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공학석사 학위논문
형 무인잠수정의 호버링 Manta
운동에 관한 연구
A Study on Hovering Motion of Manta-type Unmanned Undersea Vehicle at Large Angles of Attack
지도교수 손 경 호
년 월 2010 2
한국해양대학교 대학원
을 김준의
本 論文 工學碩士 學位論文 으로 認准 함.
위원장 : 공학박사 박 석 주 ( ) 인 위 원 : 공학박사 남 종 호 ( ) 인 위 원 : 공학박사 손 경 호 ( ) 인
년 월 2010 2
한국해양대학교 대학원
목 차
Abstract
서언
1. ···1 의 명세 및 좌표계
2. Manta UUV ···2 의 명세
2.1 Manta UUV ···2 좌표계
2.2 ···4 호버링 스러스터의 성능에 관한 모형실험
3. ···5 실험 장치
3.1 ···5 회류수조
3.1.1 ···5 분력계
3.1.2 3 ···6 서보시스템
3.1.3 ···7 모형선
3.1.4 ···10 실험 결과
3.2 ···14 호버링 운동의 수치 시뮬레이션
4. ···18 대각도 받음각을 갖는 자유도 운동 수학모델
4.1 6 ···18 유체력미계수 등
4.2 ···23 수치 시뮬레이션 결과
4.3 ···25 호버링 스러스터에 의한 수직이동
4.3.1 ···25 호버링 스러스터에 의한 심도변경
4.3.2 ···28
결 론
5. ···36 참 고 문 헌 ···37
List of Figures
Fig. 1 Drawing of Manta UUV ···2
Fig. 2 Coordinate system and notation ···4
Fig. 3 Velocity distribution of circulating water channel ···5
Fig. 4 3-Component load cell ···6
Fig. 5 Servo amplifier ···7
Fig. 6 Servo motor ···8
Fig. 7 Servo motor toque ···8
Fig. 8 MR-configurator ···9
Fig. 9 Line noise filter ···9
Fig. 10 Servo amplifier system ···9
Fig. 11 Experimental apparatus for measurement of force and moment acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster ···11
Fig. 12 Photograph of experimental scene ···12
Fig. 13 Manta UUV model of CATIA ···13
Fig. 14 Water tight cylinder attached to Manta UUV model ···13
Fig. 15 CWC side-wall effect on non-dimensional heave force acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster at zero advance velocity ···14
Fig. 16 Non-dimensional heave force acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster as function of advance velocity ···15
Fig. 17 Non-dimensional pitch moment acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster as function of advance velocity ···16
Fig. 18 Non-dimensional x-coordinate of application point of ZH as function of advance velocity ···17
Fig. 19 Motion due to operation of hovering thrusters of Manta UUV with initial advance velocity (a) 100
···25(b) 150
···26(c) 200
···26Fig. 20 Surge force ···27
Fig. 23 Coordinate system and motion for current ···29 Fig. 24 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 45 without initial advance velocity
(a) Vertical motion ···30 (b) Horizontal motion ···30 Fig. 25 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 90 without initial advance velocity
(a) Vertical motion ···30 (b) Horizontal motion ···30 Fig. 26 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 120 without initial advance velocity
(a) Vertical motion ···31 (b) Horizontal motion ···31 Fig. 27 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 45 with initial advance velocity
(a) Vertical motion ···32 (b) Horizontal motion ···32 Fig. 28 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 90 with initial advance velocity
(a) Vertical motion ···32 (b) Horizontal motion ···32 Fig. 29 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 120 with initial advance velocity
(a) Vertical motion ···33 (b) Horizontal motion ···33 Fig. 30 Depth change motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current with initial advance velocity
(a) 45
···34 (b) 90
···34 (c) 120
···34List of Tables
Table 1 Principal dimensions of Manta UUV ··· 3 Table 2 Nominal capacity of 3-Component load cell ··· 6 Table 3 Nominal capacity of servo motor ··· 8 Table 4 Principal dimensions of model propeller adopted to hovering thruster
··· 10 Table 5 Hydrodynamic derivatives and other coefficients for motion simulation
··· 24
A study on Motion of Manta-type Unmanned Undersea Vehicle
June Kim
Department of Naval Architecture and Ocean Systems Engineering Graduate School of Korea Maritime University
Abstract
The Unmanned Undersea Vehicle(UUV) which was called Manta-type Unmanned Undersea Vehicle(Manta UUV) had taken the shape of manta. Manta UUV was proposed by Bae et al.(2008). Manta UUV is based on the same design concept as Manta Test Vehicle(MTV), which was originally built and studied by the Naval Undersea Warfare Center(NUWC) in the USA. Effects due to hovering thrusters attached Manta UUV of large angle of attack are measured from model experiment in circulating water channel. Characteristics of various motions are evaluate to apply mathematical model for numerical simulation based on Bae et al.(2009a). Numerical simulation is carried out to calculate hovering motion due to only hovering thruster, lateral motion due to only current, composite motion due to both hovering thruster and current. Lateral motion due to current is calculated to apply velocity variables, which are defined as relative velocity due to angle of current, to mathematical model, and hovering motion due to hovering thruster is calculated to apply results of model experiment to mathematical model.
서언 1.
국내 해군력 증강을 위한 수중유도무기체계 개발의 일환으로 무인잠수정에 대한 연 구가 진행되어지고 있다. 수중운동체의 모형시험 결과를 해석하기 위한 운동방정식의 구조 선택과 미계수의 선택방법, 잠수체의 부가물 형상에 따른 조종성미계수에 관한 실험적 연구, 수중운동체의 조종성능에 미치는 유체력미계수의 민감도 해석법에 대한 연구 등의 여러 연구가 이루어 졌다. 본 연구에서는 미국의 Naval Undersea Warfare
이하 에서 년대 중반부터 연구를 수행해 온 이하
Center( NUWC) 1990 Manta Test Vehicle(
이라 불리는 무인잠수정을 기반으로 한
MTV) Manta-type Unmanned Undersea Test
이하 의 호버링 운동 특성을 검토하였다 는 모함인 잠수
Vehicle( Manta UUV) . Manta UUV
함 동체의 일부로써 연결되어 있다가 필요시에 모함으로부터 분리되어 모함이 운용되 기 힘든 협소한 지형과 같은 곳에서 정보 획득 등의 임무를 수행하는데 이용되어 진 다. 평상시 Manta UUV는 잠수함의 일부로 존재하기 때문에 Manta형의 특이한 형상을 가지게 된다. 그러므로 Manta UUV의 특수한 상황과 독특한 형상에 따른 운동 특성에 대한 여러 연구가 필요하다.
본 연구에서는 Manta UUV의 모형에 호버링 스러스터를 설치 후 구동시켜 호버링 스 러스터의 회전수와 Manta UUV의 전진속도가 운동에 미치는 영향을 측정하고, 그 실험 결과를 극한조종운동 6자유도 수학모델에 대입하여 시뮬레이션 기법으로 Manta UUV의 여러 운동 특성을 검토하였다.
의 명세 및 좌표계 2. Manta UUV
의 명세 2.1 Manta UUV
최초의 Manta UUV는 전후방 좌우측면에 각각 1개씩의 수평판과 선미상하부의 수직판 이 부착되어진 형상 참고문헌( [7])이었지만 동안정성의 문제 때문에 부가물이 전방 수 평판과 하부 수직판을 제거하고 후방 수평판의 크기와 상부 수직판의 위치를 수정한 형상 참고문헌( [3])을 활용하였다. 형상과 주요목은 Fig. 1과 Table 1로 나타내었다. 의 동체 후방측면의 수평판은 의 단면형상을 이루고 있고 수평면 내
Manta UUV NACA0008
에서의 동안정성을 위하여 동체선미상부에 수직판을 설치하였다. 또한 동체 바닥에는 수직이동을 원활하게 하기 위하여 4개의 호버링 스러스터가 설치되어 지고 선미에는 전진추력을 위한 개의 스러스터가 설치되어 진다2 .
Fig. 1 Drawing of Manta UUV
Item Dimension Fuselage
length L = 12.0 m
breadth B = 4.4 m
height H = 1.2 m
disp. vol.
∇
= 31.88 m3 centroid from nose 6.333 m Horizontal plate (2)root chord 1.52 m
tip chord 1.1552 m
span 1.7271 m
Elevarotor (2)
root chord 0.50 m
tip chord 0.50 m
span 1.00 m
Upper verical plate
root chord 2.00 m
tip chord 0.45 m
span 1.00 m
Rudder
root chord 0.45 m
tip chord 0.45 m
span 0.75 m
Propulsion thruster (2)
propeller diameter 0.60 m
pitch ratio 1.20
blade area ratio 0.75 number of blades 5 Hovering thruster (4)
Table 1 Principal dimensions of Manta UUV
좌표계 2.2
를 강체 로 가정하고 와 같이 나타내었다 의
Manta UUV (rigid body) Fig. 2 . Manta UUV 고정된 동좌표계를
, 공간좌표계를
라 하였다. 동좌표계는 선수뱡향 을
축, 정횡우현방향을
축, 선저방향을
축의 (+)방향으로 정의하였고 동좌표계의 원점 는 Manta UUV 동체 중앙 횡단면에서 동체의 중앙 위치에 취하기로 하며 이 점 은 무게중심과 일치하지는 않는다. 공간좌표계는 Manta UUV의 운동명령 시작점에서의 진행방향을 축, 시작점에서의 정횡우현방향을 축, 지구중심으로의 방향을 축의방향으로 정의하였다 그리고 공간좌표계의 원점
(+) . 는 시작점에서의 로 정의하
였다. U는 Mata UUV의 합속도이고
,
,
는 각각
축,
축,
축의 방향 속도성분 을 의미하며
,
,
은
축,
축,
축 주위의 각속도성분을 의미한다. , , 는
축,
축,
축 방향의 유체력, , , 은
축,
축,
축 주위의 유체력 모멘트를 의미한다 그리고.
는 수직사항각,
는 수평사항각을 의미한다.Fig. 2 Coordinate system and notation
호버링 스러스터의 성능에 관한 모형실험 3.
실험 장치 3.1
회류수조 3.1.1
구속모형실험을 실시한 회류수조는 길이 12.5 m, 폭 2.2 m, 높이 5.2 m인 2임펠러 방식의 수직 순환형으로 관측부는 길이 5 m, 폭 1.8 m, 수심 0.9 m이다. 회류수조의 유속을 수직, 수평으로 측정하였다. Fig. 3은 측정 결과 중의 일부를 나타낸 것이다. 실험 시 수조수심의 중앙에서 실험을 실시하기 위하여 모형선을 자유표면에서 0.45 m 아래로 위치시켰다. 모형선 주변에서는 정확한 값을 위하여 0.5 m 간격으로 세밀히 측 정하였다. 유속이 일정하게 측정되어지는 것을 보고 실험에 이용할 수 있다고 판단하 였다.
Fig. 3 Velocity distribution of circulating water channel
분력계 3.1.2 3
는 압력과 모멘트를 전압으로 측정해주는 분력계이다 분력계는 방수가 이
Fig. 4 3 . 3
루어지지 않아서 수중에 있는 모형선과 strut을 이용하여 연결한 후 회류수조의 유속 이 모형선에 끼치는 유체력과 모멘트를 측정하였고 터미널보드를 이용하여 3분력계에 서 출력되는 측정값을 디지털화하여 컴퓨터에 수치로 저장하였다. Table 2에서 알 수 있는 분력계의 정격용량을 고려하여 회류수조의 유속을 결정하였다3 .
Fig. 4 3-Component load cell
측정값 정격 용량
Force 5 kgf Moment 1 kgf·m
Table 2 Nominal capacity of 3-Component load cell
서보시스템 3.1.3
호버링 스러스터의 프로펠러의 회전수를 제어하기위한 서보시스템은 Fig. 5의 서보 모터를 제어하는 서보앰프와 Fig. 6의 프로펠러를 돌리는 서보모터, 제어 명령을 보내 는 컴퓨터, 각 기기를 연결하는 케이블로 구성하였다. Table 3은 정상운동 시 서보모 터의 성능이다. 서보모터에 장착되어 있는 인코더(18 bit, 262144 p/rev)가 순간적으 로 회전수를 측정하고 회전수에 따라 서보앰프가 자동으로 서보모터에 공급되는 전압 을 조절하기 때문에 0.01 % 이하의 오차로 서보모터의 회전수를 일정하게 유지한다. 을 보면 이후에서 토크 특성이 변화함을 알 수 있다 실험에 이용되
Fig. 7 3000 rpm .
어질 회전수의 설정은 일반 컴퓨터에 제어프로그램인 Fig. 8처럼 MR-configurator를 설치하여 컴퓨터가 서보앰프에 명령 값을 직접 보내어 제어하도록 하였다. 그리고 서 보앰프가 발생시키는 고조파가 3분력계의 측정값에 간섭현상을 일으키는 고조파 노이 즈를 발생키기 때문에 고조파를 감소시켜 주는 Fig. 9와 같은 라인 노이즈 필터를 추 가시켜 주었다. Fig. 10은 실제로 서보앰프가 컴퓨터와 서보모터에 연동되도록 기판을 제작한 것이다. 위치제어가 아닌 속도제어만을 고려하여 제작하였기 때문에 비교적 간 단하게 제작하였다.
Fig. 5 Servo amplifier
Fig. 6 Servo motor
모델명 HF-KP053
최대출력용량 50 W
정격토크 0.16 N·m 최대토크 0.48 N·m 정격rpm 3000rpm 최대rpm 6000rpm Table 3 Nominal capacity of servo motor
Fig. 7 Servo motor toque
Fig. 8 MR-configurator
Fig. 9 Line noise filter
모형선 3.1.4
가 전진 운동 시에 호버링 스러스터의 작동에 의해 가 받는 정확
Manta UUV Manta UUV
한 영향을 구하기 위하여 Fig. 11에 나오는 형태로 실선의 1/10 크기의 모형선을 제작 하여 Fig. 12와 같이 회류수조에서 실험하였다. 실제 Manta UUV에는 4개의 호버링 스 러스터가 설치되어 있지만 모형선에서는 경비 절약을 위하여 모형에는 선수 방향으로 전방좌측에 1개만을 물의 흐름을 방해하지 않기 위하여 관통하는 형태로 설치하였다. 절에 나온 서보시스템을 이용하여 호버링 스러스터의 프로펠러의 회전수를 통제 3.2.3
하였고 3.2.2절의 3분력계를 이용하여 모형에 작용하는 유체력과 모멘트를 측정하였 다. 수중에서의 수밀 문제를 해결하기 위하여 서보모터와 같은 구동파트만을 포함시킨 밀폐 용기인 Water Tight Cylinder(이하 WTC)를 따로 제작하여 모형선에 부착하였다. 제작 전 Fig. 13처럼 상용프로그램인 CATIA를 이용하여 모형선의 공간과 WTC의 크기를 구하였다. 그리고 회전이 발생하는 WTC 내부의 서보모터 샤프트와 외부의 프로펠러 샤 프트의 연결 부위는 두 개의 고무 씰을 통과시켜 연결한 후 수중에서 12시간 동안 서 보모터를 가동시키는 테스트를 시행하여 WTC의 방수가 이루어졌음을 확인하였다. Fig.
는 실제 제작되어 설치되어진 이다 실제 호버링 스러스터에 사용되어지는 프로
14 WTC .
펠러의 주요목은 Table 4로 나타내었다.
Propeller Dimension diameter 0.061m pitch ratio 0.709 blade area ratio 0.49 number of blade 4
Table 4 Principal dimensions of model propeller adopted to hovering thruster
Fig. 11 Experimental apparatus for measurement of force and moment acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster
Fig. 12 Photograph of experimental scene
Fig. 13 Manta UUV model of CATIA
Fig. 14 Water tight cylinder attached to Manta UUV model
실험 결과 3.2
회류수조가 만들어내는 물의 흐름의 방향과 모형의 선수방향이 평행하게 위치시키면 측벽과 동체의 사이가 0.9 m밖에 떨어져 있지 않으므로 프로펠러 분출류(jet stream) 가 수조 측벽에 부딪히게 되어 흐름의 일부가 제약을 받는 회류수조 측벽효과 가 발생할 수 있다 측벽효과의 영향이 얼마나 되는지 알아보기 위 (blockage effect) .
하여 회류수조의 유속이 0 이고 물의 흐름 방향과 선수방향이 평행한 상태와 수직인 상태 동체와 측벽사이의 거리가 멀어 지므로 측벽효과가 없다고 보았다 에서 프로펠( .) 러의 회전수를 달리하여 계측을 실시하였다. 그 결과 Fig. 15과 같은 결과가 나왔다. 측벽효과에 의해서 힘의 크기가 차이가 남을 알 수 있지만 그 차이가 미미하기 때문에 무시할 수 있다고 판단하였다. 식(1)과 같이 프로펠러의 추력 를
로 나누어 주어 무차원화해준 값을 종축 로 나타내었고 프로펠러의 회전수를 횡축
로 나타 내었다.
(1)Fig. 15 CWC side-wall effect on non-dimensional heave force acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster at zero advance velocity
의 전진속도가 있는 상태에서의 호버링 스러스터의 추력을 구하기 위하여 Manta UUV
물의 흐름과 동체의 선수방향이 평행한 상태로 모형을 설치한 후 어느 정도의 시간간 격을 두고 2회에 걸쳐서 실험을 실시하였다. 후진 시에는 전방 호버링 스러스터의 위 치는 전진 시 후방 호버링 스러스터의 위치와 거의 일치하므로 후진 시 추력으로 후방 호버링 스러스터의 추력을 대체할 수 있다고 가정하였다.
Fig. 16 Non-dimensional heave force acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster as function of advance velocity
Fig. 16의 횡축은 Froude (수
,
: 중력가속도, : 동체 길이 로 나타내) 고 전진은 (+)방향, 후진은 (-)방향으로 나타내었다. Fig. 17를 보면 2번의 실험결과 가 비슷한 형태를 이루지만 실험점의 분산(scattering)이 심하다는 것을 알 수 있다. 그리고 후진 시보다 전진 시에 속도의 영향을 크게 받는다는 것을 알 수 있다. 이러한면에 저압대(reduced pressure regions)를 형성하여 이 저압대가 호버링 스러스터 추 력과 반대방향의 힘을 작용시킴으로써 결과적으로 추력이 감소된 효과로 나타난다. 그 리고 분출류의 영향권에 들어가는 Manta UUV 하부 면적이 넓을수록 저압대가 크게 형 성되므로 추력 감소 현상이 크다고 할 수 있다. 다시 말해서 전방 호버링 스러스터가 후방 호버링 스러스터보다 전진속도의 영향을 더 받는다는 것을 알 수 있다.
(2)Fig. 17 Non-dimensional pitch moment acting on Manta UUV due to operation of hovering thruster as function of advance velocity
식(2)과 같이 추력에 의한 종동요모멘트 를
로 나누어 무차원화해준 에 영향을 미치는 속도 영향을 Fig. 17로 나타내었다.Fig. 18 Non-dimensional x-coordinate of application point of ZH as function of advance velocity
Fig. 18은 를
로 나누어 주어 추력의 작용점에 미치는 속도 영향을 나타낸 것이다. 이상과 같이 실험을 통하여 Manta UUV의 전진과 후진 시 호버링 스러스터의 성능변화에 대하여 고찰하였다. 앞의 실험결과로부터 전방 호버링 스러스터와 후방 호 버링 스러스터에 미치는 속도의 영향이 서로 반대로 나타나므로 호버링 스러스터가 동시에 작동할 때는 이들 각각에 미치는 속도의 영향이 서로 상쇄되어 평균적으로 속 도의 형향을 받지 않는다고 가정하였다. 그러므로 추력의 무차원치인 은 호버링 스 러스터의 설치 위치와 Manta UUV의 이동 속도에 영향을 받지 않으며 호버링 스러스터 작동에 의한 동유체력의 작용점은 기하학적 설치 위치와 동일하다고 가정하여 수학모 델을 단순화하였다.호버링 운동의 수치 시뮬레이션 4.
대각도 받음각을 갖는 자유도 운동 수학모델
4.1 6
참고문헌[6]에서 제안된 Manta UUV의 6자유도 극한 조종운동 수학모델을 인용하였 다. 그리고 극한 운동조종 수학모델에 앞서 언급한 3.2절 실험에서 얻은 호버링 스러 스터의 특성을 대입하였다. Manta UUV의 합속도가 0인 상태에서 수직면 또는 수평면 내에서 회전운동을 하는 경우에는 회전각속도의 제곱에 비례하는 동유체력모멘트가 회 전운동과 반대방향으로 작용하게 되는데, 이러한 영향을 수평면에서는
, 수직면 에서는
의 형태로 표현하여 수학모델에 포함되어있다.
, , 는 질량, 무 게, 부력을 의미하고 , , 는
,
,
축 주위의 질량관성모멘트를 의미한다.
,
는 무게중심의
좌표와
좌표이고
,
는 부심의
좌표와
좌표이다.또한
,
는 횡동요각, 종동요각을 나타내며 dot(∙) 기호는 시간미분을 의미한다.과 는 선미의 우현과 좌현에 설치되어 있는 추진용 스러스터의 추력을 의미하 고 추진용
은 초당 프로펠러 회전수, 는 프로펠러의 직경,
는 추력감소계수,는 추력계수를 나타낸다.
과
는 각각 수직타와 수평타의 타각을 의미하며, 수 직타는 우현방향을 (+)의 방향, 수평타는 상방향을 (+)의 방향으로 정의한다.
는 우 현측 추진용 스러스터의
좌표이다. 부가질량계수 ′
는
방향 운동모드에 기인하는
방향의 부가질량 또는
축 주위의 부가관성모멘트의 무차원치를 의미한다 참고문헌( [13]).
는 우측 호버링 스러스터의
좌표,
과
는 각각 전방, 후방의 호버링 스러스터의
좌표,
는 우현측 추진용 스러스터의
좌표이다.- Surge force equation
′ ′ ′
′ ′ ′
′ ′
′ ′
′
′ ′ ′
(3) where
′
′
, ′ ′ , ′ ′′ ′ , ′ ′ , ′ ′
- Sway force equation
′ ′ ′ ′
′ ′ ′ ′
′ ′
′
where
′ ′ , ′ ′ , ′ ′
′ ′ , ′ ′
- Heave force equation
′ ′ ′
′ ′ ′
′ ′ ′ ′
′
(5) where
′ ′ , ′ ′ , ′ ′
′ ′ , ′ ′ ,
- Roll moment equation
′ ′ ′ ′
′ ′ ′ ′ ′ ′
′ ′
′ ′ ′
(6) where
′ ′ , ′ ′
′ ′ ′ , ′ ′
′ ′ , ′ ′ ′
′ ′ ′ , ′ ′ ′
′ ′ ′ , ′ ′ ′
- Pitch moment equation
′ ′ ′ ′ ′
′ ′ ′ ′
′ ′ ′ ′ ′
′
(7)
′ ′ , ′ ′ , ′ ′
′ ′ , ′ ′
- Yaw moment equation
′ ′ ′ ′ ′
′ ′ ′ ′ ′
′ ′
′
(8) where
′ ′ , ′ ′ , ′ ′
′ ′ ′ , ′ ′
′ ′ ′ , ′ ′
′ ′ ′
유체력미계수 등 4.2
수학모델과 마찬가지로 유체력 미계수도 이전 논문에서 참조하였다. 질량분포는 균 일하다는 전제를 먼저 설정하고 상용 프로그램인 CATIA를 이용하여 Manta UUV 형상을 구현하여 질량, 질량관성모멘트 부심의 위치를 구하였다 무게중심은 부심보다, .
아래 실물 기준 에 있는 것으로 가정하였다( ) . 부가질량과 부가관성모멘트는 strip 이론 을 적용하여 구하였다. 감쇠유체력미계수의 경우 속도 관련 유체력미계수는 실험결과 를 이용하였고, 각속도 관련 선형 유체력미계수는 동체의 경우에는 세장체이론 참고문헌 을 적용하고 부가물의 경우에는 참고문헌 의(slender body theory)( [11]) [16]
추정식을 이용하여 각각의 동유체력을 구하여 합산한다 참고문헌( [7]). 각속도 관련 비 선형 유체력미계수
′
와 ′
를 구하기 위해서는 cross-flow 모델을 적용하여 추 정하기로 한다 참고문헌( [14]).Der. Value Der. Value Der. Value
′ 0.03685 ′ 0.00000 ′ -0.00041
′ 0.00034 ′ 0.09747 ′ 0.00346
′ 0.00170 ′ 0.00730 ′ -0.00461
′ 0.00200 ′ 0.00000 ′ -0.00730
′ -0.02766 ′ 0.01069 ′ -0.00034
′ 0.02569 ′ -0.04400 ′ -0.00230
′ -0.02766 ′ -0.00511 ′ 0.00000
′ 0.00903 ′ -0.00502 ′ 0.00000
′ 0.192 ′ -0.09747 ′ -0.02177
′ -0.167 ′ -0.00730 ′ -0.00113
′ 0.10 ′ -0.01886 ′ 0.00499
′ 0.10 ′ -0.00034 ′ -0.03772
′ -0.00184 ′ 0.00230 ′ 0.11838
′ -0.09747 ′ 0.02642 ′ 0.00629
′ 0.01886 ′ -0.71865 ′ -0.03499
′ -0.00730 ′ 0.07781 ′ -0.00287
′ -0.00230 ′ 0.01795 ′ 0.00463
′ 0.00034 ′ -0.02005 ′ -0.00117
′ -0.00453 ′ 0.01697 ′ 0.00000
′ -0.00762 -0.24 ′ 0.00230
′ 0.00028 ′ -0.00159 ′ -0.00730
′
0.03730 ′ 0.00000 ′ 0.00000
0.01555 ′ -0.00034 ′ -0.00156 ′
-0.01038 ′ 0.00000 ′ -0.00302
-0.00739 ′ 0.00034 ′ -0.00034 ′
-0.03713 ′ 0.00345 ′ 0.00034
0.02875 ′ -0.00500 ′ 0.00692 ′ -0.00228 ′ 0.00500 ′ -0.00648
′ -0.00733 ′ -0.07861 ′ -0.00161
′ -0.00733 ′ -0.00597 ′ -0.00388
′ -0.01886 ′ 0.00040 ′ 0.00218
′ -0.00034 ′ 0.00005
′ 0.00230 ′ -0.00010
Table 5 Hydrodynamic derivatives and other coefficients for motion simulation
수치 시뮬레이션 결과 4.3
호버링 스러스터에 의한 운동의 특성을 확인하기 위하여 다음과 같은 여러 가지의 시뮬레이션을 시행하였다. 3차원의 움직임을 수평과 수직으로 각각 나누어서 표현하였 다. Manta UUV의 실물 스케일로 수치 시뮬레이션이 수행하였고 수치 시뮬레이션의 최 종 결과는 운동궤적을 공간좌표(, , )와 Euler각(
,
,
)으로써 나타내었 다. 호버링 스러스터의 명령회전수에 대한 실제 회전수는 다음과 같이 응답하는 것으 로 가정한다.
(9)여기서 은 시정수,
는 명령회전수(
),
는 실제 회전수(
)를 의미한다.호버링 스러스터에 의한 수직이동 4.3.1
(a)
(b)
(c)
Fig. 19 Motion due to operation of hovering thrusters of Manta UUV with initial advance velocity
Fig. 19 (a) ~ (c)는 Manta UUV의 초기 속도가 전진방향으로 0.5
일 때 호버링 스 러스터를 상승과 하강방향에서 각각 100 rpm, 150 rpm, 200 rpm으로 구동시킨 시뮬레 이션결과를 매 60초 간격으로 나타낸 것이다. 는 전진방향 초기속도, 는 호버링 스러스터의 명령회전수를 의미한다. 이전 대각도 수직사항시험 결과인 Fig. 20과 Fig.참조하여 운동을 해석하였다 참고문헌 상승운동 중에서는 호버링 스러스터의
21 ( [6]).
회전수가 증가할수록 전진속도가 감소하며 상승속도가 늘어남을 알 수 있다. 상승속도 가 증가할수록 전진방향 저항이 매우 커지는 (+)방향의 수직사항각 범위에 들어가기 때문에 전진속도가 감소하는 것으로 생각되어진다. 반대로 하강운동에서는 호버링 스 러스터 회전수의 변화에 따른 하강속도의 변화가 비교적 적고 전진속도는 증가함을 알 수 있다. 하강속도가 증가할수록 수직사항각이 범위가 (-)방향으로 작용하기 때문에 저항이 반대로 작용하기 때문에 전진속도가 증가하고 하강 방향의 저항이 상승방향의 저항보다 크기 때문에 하강속도가 상승속도보다 적어진다고 생각되어진다.
Fig. 20 Surge force Fig. 21 Heave force
호버링 스러스터에 의한 심도변경 4.3.2
Fig. 22 Depth change motion due to operation of hovering thrusters of Manta UUV with initial advance velocity
: ≧
:
(10)Fig. 22는 초기 전진속도를 0.5
, 목표심도를 ±60 m로 설정하고 심도변경을 실시 한 시뮬레이션결과이다. 식(10)과 같이 목표심도의 90 % 이하에서는 호버링 스러스터 가 회전수를 150 rpm으로 구동하도록 하였고 90 % 이상에서 자동으로 회전수를 조정할 수 있도록 하였다. 여기서 는 명령회전수, 는 목표심도, 는 Manta UUV의 현재 심도를 의미한다. 앞서의 시뮬레이션결과처럼 상승운동이 하강운동보다 훨씬 빠르게 목표심도로 수렴함을 알 수 있다.수직이동에 미치는 조류의 영향 4.3.3
조류에 기인하는 힘은 별도의 외력항을 고려하지 않고 수학모델에 작용하는 운동변 수
,
를 상대유속 즉, 대수속도라 정의함으로써 다음과 같이 조류의 영향이 운동에 포함될 수 있다.
Fig. 23 Coordinate system and motion for current
공간좌표계
에서 조류의 유속을 , 유향각(축으로부터 조류의 방향 까지의 각도 을)
라 하면 (Fig. 23참조)
(11)
(12)식(11)로부터 식(12)의 관계를 구한 후 수학모델에 식(12)을 대입하여
,
,
,
,
,
를 구해줌으로써 운동궤적의 공간좌표(, , )와 Euler (각
,
,
)을 구할 수 있다.(a) Vertical motion (b) Horizontal motion
Fig. 24 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 45 without initial advance velocity
(a) Vertical motion (b) Horizontal motion
Fig. 25 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 90 without initial advance velocity
(a) Vertical motion (b) Horizontal motion
Fig. 26 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 120 without initial advance velocity
Fig. 24 ~ 26는 1
의 조류가 45
, 90
, 120
방향으로 유입되고 있을 때 프로펠 러회전수가 150 rpm으로 호버링 스러스터가 구동되도록 한 시뮬레이션결과이다. (a)는 수직운동, (b)는 수평운동을 나타낸다. 조류의 유향각이 90
, 120
에서 회두운동이 크게 일어남을 알 수 있다. 이는 동체의 수평사항각이 선수동요모멘트가 크게 받는 구 간에 들어가기 때문으로 추측된다 참고문헌( [6]).(a) Vertical motion (b) Horizontal motion
Fig. 27 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 45 with initial advance velocity
(a) Vertical motion (b) Horizontal motion
Fig. 28 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 90 with initial advance velocity
(a) Vertical motion (b) Horizontal motion
Fig. 29 Motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current of 120 with initial advance velocity
Fig. 27 ~ 29은 호버링 스러스터와 조류에 의한 운동에 Manta UUV의 초기 전진속도 0.5
를 추가시켜준 시뮬레이션결과이다. (a)는 수직운동, (b)는 수평운동을 나타낸 다. 초기속도를 추가시켜 주었기 때문에 Manta UUV가 전방으로 더 이동함을 알 수 있 다. 그리고 앞의 전진 속도가 0인 결과와 비교해서 회두운동이 감소함을 알 수 있다. 이는 전진속도가 입력되면서 Manta UUV의 수평사항각이 변화하여 선수동요모멘트를 크 게 받는 범위에서 벗어나기 때문으로 생각되어 진다.심도변경에 미치는 조류의 영향 4.3.4
(a)
(b)
(c)
Fig. 30 Depth change motion due to operation of hovering thrusters and horizontal current with initial advance velocity
는 심도변경 운동에
Fig. 30 (a)~(c) 1
의 조류가 45
, 90
, 120
방향으로 유입 되도록 한 시뮬레이션이다. 심도변경에서의 수평운동은 수직이동 운동과 거의 동일하 기 때문에 생략하였다. 조류의 유향각이 45
일 때에는 Manta UUV의 전진방향과 조류 의 방향이 반대가 되기 때문에 저항이 발생하여 조류가 없을 시보다 더 늦게 수렴함을 알 수 있고 유향각이 90
일 때에는 조류가 심도변경 운동에 거의 영향을 주기 않는다 는 것을 알 수 있다. 그리고 유향각이 120
일 때는 목표심도에 수렴되어지는 시간은 변화가 없지만 이동거리가 월등히 길어짐을 알 수 있다.결 론 5.
본 연구에서는 MTV를 기초로 제안된 Manta UUV의 모형선을 제작하여 회류수조에서 대각도 수직운동 실험을 수행한 결과를 이용하여 시뮬레이션을 시행한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 호버링 스러스터 작동에 기인하는 수직방향의 추력특성을 실험적으로 규명하였다.
2. 수치 시뮬레이션 기법을 이용하여 Manta UUV의 수직이동 운동, 복합 운동에 대한 특성을 파악하였다.
3. 조류가 Manta UUV에 작용하였을 때 특정 유향각에서 선수동요가 크게 일어남을 확 인하였다. 이는 Manta UUV의 운동안정성에 악영향을 끼칠 것이므로 개선이 필요하다고 판단되어진다.
4. 상승속도가 커지면 전진방향의 저항이 커져서 전진속도가 감소하고 반대로 하강속 도가 커지면 저항이 반대로 작용하여 전진속도가 증가함을 확인하였다. 선수상부형상 과 선미하부 형상이 급격히 깎이어져 있기 때문에 항력이 발생한다고 생각되어진다.
5. 앞으로 운동 특성의 증명과 대입을 위하여 자유항주가 가능한 Manta UUV 모형을 이 용한 실험이 추가되어져야 한다고 생각되어진다.
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