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지우 서문
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1 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호, pp. 390~397, 2012 년 8 월 학술논문 해상 수중부문 함정운항에따른조명등기구가진력비교연구 A Comparative Study on Exciting Force for Luminaire of Naval Vessels According to Sailing Condition 박미유 * 조흥기 * 이관우 * 유영수 * 조규룡 * Mi-You Park Heung-Gi Cho Kowan-Woo Lee Young-Soo Yu Kyu-Lyong Cho Abstract According to sailing condition, an exciting force for luminairie of naval vessels was measured and analyzed. A naval combat service support boat and P (patrol killer guided missile) were selected as a target naval vessel. Due to their small size and fast speed, they received excessive vibration than other bigger naval vessels like destroyer. The vibration of luminairie was measured on their cruising and maximum speed. This could analyze exciting force for luminairie of naval vessels. Using this analyzed data, the validity of military standard for naval vessel was verified. Keywords : Exciting Force( 가진력 ), Luminaire( 조명등기구 ), Naval Vessel( 함정 ), Naval Combat Service Support Boat( 전투근무지원정 ) 1. 서론 함정은다양한극한의조건에서도그성능을보전하여실제전투에서최고의전투력을유지해야하기에함정에탑재된장비들은어떠한상황에서라도최상의성능을발휘하게끔많은노력을기울이게되며그하나하나가중요한역할을수행하고있다. 이러한장비중함정의내부에설치된조명등기구는태평양전쟁에서피격에의해함정전체의내부조명이꺼짐으로서함정의전투수행능력을상실한경우가종종발생하였을정도로기초적이면서도매우중요한 2012 년 4 월 10 일접수 ~2012 년 7 월 13 일게재승인 * 국방기술품질원 (DTaQ) 책임저자 : 박미유 (hanhim@dtaq.re.kr) 장치이다. 따라서함정의조명등기구는염수분무, 절연저항, 진동및충격등의다양한조건에서도최상의전투력유지를위하여그성능이보장되어야한다. 이를위해해군에서는그성능을일정수준이상으로유지하고자제도적으로납품시각함정에탑재되는형광등기구에대해 KS규격 [1] 혹은사전에협의되어승인된형광등기구의제작사규격또는미군사규격 [2] 에서요구하는성능을반드시만족하게끔하고있다. 본논문에서는형광등기구의성능을일정수준이상으로유지하고자적용하는이러한규격들의함정조명등기구진동분야에대한적용타당성을고찰해보고자하였다. 함정에설치되는조명등기구의경우진동분야에있어서지금까지는타장비에도일반적으로적용하는미군사규격을적용하고이규격에서규정한실험을통과하 390 / 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 )

1 에서와같이천안함절단면부근의형광등이파손되지않은것에대해많은논란이일었으나명확한데이터에의한공학적인판단이내려지지못한채논란만가중된바가있었다.

2 함정운항에따른조명등기구가진력비교연구 Fig. 1. Fluorescent light in Cheonan ship 기만하면제품을설치하는데아무런문제점이없었다. 즉, 지금까지는함정의운행과사격등에따라조명등기구에어떤주파수성분의진동과충격이가해지는지에대한분석이전혀이루어지지않았고이에따라미군사규격등에서규정한진동실험기준이함정의조명등기구의성능보장에있어적절한것인지에대한분석역시전혀이루어지지않은상태이다. 이러한연유로지난천안함폭침사건에서도 Fig. 1 에서와같이천안함절단면부근의형광등이파손되지않은것에대해많은논란이일었으나명확한데이터에의한공학적인판단이내려지지못한채논란만가중된바가있었다. 따라서이번연구를통해적용되고있는함정의등조명기구에적용하고있는규격에대해서알아보고, 그러한규격들이실제함의운용조건을제대로반영하고있는지와규격에서설정한실험조건외의다른고려사항이필요하지않은지에대해서고찰해보고자함정의운항시조명등기구에가해지는진동을측정하고분석하였다. 또한, 본논문을통해향후관련분야의연구를진행하는연구자에게도움이되는데이터를제공할수있을것으로기대한다. 대상함정은작은선체크기와속도에의해서운항시더욱큰진동을받는전투근무지원정이나유도탄고속함을위주로하였으며, 측정은순항속력과최고속력에서이루어졌다. 또한유도탄고속함의경우주포인 76mm 포의사격시포바로아래있는사격통제실의조명등기구에가해지는진동도측정, 분석하였다. 격등여러가지종류가있는데본논문에서는진동분야에한정해서그규격과실측데이터를비교, 고찰해보고자한다. 앞서서론에서도밝혔듯이함정은다양한극한의조건속에서도전투력유지를위해서그성능을최상의상태로유지해야하고심지어실제전투상황에서적에의해피격을당했다하더라도함정의복원력을비롯한기본적인성능을유지하고있어야한다. 이때가장기본적으로필요한사항은함정내부를밝히는조명등기구가그기능을유지하고있어야한다는점인데, 조명의유지를통해서각종기기를제어하고전투를수행하며위급상황시승조원들의대피를유도할수있어야하는것이다. 따라서항해와날씨에따른해수면과의파도에의한충돌과급작스러운항로변경, 피격등에의한여러충격과진동환경하에서도조명등기구의성능유지를위해서적용하고있는여러규격에는충격과진동항목이필수적으로들어가있는상황이다. 이번장에서는이러한일반선박및함정용조명등기구에적용되는규격중진동항목을위주로고찰해보고자하며, 더불어본논문에서고려하고있지는않지만규격중충격에해당되는항목에대해서도소개하고자한다. 1) KS V 8445 [1] 선박에사용하는형광램프를광원으로하는형광탁상등, 비방수형, 방수형및레일이동형형광등에대하여규정한 KS규격으로서, 진동시험은 KS V 8016 [3] A 1 - B 1, 0.5급 1.5H 규정에따라시험하게되어있 2. 함정조명등기구관련규격 가. 개요 함정에설치되는조명등기구에관련된규격은 KS규격과국방규격, 미군사규격, 각함정에따른제작사규 Fig. 2. Measurement of vibration 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 ) / 391

3 박미유 조흥기 이관우 유영수 조규룡 다. 충격시험은특수선용의형광등에한하며 KS V 0818 [4] 의 4.14의방법 2에따라충격시험을실시하게되어있는데, 이는시험품을부착한시험대에정현반파의충격펄스를발생하는시험기에규격에서정한충격펄스를파형변형 ±20% 이내로시험대위에일정하게분포하도록가하는시험법이다. 탄성마운트로지지되는형광등은별도의협의가없는경우마운트의충분한충격흡수능력을확인하고램프홀더는 KS V 0818의 4.13에따라낙하시험을하였을때전기적, 기계적손상이없고부품또는몸체의파손이나굴곡이없어야한다. 2) MIL-DTL-16377H [2] 미군함정에설치되는형광등및백열등기구성능요구사항을규정한미군사규격으로서진동시험은조명등기구와모든부품은 MIL-STD-167-1A [6] 의 Type I에따라실시하며진동시험중손상이나부품의헐거움이없어야한다고되어있다. 충격시험은 MIL-S-901D [5] Grade B, Type A 장비를위한 High Impact에견뎌야한다고되어있다. 여기서 Grade B는함의안정성과지속적인전투능력을위해필수적이지는않지만승조원들이나 A등급장비에게위험요소가될수있거나충격노출에의한결과에의해서함의위험요소가될수있는장비를일컫고, Type A는선체나선체에바로연결되는 foundation, 파이프시스템, 덕트시스템, 선체에지지되는유사한시스템에적용되는장비를일컫는다. 3) 제작사규격 해군함정에설치되는여러탑재장비와장치들의경우해당제품에대한국방규격이제정되어있지않으면방위사업청의승인을거쳐제작사의규격을사용하고있다. 이때형광등및백열등과같은조명등기구에대한성능요구사항중소음, 진동, 충격과관련된사항은일반적으로앞서소개한미군사규격들을따르도록되어있는상황이다. 실례로우리해군의최신예이지스함인 K -III급함정에설치되는등조명기구는진동시험은 MIL-STD Type I의요구사항이만족되어야한다고되어있다. 충격은 MIL-S-901D 에따른충격시험에만족하여야하며, 조명등기구가아무이상없이작동하여야한다는조항이들어있다. 4) MIL-STD-167-1A [6] MIL-STD 규격은탑재장비에대한진동시험 요구조건이정의되어있는규격으로서 Type I은장비가노출된진동환경에대한진동시험기준이다. 함정에탑재되어외부에서의진동을받게되는모든장비에적용하게되어있다. 시험장비위에대상탑재장비를고정하고공진탐색시험을거쳐 Table 1과같은주파수범위와변위로탑재장비의구조적건전성및성능유지여부를검사하게된다. Table 1. Vibratory displacement of environmental vibration 주파수범위 (Hz) 가진변위 (mm) 4~ ± ~ ± ~ ± 실선계측결과가. 계측의개요운용중인함정에설치된조명등기구인형광등으로가진되고있는진동을측정하고분석하고자 MIL-STD A에서정의하고있는주파수범위에서의실제가진되고있는진동을측정하였다. 측정은항만수송정, 항만경비정, 청수정, 유도탄고속함, 율곡이이함을대상으로진행하였다. 조명등기구중측정대상이된형광등모듈은 Fig. 1, 2에서와같이함격실의천장에설치되어있는데, 본계측에서는형광등모듈로가진되는진동을측정할수있도록모듈의고정부위에서 3방향에대해 Fig. 2에서와같이가속도계를설치하고현장상황상가능한조건에서순항, 최대속력및포사격시형광등모듈로가해지는진동을측정하였다. 측정은평균 (averaging) 을 100회실시하여잡음신호의영향을배제하였다. 또한, 측정당시의해상상태는모든계측의경우파고가 0.5~1m 정도로매우양호하여파도등에의한선체의진동이측정대상인조명등기구모듈의진동에영향을미치지는않는다고판단하였다. 나. 가속도성분으로의고찰주파수성분에따른진동의영향을분석하고자 Fig. 3, 4에가속도측정데이터성분을도시하였다. 이외 392 / 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 )

4 함정운항에따른조명등기구가진력비교연구 의다른측정에서도결과는비슷하였다. Fig. 3, 4에서도알수있듯이기관실의엔진및발전기의조화성분이주로나타나고있음을알수있으며, 최고속력조건하에서는 60Hz 부근에서 X방향, 즉함정의앞뒤방향으로의진동성분이크게나왔다. 진동은 100Hz 안에집중되어있었고, 최대 500Hz 범위안에분포되어있었다. 다. 계측결과값고찰이번항에서는함정에설치되는등조명기구에서요구하는규격들의만족여부를판단하기위하여규격에서요구하는변위별요구치와실제측정치를비교하고자한다. 각그래프에는 Table 1에나와있는기준치들의상 / 하한치범위를표시하였다. 결과그래프에나와있는기준치는미군사규격인 MIL-STD-167-1A에정의되어있는기준치를나타낸것이다. 그래프상에는보안상주파수를삭제하였지만미군사규격 [6] 에정의되어있는주파수범위를참조하면결과를파악하는데문제는없을것으로판단된다. 1) 항만수송정항만수송정 (Y :Yard Ferry) 은 47톤급함정으로주로인원이송이나물자이송을위하여이용되나연안에서의경비를위하여도광범위하게활용되고있다. 선체는 FRP로만들어져있고순항속력은 21kts 정도이며, 야간의연안경비를위한순찰시에는 14kts정도의속력을내도록되어있다. Fig. 5, 6은항만수송정의순항속력과최대속력하에서의객실에설치된등기구의진동계측결과값이다. 그래프에서알수있듯이순항속력일경우수직방향 (Z방향) 진동이기준치하한을넘고는있으나상한치 Fig. 3. Measurement result of YOO(cruising speed) Fig. 5. Measurement result of YO(cruising speed) Fig. 4. Measurement result of POO firing room (Max. speed) Fig. 6. Measurement result of YO(Max. speed) 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 ) / 393

5 박미유 조흥기 이관우 유영수 조규룡 는넘지않고있었지만, 최대속력일경우는수직방향 (Z방향) 진동이매우높게나오고있음을알수있다. 2) 항만경비정항만경비정 (Y :Yard Utility Boat) 은 70톤급함정으로도서및항만연안의경비를위하여사용되고있다. 항만수송정과마찬가지로선체는 FRP로만들어져있으며순항속력은 22kts, 최대속력은 30kts정도이다. 승조원을위한공간은승조원실이함정의앞부분수면상에위치해있다. 항만경비정은실험여건상순항속력에서밖에계측을할수없었는데, Fig. 7에서와같이모든방향의진동이기준치를크게밑돌고있었다. 진동의양상은항만경비정과비슷하였다. 여건상측정치못한최대속력에서의진동도비슷할것으로보이는데, 두함정에있어서 Z축 ( 상하 ) 방향성분이크게나온것은 FRP로건조된함정의특성상선체가가벼워속력이증가할수록선수가위로들어올려졌다가다시내려가며변위가크게변하고이상황에서해수면과의충격이일어나기때문인것으로판단된다. 하가 50, 75, 100% 일때의진동을측정하였다. 측정결과는 Fig. 8~11과같으며그래프에서와같이모든방향의진동이기준치를크게밑돌고있었다. Fig. 8. Measurement result of YOO(Engine load 50%) 3) 청수정청수정 (Y :Yard Water Ship) 은 665톤급함정으로각해군기지및도서지역에청수를공급하는역할을하는함정으로배의중앙선저부에청수를담아이송하게된다. 선체는스틸로되어있으며승조원을위한공간은함정의주갑판부에위치해있다. 순항속력은 11kts 정도이다. 측정은주갑판하부에위치한기관실바로위에위치한제1부사관실과식당에설치된조명등기구에서실시하였으며, 제1부사관실의경우엔진부 Fig. 9. Measurement result of YOO(Engine load 75%) Fig. 7. Measurement result of YOO(cruising speed) Fig. 10. Measurement result of YOO(Engine load 100%) 394 / 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 )

6 함정운항에따른조명등기구가진력비교연구 Fig. 11. Measurement result of YOO mess room (Engine load 100%) Fig. 12. Measurement result of KOO-III #2 (Max. speed) 이는청수정이란함정의특성에서찾아볼수있다. 청수정은함정의특성상배의중앙선저부에배의절반이상크기의탱크에물을가득싣고운항하게되어, 무게중심이낮고, 탱크의물때문에자체중량도상당히많이나갈뿐더러, 물이외부로부터의충격뿐만이아니라내부기관실의엔진, 발전기에서발생한기진력도상당부분흡수하기때문인것으로판단된다. 4) 율곡이이함율곡이이함은 7600톤급우리나라최신예이지스구축함으로서 K -III급의두번째함정이다. 현재우리나라함정중에가장큰함정으로, 전체적으로는진동이크지않다. 하지만선미쪽주갑판하부에위치한후타실은근처에위치한프로펠러의작동영향으로함운항시상당히큰진동이발생하고있는상황이다. 이런이유로측정은율곡이이함에서가장큰진동이발생하고있는후타실의중앙에위치한조명등기구에서최고속력일때실시하였다. 측정결과는 Fig. 12와같으며, 그래프에서와같이모든방향에서기준치를넘지않고있었다. Fig. 13. Measurement result of POO firing room (Max. speed) 5) 유도탄고속함유도탄고속함은참수리급고속정을대체하기위하여건조되고있는 500톤급고속함으로서적함정과의전투뿐아니라항만방어와같은연근해작전업무를수행하는함정이다. 디젤엔진과개스터빈엔진이각각 2대씩설치되어있어최고속력이 40노트이상이되지만, 이런이유로 4개의엔진에서발생되는기진력과 Fig. 14. Measurement result of POO firing room (Max. speed) 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 ) / 395

7 박미유 조흥기 이관우 유영수 조규룡 Table 2. Vibration measurement result of luminaire of Naval Vessels 측정대상함정및조건 최대진폭 (mm)(1hz~) x 축 y 축 z 축 항만수송정 (Y ) 14노트 ( 순항속력 ) 항만수송정 (Y ) 20노트 ( 최대속력 ) (3.1Hz) 항만경비정 (Y ) 22노트 ( 순항속력 ) 청수정 (Y ) 1부사관실엔진부하 50% 청수정 (Y ) 1부사관실엔진부하 75% ( 순항속력 ) 청수정 (Y ) 1부사관실엔진부하 100% ( 최대속력 ) 청수정 (Y ) 식당엔진부하 100% ( 최대속력 ) 율곡이이함후타실 ( 최고속력 ) 유도탄고속함 (P ) 사격실 40노트 ( 최고속력 ) 유도탄고속함 (P ) 사격실사격시 고속에따른해수면과의마찰및충격에의해서큰진동이발생하고있는함정이기도하다. 측정은실험여건상선수에설치된 76mm 주포사격실에설치된조명등기구를대상으로최고속력과사격시에만가능했다. 실험결과는 Fig. 13, 14와같으며, 그래프에서도알수있듯이미군사규격 [6] 에서규정한주파수범위내에서는모든방향에서기준치를넘지않고있었다. 하지만그이하주파수인 4Hz이하저주파수에서는그래프에서와같이큰진동이발생하고있음을알수있었다. 4. 종합분석및대책측정결과는 Table 2 및 Fig. 2~14와같다. 결과에서알수있듯이 MIL-STD-167-1A에서정의한주파수범위에서의가진진폭에는대부분의경우크게미달하기때문에이규격에서제시하고있는기준으로실험을실시하여문제없이통과할경우실제상황에서도안전할것으로판단되지만항만수송정의경우최대속력에서상하방향 (Z방향) 의경우기준치를넘는다는것을알수있었는데, 최대속력조건이많지않다 는점과공진이걸릴가능성이적다는점을고려하면이를통해큰문제가발생하지는않을것같다는판단이든다. 하지만이처럼선체가 FRP로이루어진함정처럼중량이가벼운함정과유도탄고속함사격통제실에서처럼함포근처에위치한조명등기구모듈에는연결부위에고무마운트와같은충격흡수장치를삽입해야할것으로판단된다. 5. 결론실제운용되고있는함정중특히진동이심한것으로알려진함정에설치되어있는등조명기구에가해지는진동을측정, 분석함으로써설치등기구의수락시험에사용되는규격이실제함의운용조건을제대로반영하고있는지를파악해보았다. 이를통해현재적용되고있는규격은비교적실제함정운항조건을충실히반영하고있는것으로판단된다. 다만유도탄고속함의경우에서와같이규격에서규정하고있지않은 4Hz이하주파수대역에서큰진동이발생하고있다는점은새로이고려해보아야할것으로판단이된다. 따라서향후이점에대한좀더종합적인연구가필요할것으로판단된다. 396 / 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 )

8 함정운항에따른조명등기구가진력비교연구 후기이연구는민군규격통일화연구과제의지원으로실시되었으며, 국방기술품질원자체검토결과군사보안상문제가없음을확인하였습니다. References [1] Korean Industrial Standards, Fluorescent Lights for Marine Use, KS V 8445, [2] US Military Standard, Fixtures, Lighting; And Associated Parts; Shipboard Use, General Specification For, MIL-DTL-16377H, [3] Korean Industrial Standards, General Requirements for Vibration Test of Electrical Apparatus for Marine Use, KS V 0816, [4] Korean Industrial Standards, General Rules for Environmental Test of Marine Electrical Apparatus, KS V 0818, [5] US Military Standard, Shock Tests, H. I.(High- Impact) Shipboard Machinery, Equipment and Systems, Requirements for, MIL-S-901D, [6] US Military Standard, Mechanical Vibrations of Shipboard Equipment, MIL-STD-167-1A, 한국군사과학기술학회지제 15 권제 4 호 (2012 년 8 월 ) / 397

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