Study on Dynamics Modeling and Depth Control for a Supercavitating Underwater Vehicle in Transition Phase

기존의 어뢰와 같은 수중운동체는 물과 완전히 접촉한 상태로 운동하게 되며 이때 물에 의한 마찰저항으로 인해 운동속력의 한 계가 존재하게 된다. 1970년대에 들어 러시아과학자들은 수중운 동체의 속력을 높이기 위한 방법을 제시하였다. 추진시스템의 향 상이 아닌 물과의 접촉으로 인한 항력 자체를 줄이는 방법이다. 수중운동체를 공동(cavitation)으로 감싸 물과의 접촉면을 줄이면 마찰저항 역시 줄어들게 된다. 이러한 공동을 인위적으로 크게 만 들어 물과의 접촉면을 완전히 제거하는 초공동(supercavitation) 현상을 이용하면 기존의 수중운동체가 갖는 운동속력의 한계를 극복할 수 있어 군사선진국들을 중심으로 초공동 기술에 대한 연 구가 활발히 진행되고 있다. 실제로 러시아에서 개발한 초공동 수중로켓 Shkval은 운동속도가 에 이르는 것으로 알려져 있다 (Na & Lee, 2011). 최근까지 초공동 수중운동체의 동역학 모델링과 그에 관련된 많은 연구들이 진행되어 왔다. 초공동 수중운동체의 동역학 모델 링과 제어에 관한 분야에 대한 연구는 Dzielski and Kurdila (2003)에 의한 기초 연구를 시작으로 Vanek, et al. (2007), Dzielski (2011), Fan, et al. (2011)등에 의해 일정한 속도에 도 달한 정상상태의 동역학 모델링 및 제어만 수행되었다. 초공동의 유체역학적 유동에 관한 연구 역시 활발히 이루어지고 있다. 초 공동 수중운동체에 형성되는 부분공동(partial cavity)에 대한 연 구가 Varghese (2003)에 의해 이루어졌고, 최근 중국에서는 천이 영역에서 환기공동에 대한 수치해석 연구가 활발히 진행되었다. Zou, et al. (2010)은 비정상류에서 환기공동의 가스누수율에 관 한 실험식을 개발하고 이를 실험과 비교하였다. 또한 부분공동과 공동 주변 유동에 의한 마찰저항감소 메커니즘이 수치해석적인 방법을 통해 연구되었다 (Xiang, et al., 2011). 초공동 유동에서 뿐만 아니라 기포가 발생하는 일반적인 유동 상황에서 마찰저항 감소에 관한 연구가 수행된바 있다 (Elbing, et al., 2008). 본 연구에서는 천이영역의 특성을 고려한 초공동 수중운동체 의 동역학 모델링 및 심도제어에 관한 연구가 수행되었다. 천이 pISSN:1225-1143, Vol. 51, No. 1, pp. 88-98, February 2014