초공동 수중운동체의 천이구간 특성을 고려한 모델링 및 제어 연구

Abstract

초공동 수중운동체는 물과의 마찰저항을 획기적으로 줄일 수 있는 기술이다. 수중운동체를 기포로 감싸게 되면 물과의 접촉면이 줄어들어 마찰저항이 감소한다. 초공동기술은 이러한 기포를 인위적으로 크게 만들어 운동체와 물의 접촉을 완전히 제거함으로써 마찰저항에 의한 추력손실을 없애는 기술이다. 이러한 초공동기술을 통해 수중운동체는 기존의 수중속력한계를 뛰어넘게 된다. 초공동 수중운동체는 발사초기단계부터 천이영역을 거쳐 초공동상태에 이르게된다. 천이영역에서는 공동이 운동체를 완전히 감싸지 않은 상태인 부분공동상태로 존재하게 된다. 부분공동으로 인해 운동체는 물과 접촉하는 액침이 생기게 된다. 완전한 공동의 발달전까지 운동체의 몸체뿐 아니라 캐비테이터, 핀 등에 생기는 액침은 계속해서 변하게 되고 이로인한 유체력역시 불안정하게 작용하게 된다. 천이구간에서 작용하는 불안정한 힘을 적절하게 제어하지 않으면 운동체의 상태가 발산하게 되어 목표한 임무를 달성할 수 없게 된다. 따라서 천이구간에서 운동체가 받는 힘을 모델링하는 것과 그 힘을 적절하게 제어하여 운동체를 안정시키는 것이 필요하다. 또한 가능하다면 불안정한 힘을 받는 천이구간 자체를 줄이는 노력이 필요하다. 본 연구에서는 초공동수중운동체의 천이구간 특성을 고려한 모델링을 수행하고 이를 바탕으로 천이구간에서 운동체의 자세 및 심도를 유지할 수 있는 제어기를 설계하였다. 수중운동체의 모델링을 수행하기 위해 6자유도 비선형방정식 이용하였다. 천이구간에서 운동체가 받는 힘은 액침에 의한 유체력, 중력, 캐비테이터 및 핀에 의한 힘이 있다. 각각에 대한 모델링을 수행하고 이를 바탕으로 운동체의 심도 및 자세를 유지하는 제어기를 설계하였다. 제어기는 PID제어를 이용하였고 이중루프구조를 통해 자세뿐 아니라 심도제어도 가능하게 하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 초공동 수중운동체의 천이구간 특성을 고려한 모델링이 물리적으로 타당함을 확인하였고 제어기를 사용한 제어 시뮬레이션을 통해 초공동 수중운동체가 천이구간에서의 심도유지 및 안정화구간에서 심도변경명령을 추종하는 것을 확인하였다.

A supercavitation is modern technology that can be used to reduce the frictional resistance of the underwater vehicle. In the process of reaching the supercavity condition which cavity envelops whole vehicle body, a vehicle passes through transition phase from fully-wetted to supercaviting operation. During this phase of flight, unsteady hydrodynamic forces and moments are created by partial cavity. In this paper, analytical and numerical investigations into the dynamics of supercavitating vehicle in transition phase are presented. The ventilated cavity model is used to lead rapid supercavity condition, when the cavitation number is relatively high. Immersion depth of fins and body, which is decided by the cavity profile, is calculated to determine hydrodynamical effects on the body. Additionally, the frictional drag reduction associated by the downstream flow is considered. Numerical simulation for depth tracking control is performed to verify modeling quality using PID controller. Depth command is transformed to attitude control using double loop control structure.