서는 실험 변수들을 정밀하게 제어하고 조건을 설정할 수 있어야한다. 물체가 고속으로 이동할 때 발생하는 공동화 현상과 같은 연구를 할 때 직면하는 문제는 물 체를 고속으로 가속하면서 정밀한 속도 제어가 가능한 수단이 많지 않다는 것이다. 보통 속도제어를 위해서는 전기 모터를 이용하는 것이 가장 손쉬운 방법이다. 하지만 전기 모터를 이용하여 높은 속 도로 물체를 발사하는 것은 쉽지 않은 일이다. 대신 화약을 이용하 면 물체를 높은 속도로 발사할 수 있지만 정교한 속도제어가 불가 능하다. 정확하게 속도를 제어하고 높은 속도로 물체를 발사할 수 있는 방법을 찾고 싶었다.

그러던 중에 솔레노이드에서 그 가능성을 발견했다. 솔레노이드에 전류가 흐를 때 생성되는 자기장을 이용하면 자기력을 얻을 수 있 고 이 때 흐르는 전류를 조절하면 높은 속도는 물론 정확한 속도 또한 얻을 수 있다는 것이다. 이러한 가능성을 보고 우리는 솔레노 이드를 이용하여 이에 대해 연구하고자 하였다.

솔레노이드를 이용한 발사 장치를 제작하고 이를 이용하여 속도 를 높이기위한 조건과 속도를 제어하기 위한 수학적 모델을 찾는 다. 즉, 본 연구에서 최종적으로 구성하고자 하는 발사 장치의 조건 은 아래와 같다.

Ÿ 발사체의 속도를 낮은 속도부터 높은 속도까지 자유롭게 조절 할 수 있다.

Ÿ 발사체의 속도를 정밀하게 조절할 수 있다.

Ÿ 반영구적으로 재사용이 가능하다.

Ÿ 화약이나 모터를 이용한 장치보다 효율이 좋다.

Ÿ 공해가 없고 친환경적이다.

이렇게 구성된 발사 장치를 통해 본 연구에서 지향하는 최종 목 표는 아래와 같다.

Ÿ 조건에 따른 발사체의 속도 v에 대한 공식을 유도해낸다.

Ÿ 유도된 공식과 실제 값을 비교하고 오차를 보정한다.

Ÿ 변인을 바꿔가며 발사장치의 효율이 가장 좋을 조건을 찾아낸 다.

Ÿ 발사체의 속도 v에 관한 표를 만들어 속도제어가 가능하도록 한다.

Ÿ 완성된 발사 장치를 실생활에 활용한다.

□ 연구범위

○ 연구 분야 및 범위, 진행 단계에 대해 간략히 기술

본 연구의 연구 분야는 솔레노이드에서 만들어지는 자기장의 활 용방안이다. 연구 범위는 탄환 모양의 강자성체를 발사체로 국한하 였다. 본 연구는 현재 효율성을 높일 수 있는 최적의 조건을 찾아 가는 단계에 놓여있다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

① 솔레노이드 발사장치의 기본 원리 가. 솔레노이드의 자기장

반지름의 길이가





서 중심으로부터 z만큼 떨어진 점에서의 자기장을 구해보면 Biot-Savart's law에 의하여 아래와 같게 된다.

그림 1 원형도선의 자기장

그림 2 솔레노이드의

자기장 그림 1에서

 

   _{cos  }







×  



∵

^ 

×    

이 식을 적분하면 전체 자기장의 세기는



  ^{ }

^{ } _ ^

^



^{  } _ ^

^

^{×   }



 









이 된다.

이제 솔레노이드 전체를 고려해보자. 그림 2에서





  tan

   sec



  

  _{ }



 

tan

 



 



 



 

tan

 





 

sec



  

 

  cos

따라서 유한한 길이의 솔레노이드에서 임의의 내부 점에서의 자기 장의 세기



 _{ }



 

  



_

cos    

 

  sin

 sin 



나. 솔레노이드 내부에서 강자성체가 받는 힘

솔레노이드에 강자성체가 걸쳐져 있는 경우, 전자기 유도법칙에 의하여 솔레노이드의 내외부에 자기장이 유도된다. 이 자기장에 의 해 강자성체가 자화되고 이 때 강자성체 앞뒤의 자속밀도 차이에 의해 솔레노이드의 중심방향으로 자기력을 받게 된다. 이 힘이 바 로 Coil Gun의 원동력이다.

그림 3 코일건의 원 리

② 전기 회로 가. RC회로

그림 4과 같은 RC회로에서 전압



충전시킬 때, 충전된 전하량을







   _{ }



  

_{  }







_{ }



   _







^ _



 

   

^

  _{ln }





 

 

이 식을 풀면 축전기의 시간에 따른 전하량의 변화는 다음 식과 같다.

  

  



위 식에서 전류는 저하량의 미분값이므로 전류와 전압으로 표현하면 흐르는 전류와 축전기의 전압은 다음 식과 같다.

전류 :

_{   }









  

  



그림 4 RC회로 그림 5 RLC 방전회로 나. RLC회로 방전

우리가 사용하는 솔레노이드 코일은 인덕턴스 성분이므로 그림 5와 같은 RLC회로로 설명된다. 그림 5에서 방전될 때 축전기에 저장된 전하량을









 

      _



  

RC회로에서와 같이 이 식에

_{  }





 

   _



   _







 

2차 미분방정식의 해를 구하면 다음과 같다.

   





  

  ′    ′sin ′  

이 때

  

  tan

    ′

 

  

^ 



′   ^{ }

^{ }  

 

이차미분방정식의 해에서 볼 수 있듯이 RLC 회로에서 충전된 전하가 방전될 때에는 그림 6에서와 같이 정현파 진동 성분이 지수함수에 의해 감쇄하는 형태가 된다. 이때 흐르는 전류의

방향이 반대가 되는 순간이 존재하게 되며 SCR의 특성을 이용하면 대용량의 전류를 쉽게 on/off 할 수 있다.

그림 6 RLC 회로의 방전전류

③ SCR

SCR는 정류기의 한 종류로서 NPNP 4개의 반도체 층으로 이루어 진 소자이며, 고전압 고전류의 스위칭이 가능하다. 게이트에 흐르는 전류를 제어하여 애노드와 캐소드간의 대전류를 on/off할 수 있는 소자이다.

게이트에 전류를 흘려주면 SCR은 스위치를 켠 상태와 같이 되어 애노드에서 캐소드로 전류가 흐른다. 일단 흐르기 시작한 전류는 게이트 전류를 끊어도 on 상태를 계속 유지하며 전류의 방향이 반 대가되면 저절로 off 상태가 된다. 이러한 특징을 이용하면 고압의

전류를 간접적으로 제어할 수 있으며, 바로 코일건에서 콘덴서를 방전시킬 때 SCR을 사용하는 이유이다.

그림 7 SCR의 구조와 기호

□ 연구주제의 선정

○ 연구주제를 탐색하고 선정하는 과정에서 학생의 주도적 노력과 협업, 전문가 자문 등 구체적 활동이 나타날 것

한국과학창의재단에서 지원하는 융합인재 양성을 위한 STEAM R&E 사업의 공고에 지원하기 위해 연구주제를 정하기 위해 조원들 이 모두 모여 토의를 나눴다. 지진에 대비한 댐퍼, 자이로스코프 등 여러 좋은 주제가 나왔지만 우리가 최종적으로 정한 주제는 현재 조장이 늘 관심을 가져왔던 코일건을 이용한 발사 장치 개발이었 다.

처음에는 코일건의 효율성을 높이고 속도를 더 높일 수 있는 방 법을 찾아 애초에 코일건의 탄생배경이 군사적인 목적 때문이었듯 이 군사적인 목적으로 이용될 수 있도록 하고자 하였다. 그러던 중 에 한 조원이 말하기를 “이미 많은 군사기관에서 코일건에 대해 많이 연구하고 있을 텐데 굳이 우리가 이 연구를 할 필요가 있을 까? 거기다 우리가 하려는 건 결국 사람을 죽이는 연구잖아. 이건 좀 아니라고 생각해”라 하였다. 그 이야기를 들은 우리는 모두 당 황했고 새로운 주제를 찾아보기로 하고 해어졌다.

모두가 새로운 주제에 대해 고심하던 중에 조장이 “코일건의 장 점은 원하는 데로 빠르게 발사할 수 있다는 점도 있지만 정확하게 속도를 조절해서 발사할 수 있다는 점도 있어!”라고 하였고 이로 써 최종적으로 ‘솔레노이드를 이용한 발사장치의 성능향상 및 속

도제어에 관한 연구’를 선정하게 되었다.

□ 연구 방법

○ 문제 해결을 위한 실험, 기법, 전문가 자문 등에 대해 기술

조작변인을 각각 콘덴서의 전기용량 C, 콘덴서에 저장된 초기전압 V, 발사체와 솔레노이드의 거리 등으로 지정하여 제작된 솔레노이 드 발사 장치 초기 모델에서 실험한다. 또한, 수식을 이용하여 조건 에 따른 발사체의 속도 v에 관한 공식을 유도하고 이와 실제 값을 비교해 본다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 가설 설정, 실험 설계, 실험 과정, 시행착오 극복 등

- 월별 연구 추진 실적, 연구비 사용 내역, 시설 활용 실적, 외부 전문가 자문 내역 등도 상세히 기술

① 발사장치 제작 가. 전기회로 구성

발사코일에는 순간적으로 많은 전류가 흐른다. 따라서 직접 스위 칭할 경우 위험할뿐더러 스파크로 인한 전력손실이 상당하다. 이를 막기 위해 우리는 SCR라는 소자를 이용해 스위칭 회로를 구상하였 다. 이 회로는 게이트에 전류가 흐르도록 하면 애노드에 전류가 흐 르도록 회로를 연결해 준다. SCR는 흐르는 전류에 맞는 것을 사용 해야 한다.

그림 8 발사부의 회로도

코일에 흐르는 전류의 최댓값을 알아보기 위해서 RLC 시뮬레이터 를 사용하여 분석하였다. 이 시뮬레이터는 RLC회로에서 각 소자들 의 값을 변경하면서 방전 전류의 파형과 값을 쉽게 계산할 수 있어 우리가 제작한 코일에 흐르는 전류 값을 미리 예상할 수 있다. 계 산에 사용한 각 소자들의 값은 다음과 같다.

소자 설명 측정방법 값

R

코일의 저항 콘덴서와 코일사이

배선의 저항

저항계로

측정 1Ω

L 발사코일의 인덕턴스

프로그램 이용 계산 (코어 없는

가정)

808µH

C 콘덴서의 용량 4,700㎌

표 4 R, L, C의 값

그림 9 코일 단면과 인덕턴스

그림 10 RLC 방전 회로 해석

이 시뮬레이터에 코일과 콘덴서의 정보를 입력하면 순간적으로 흐르는 최대 전류를 알 수 있다. 이 시뮬레이터에 의하면 약 155A 가 흐르게 된다. 따라서 우리는 50A급 SCR 3개를 병렬로 연결하여 사용하였다.

나. 발사대 및 발사체 제작

우리는 발사 장치를 설계할 때 코일, 파이프, 포토게이트의 위치 가 유동적으로 조절 가능하게 했다. 그 방법으로는 알루미늄 프로 파일 DF1590이라는 레일에 각 구조물들을 끼워 넣는 방법을 사용 했다. 이렇게 하면 코일, 파이프, 포토게이트의 위치를 나사를 이용 해 조절할 수 있으며, 레일을 따라 움직이기 때문에 열이 맞지 않 아 파이프가 휘는 등의 문제가 발생하지 않는다.

그림 11 발사장치 설계도

위 그림은 최종적으로 완성한 발사장치의 설계도이다. 이처럼 만 들어진 발사장치는 용도에 따라 다양하게 변할 수 있다.

그림 12 발사장치의 연결

부품을 추가적으로 제작해 3단, 4단의 코일로 이루어진 발사부를 제작할 수도 있고, 발사장치 2개를 제작해 한쪽은 발사체를 가속시 키는 가속 코일부, 한쪽은 발사체를 감속시키는 제동 코일부로 사 용해 빠르게 발사된 물체를 천천히 감속시켜 수신할 수 있는 장치 를 제작해 코일건의 mass driver로써의 가능성을 점검해 볼 수도 있다.

다. 발사체 제작

그림 13 발사체 형상

발사체는 지름 6mm의 순도 높은 철을 사용해 만들었다.

② 가설 설정

솔레노이드를 이용하여 발사체를 발사할 때 무조건적으로 콘덴서 의 용량이 클수록 전압이 높을수록 거리가 가까울수록 발사체의 속 도가 빠르지는 않을 것이다. 발사체의 속도가 가장 빠를 적절한 조

건이 있을 것이다.

③ 실험 과정

가. 발사장치와 발사체를 제작한다.

나. 콘덴서의 전기용량 C, 충전시키는 전압 V를 조작변인으로 하여 회로를 구성한다.

다. 솔레노이드와 발사체 간의 거리를 바꿔가며 실험을 계속한다.

라. 포토게이트를 이용해 발사체의 속도 v를 측정한다.

마. 코일을 바꾸고 다시 한 번 실험한다.

사용할 기본

전기용량 콘덴서 전기용량 변화 SCR연결회로 구성

SCR의 스위치 여러 가지 코일 제작

발사 장치의 최종 구성

표 5 장치의 구성요소 및 실험과정

④ 시행착오 극복

가. SCR을 사용하였음에도 200V이상의 고압을 사용할 때 스파크가 튀는 경우가 종종 있었다. 여러 번 이러한 현상을 관찰해보니 항 상 콘덴서와 솔레노이드를 연결하는 전선과 악어집게의 경계부 분에서 스파크가 튀었고 이를 보고 악어집게 도선이 아닌 전화 선을 이용해 콘덴서와 솔레노이드를 연결하여 스파크가 튀는 현

상을 해결했다.

나. SCR 스위칭회로에 이용된 저항이 여러 번 탔다. 아직 정확한 원 인은 모르겠지만 단시간에 많은 실험을 하여 열이 많이 발생하 였기 때문으로 추측하고 있고 더 높은 저항을 사용하여 이를 해 결하였다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 연구 과정 요약, 실험 결과 및 연구 결론 제시

우선 전압, 코일, 발사체와 솔레노이드의 거리, 전기용량이 모두 같을 때에는 발사체의 속도가 항상 같다는 것을 동일 실험을 20번 반복하여 확인 하였다. 이로써 속도제어는 정확히 가능하다는 것을 확실하게 검증했고 실험결과를 낼 때는 각각의 변인에 따라 한 번 씩 실험하여 측정하였다.

① 거리에 따른 발사체의 속도

먼저 사전 실험으로 충전전압을 200V, 전기용량을 4700μF으로 고정하고 발사체와 코일사이의 거리, D를 바꾸어가며 발사체의 속 도를 측정하였다. 발사체의 속도는 발사체가 포토게이트를 통과하 는 시간을 측정하여 계산하였다.

그림 20 발사체와 코일의 거리

그림 21 발사체가 포토게이트를 통과하는 시간 측정

거리[mm] 12 15 18 21 24 27 시간[ms] 3.5 2.1 1.5 1.2 1.1 1.2 표 6 200V, 4700μF일 때 발사체와 코일의 거리에 따른

포토게이트 통과 시간

발사체의 속도 v는 발사체의 길이가 L이고 포토게이트를 통과하 는데 걸리는 시간이 t초라고 하면

_{  }





실험에 사용한 발사체의 길이는 20mm이기 때문에 위 데이터를 속도로 바꾸면 다음 표와 같이 계산된다.

거리[mm] 12 15 18 21 24 27 속도

[m/s] 5.71 9.52 13.33 16.67 18.18 16.67 표 7 200V, 4700μF일 때 발사체와 코일의 거리에 따른

속도

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

4 6 8 10 12 14 16 18 20

Speed [m/s]

Distance [mm]

그림 22 거리에 따른 발사체의 속도 변화

앞서 예상했던 바와 같이 속도는 거리에 따라 한 가지 경향을 보 이는 것이 아니고 효율을 극대화하는 거리가 정해져 있다. 그보다 가까이 있어도, 멀리 있어도 더 좋은 효율을 얻을 수 없다.

② 전압에 따른 발사체의 속도

코일과 발사체간의 거리를 정해놓고, 콘덴서의 전압을 변화시키 며 속도를 측정했다. 측정한 데이터 중 -값은 발사체가 반대로 나 가는 경우이다. 마찬가지로 콘덴서의 전기용량은 4700μF이다.

전압

거리 40V 60V 80V 100V 120V 140V 160V 180V 200V 220V 240V 260V 280V 300V

12mm 3.2 2.0 1.8 1.7 1.6 1.7 2.0 2.5 3.5 4.2 16.8 -4.1 -1.6 -1.3 15mm 6.6 2.0 1.6 1.5 1.5 1.6 1.6 1.8 2.1 2.2 2.3 3.7 6.1 11.7 18mm 7.5 5.2 2.5 2.1 1.8 1.7 1.6 1.6 1.5 1.4 1.3 1.3 1.3 1.2

21mm 11.5 5.5 2.8 2.1 1.9 1.7 1.2 1.2 1.2 1.2 1.2 1.4 1.5

24mm 19.3 6.5 2.3 1.4 1.3 1.2 1.2 1.1 1.1 1.1 1.0 1.1 1.1

27mm 20.3 7.7 5.5 2.0 1.4 1.2 1.2 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

최솟값 3.2 2.0 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.2 1.1 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0

표 8 코일과 발사체간 거리와 충전 전압에 따른 발사체 통과 시간 (단위 : ms)

전압

거리 40V 60V 80V 100V 120V 140V 160V 180V 200V 220V 240V 260V 280V 300V

12mm 6.3 10.0 11.1 11.8 12.5 11.8 10.0 8.0 5.7 4.8 1.2 -4.9 -12.5 -15.4 15mm 3.0 10.0 12.5 13.3 13.3 12.5 12.5 11.1 9.5 9.1 8.7 5.4 3.3 1.7 18mm 2.7 3.8 8.0 9.5 11.1 11.8 12.5 12.5 13.3 14.3 15.4 15.4 15.4 16.7 21mm 1.7 3.6 7.1 9.5 10.5 11.8 16.7 16.7 16.7 16.7 16.7 14.3 13.3 24mm 1.0 3.1 8.7 14.3 15.4 16.7 16.7 18.2 18.2 18.2 20.0 18.2 18.2

27mm 1.0 2.6 3.6 10.0 14.3 16.7 16.7 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0

최댓값 6.3 10.0 12.5 13.3 14.3 15.4 16.7 16.7 18.2 20.0 20.0 20.0 20.0 20.0

표 9 코일과 발사체간 거리와 충전 전압에 따른 발사체 속도 (단위 : m/s)

0 50 100 150 200 250 300

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

Speed [m/s]

Voltage [V]

12mm 15mm 18mm 21mm 24mm 27mm

그림 23 전압과 속도와의 관계

0 50 100 150 200 250 300

6 8 10 12 14 16 18 20 22

Speed [m/s]

Voltage [V]

그림 24 전압에 따른 최대속도

(단, 빈 칸은 발사되지 않고 레일 내에서 멈춘 경우이다)

그림 17은 전압과 속도와의 관계를 나타낸 그래프이다. 그래프를 살펴보면 전압이 높아질수록 최대효율을 가지는 코일과 발사체간의 거리는 길어진다는 것을 알 수 있다. RLC회로가 방전될 때 콘덴서 의 전압은 방전시간에 영향을 주지 않는다. 같은 시간동안 더 큰 힘을 받기 때문에 전압이 낮을 때 보다 뒤에 있어야 하는 것이다.

위 실험 데이터로 분석했을 때 전압과 거리는 비례하는 것으로 추 정된다.

그렇다면 전압에 따른 최대 초속도는 어떻게 변할까? 측정한 속도 데이터 중 가장 큰 값만을 추려내어 전압에 따른 최대 초속도의 변 화를 그래프로 그려보았다.

그림 18에서 우리는 전압이 높더라도 최대속도에는 한계가 있음 을 알 수 있다.속도를 높이기 위해서는 전압 이외의 요인들(콘덴서 용량, 코일 등)을 조절하는 것이 효율적일 것이다.

③ 전기용량에 따른 발사체의 속도

이전에는 전기용량이 4700μF인 콘덴서를 이용했지만 이번에는 2개를 병렬 연결하여 9400μF인 콘덴서를 이용한 발사체의 속도를 측정했다.

전압

거리 40V 60V 80V 100V 120V 140V 160V 180V 200V 220V 240V 260V 280V 300V

12mm 3.9 3.9 10.1

15mm 3.7 3.5 4.1 5.0 8.9 25.3

18mm 3.7 3.2 3.4 3.5 3.9 3.7 3.3 3.6 3.0 2.4

21mm 2.8 2.4 2.6 3.0 4.9 42.9

24mm 3.2 2.2 2.1 2.1 2.5 3.1 5.9

27mm 5.7 2.4 1.9 1.8 1.8 1.9 2.1 2.6 3.1 4.1 6.2

30mm 22.0 3.8 2.2 1.9 1.7 1.7 1.7 1.7 1.9 2.2 2.3 2.6 2.9 3.6

33mm 11.9 3.5 2.1 1.7 1.6 1.6 1.5 1.6 1.5 1.6 1.6 1.6 1.7

최솟값 2.8 2.2 1.9 1.8 1.7 1.6 1.6 1.5 1.6 1.5 1.6 1.6 1.6 1.7

표 10 코일과 발사체간 거리와 충전 전압에 따른 발사체 통과 시간 (단위 : ms)

전압

거리 40V 60V 80V 100V 120V 140V 160V 180V 200V 220V 240V 260V 280V 300V

12mm 5.1 5.1 1.9

15mm 5.4 5.7 4.8 4 2.2 0.7

18mm 5.4 6.2 5.8 5.7 5.1 5.4 6.0 5.5 6.6 8.3

21mm 7.1 8.3 7.6 6.6 4.0 0.4

24mm 6.2 9.0 9.5 9.5 8 6.4 3.3

27mm 3.5 8.3 10.5 11.1 11.1 10.5 9.5 7.6 6.4 4.8 3.2

30mm 0.9 5.2 9.0 10.5 11.7 11.7 11.7 11.7 10.5 9.09 8.69 7.69 6.89 5.5

33mm 1.6 5.7 9.5 11.7 12.5 12.5 13.3 12.5 13.3 12.5 12.5 12.5 11.7

최댓값 7.1 9.0 10.5 11.1 11.7 12.5 12.5 13.3 12.5 13.3 12.5 12.5 12.5 11.7

표 11 코일과 발사체간 거리와 충전 전압에 따른 발사체 속도 (단위 : m/s)

콘덴서를 1개 사용하였을 때보다 오히려 발사체의 속도가 느려졌 음을 알 수 있다. 앞서 언급된 전압과 마찬가지로 RLC회로가 방전 될 때 콘덴서의 전기용량은 방전시간에 영향을 주지 않으므로 같은 시간동안 더 큰 힘을 받기 때문에 전압이 낮을 때 보다 뒤에 있어 야 하는 것이다. 그러나 실험에서는 코일과 발사체의 거리를 4700 μF과 같이 통제변인으로 설정하여 실험하였기 때문에 역으로 받게 되 는 힘 때문에 오히려 효율이 더 낮음을 알 수 있다.

④ 결론

솔레노이드를 이용한 실험용 발사 장치를 이용하여 코일과 발사 체와 거리 그리고 충전 전압에 따른 발사체의 속도를 측정하였다.

측정결과를 분석하여 거리와 충전전압에 따른 발사체의 속도와의 상관관계를 확인하였으며 이를 통하여 거리나 전압을 조정함으로써 원하는 속도를 얻을 수 있음을 확인하였다.

전압에 따라 최고 속도는 증가하여 300V에서 20m/s의 최고 속도 를 얻었다. 그러나 그 이상은 전압을 높여도 속도가 증가하지 않으 며 현재 제작한 코일의 성능으로 판단된다. 추가적으로 속도를 증 가시키기 위해서는 코일의 크기나 감은 회수를 최적화하고 RLC 방 전 시뮬레이션을 통해 최대 전류가 흐르는 시점을 정확히 계산하여 설계에 반영하여야 한다. 이와 함께 한 개의 코일을 사용할 때의

한계를 극복하기 위한 방법으로 솔레노이드 코일을 여러 개 연속적 으로 배치하여 코일을 지날 때 마다 속도를 증가시켜 최대 속도를 높이는 방법을 적용하여야 한다.

앞으로 본 연구 결과를 바탕으로 개선된 발사 장치를 설계하여 제작하고 다단계로 추진 가능하도록 제어회로를 연구하여 실용적인 발사 장치를 개발할 계획이다.

□ 시사점

○ 연구활동을 통해 얻은 학습 효과, 개선점

교과서에 있는 실험들은 정석적이기 때문에 웬만하면 실패하지 않는다. 그래서 여태껏 실험에서 실패라는 것을 해본 적이 없었다.

그러나 이번에는 회로에서 자꾸 스파크가 일어나고 저항이 타는 등 많은 실패를 하였다. 실험이 항상 우리가 원하는 데로 되지 않는다 는 것을 뼈저리게 깨달았고 직접 가설을 세우고 실험을 설계하고 잘못된 부분들을 찾아나가는 것이 재미있었고 유익했다.

지금까지 연구한 내용으로 발사 장치를 설계하는 데에는 아직 많 은 문제점이 남아있다. 포토게이트가 측정할 수 있는 시간의 단위 가 너무 커 미세한 차이를 측정하는데 문제점이 있었다. 따라서 조 금 더 정밀한 장비를 사용하여 실험을 진행하면 그래프 피팅을 이 용해 전압과 속도 사이의 정확한 관계를 수식으로 표현할 수 있을 것이다.

이 분야는 단순한 실험장치에 그치지 않고, 로켓의 1단 추진 장치 를 대체할 장비로써, 또 우주공간에서 물건을 효율적으로 빨리 전 달하기 위한 mass driver 등 전망이 밝다.

4. 홍보 및 사후 활용

○ 논문집 게재, 홈페이지 게시, 후속연구 추진 등 연구성과의 확산 및 사후 활용 방안 제시

이후 추가적으로 실험을 계속하여 연구의 최종 목적인 이상적인 발사 장치를 만드는 데 성공하면 이를 실생활에 활용하기 위한 후

속연구를 진행할 것이다. mass driver로써의 활용방안과 로켓의 추 진 장치로의 이용이 대표적인 예이다.

5. 참고문헌

박일환, 김재민, 서강, 박관수 (2008). Coilgun의 발사체 속도 향상 을 위한 Solenoid 형상 연구. 대한전기학회 제39회 하계학술대회 논 문초록집 수록

안현모 외9명 (2008). AVR을 이용한 Multi-Stage 코일건 설계. 대 한전기학회 제39회 하계학술대회 논문초록집 수록

최병철 외7명 (2002). 초고속 발사장치의 개발 및 성능에 관한 연 구. 한국항공우주학회지, 30(3) 96-104

박일환 외7명 (2007). 릴럭턴스 타입의 2단 코일건 개발. 대한전기 학회 학술대회 논문집 수록