Nakwan Kim

Integrated dynamics modeling for supercavitating vehicle systems

ABSTRACT We have performed integrated dynamics modeling for a supercavitating vehicle. A 6-DOF equation of motion was constructed by defining the forces and moments acting on the supercavitating body surface that contacted water. The wetted area was obtained by calculating the cavity size and axis. Cavity dynamics were determined to obtain the cavity profile for calculating the wetted area. Subsequently, the forces and moments acting on each wetted part-the cavitator, fins, and vehicle body-were obtained by physical modeling. The planing force-the interaction force between the vehicle transom and cavity wall-was calculated using the apparent mass of the immersed vehicle transom. We integrated each model and constructed an equation of motion for the supercavitating system. We performed numerical simulations using the integrated dynamics model to analyze the characteristics of the supercavitating system and validate the modeling completeness. Our research enables the design of high-quality controllers and optimal supercavitating systems.

Dynamics modeling of a semi-submersible autonomous underwater vehicle with a towfish towed by a cable

ABSTRACT In this paper, we employ a dynamics modeling method for investigating a multi-body dynamics system of semi-submersible autonomous underwater vehicles consisting of a towing vehicle operated near the water surface, a tow cable, and a towfish. The towfish, which is towed by a marine cable for the purposes of exploration or mine hunting, is modeled with a Six-Degree-of-Freedom (6-DOF) equation of motion that reflects its hydrodynamics characteristics. The towing cable, which can experience large displacements and deformations, is modeled using an absolute nodal coordinate formulation. To reflect the hydrodynamic characteristics of the cable during motion, the hydrodynamic force due to added mass and the drag force are imposed. To verify the completeness of the modeling, a few simple numerical simulations were conducted, and the results confirm the physical plausibility of the model.

Studies on Ventilation Control for a Ventilated Supercavitating Vehicle

Supercavitation is a modern technique which can be used to surround an underwater vehicle with a bubble in order to reduce the resistance of the vehicle. When the vehicle is at low speed in the deep sea, the cavitation number is relatively big and it is difficult to generate a cavity large enough to envelope the vehicle. In this condition, the artificial cavity, called ventilated cavity, can be used to solve this problem by supplying gas into the cavity and can maintain supercavitating condition. In this paper, a relationship between the ventilation gas supply rate and the cavity shape is determined. Based on the relationship a ventilation rate control is developed to maintain the supercavitating state. The performance of the ventilation control is verified with a depth change control. In addition, dynamics modeling for the supercavitating vehicle is performed by defining forces and moments acting on the vehicle body in contact with water. Simulation results show that the ventilation control can maintain the supercavity of an underwater vehicle at low speed in the deep sea.

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

Control method for ventilated supercavitating vehicle considering planing avoidance and stability

In this study, we focus on realizing planing avoidance control for a ventilated supercavitating vehicle while considering stability issues. A ventilated supercavitating vehicle can control the size of a cavity by blowing gas into the cavity. By controlling the cavity size, planing can be prevented in advance. However, the vehicle loses its stability because of the growth of the cavity. Additional control input is determined to prevent “stability loss” based on linear stability analysis while considering ventilation system dynamics. The proposed controllers are applied to a supercavitating vehicle model, and numerical simulations are performed to analyze the physical feasibility and performance of the designed controllers. The results show that the proposed control methods can maintain vehicle stability during maneuvering operations and can eliminate planing.

Planing Avoidance Control for a Supercavitating Underwater Vehicle Based on Potential Functions

In this paper, we focus on planing avoidance control for a supercavitating underwater vehicle based on the potential function method. The planing margin can be calculated using the relative position between the cavity center and vehicle center at the end of the vehicle. The planing margin was transformed into a limit variable such as the pitch angle and yaw angle limit. To prevent the vehicle attitude from exceeding the limit variable, a potential function based planing envelope protection method was proposed. The planing envelope protection system overrides commands from the tracking controller, and the vehicle attitude converges to a desired angle, in which the potential function is minimized. Numerical simulations were performed to analyze the physical feasibility and performance of the proposed method. The results showed that the proposed methods eliminated the planing, allowing the vehicle to follow tracking commands. Received 18 December 2017, revised 23 May 2018, accepted 7 June 2018 Corresponding author Nakwan Kim:+82-02-880-7293, nwkim@snu.ac.kr ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9378-8372 c 2018, The Korean Society of Ocean Engineers This is an open access article distributed under the terms of the creative commons attribution non-commercial license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Studies on Planing Avoidance Control for a Ventilated Supercavitating Vehicle

수중운동체는 수상선과는 달리 운동체의 모든 부분이 물과 접촉하며 운항한다. 따라서 수상선에 비해 물과의 접촉으로 인 한 마찰저항 및 형상저항이 크게 발생하게 된다. 저항의 크기 는 속도의 제곱에 비례하기 때문에 빠른 속도로 운항할 경우 큰 저항을 받게 되어 비효율적이고 단순히 추력의 상승을 통 한 목표속도의 도달은 한계가 존재한다. 한계를 극복하기 위하 여 군사 선진국들을 중심으로 초공동 기술이 활발히 연구 중 에 있다. 초공동 기술은 공동이 운동체를 덮게 하여 마찰저항 을 줄이는 기술로 운동체의 앞부분에 위치한 캐비테이터에 의 해 공동이 생기게 된다. 빠른 속도로 인해 자연적으로 생기는 공동을 자연형 공동이라 하고 인위적으로 가스를 불어주어 생 기는 공동을 분사형 공동이라 한다. 공동의 형상에 따라 운동체에 작용하는 저항의 크기가 결정 되기 때문에 운동체의 상태에 따른 공동의 모델링은 중요한 문제이다. Logvinovich(1972), Garabedian(1956), Savchenko(1998)는 공동의 길이 및 형상에 대한 연구를 수행 하였다. 공동의 형상은 공동수에 의해 결정되는데 분사형 공동 의 경우 공동 내의 압력이 불연속적이고 추정하기 어렵기 때 문에 분사량과 공동수 사이의 관계식이 필요하다. Logvinovich(1975)는 공동의 형상을 결정하기 위해 필요한 분 사량과 공동수 관계식을 정의하였다. Semenenko(2001)는 공 동수와 Froude 수의 곱에 따라 분사형 공동의 세 가지 형태를 정의하였다. 분사형 공동의 모델링에 대해서는 현재에도 많은 연구가 진행되고 있다. 국내에서는 2차원 몸체의 초공동 유동 의 수치해석 연구(Lee, et al., 2013)와 중력 및 자유표면 효 과에 대한 수치해석 연구(Kim & Lee, 2014)가 이루어졌다. 2 차원 유동을 3차원으로 확장시켜 축대칭 캐비테이터에 대한 초월공동유동의 수치해석(Kim, et al., 2013)도 수행된 바 있 으며 수치해석 결과와 비교 분석하는 실험 연구가 수행되었 다(Ahn, et al., 2012). 원판 캐비테이터의 환기 초공동에 대 한 실험적 연구(Kim, et al., 2015)도 수행되었다. 초공동 수중운동체에 작용하는 유체력과 동역학 모델링 및 제어에 관해서는 Kim and Kim(2015)의 초공동 수중운동체의 통합 동역학 모델링 및 심도 제어에 관한 연구가 수행되었다. 수중운동체가 초공동 상태에 도달한 후 운동체가 공동의 표면 밖으로 나오게 되어 물과 접촉면적이 생겨 발생하는 planing 현상에 대한 연구는 Logvinovich(1980)에 의해 최초로 모델링 pISSN:1225-1143, Vol. 53, No. 3, pp. 201-209, June 2016

A Study on Design Constraints of a Supercavitating Underwater Vehicle

기존의 수중운동체는 물과 완전히 접촉한 상태로 운동하며 이 때 물에 의한 마찰저항으로 인하여 운동의 속력 한계가 존재한 다. 초공동 기술은 수중운동체를 공동(cavitation)으로 감싸 물과 의 접촉면을 줄여 마찰저항을 감소시킴으로써 수중운동체 주행 속도를 크게 증가시킬 수 있는 기술이다. 초공동 기술은 군사선 진국을 필두로 1970년대부터 꾸준히 연구되고 있는 분야이다. 최근 국내에서도 초공동 관련 기초연구가 국방과학연구소 주관 으로 꾸준히 수행되고 있고 관련 논문도 다수 발표된 바 있다 (Ahn, et al., 2012; Kim & Lee, 2014; Kim, et al., 2013; Kim & Kim, 2014; 2015a; 2015b; 2015c; Lee, et al., 2013). 하지 만 그 수준이 기초연구단계이고 초공동 수중운동체 설계 관련 연 구는 전무한 실정이다. 국외에서 초공동 설계 관련 논문으로는 gradient-based 최적화 알고리즘 기반의 캐비테이터 형상 최적 화 기법 (Choi, et al., 2005)이 연구된 바 있고 실린더형 shell의 좌굴 안정성을 고려한 최적 설계 기법에 대한 연구 (Ahn & Ruzzene, 2006)도 수행된 바 있다. Alyanak, et al. (2006)은 초 공동 수중운동체의 크기, 형상 및 구조적 형상(configuration)에 관한 연구를 수행하였지만 운동체의 주행성능보다는 구조적인 관 점에 초점을 맞추었다. Ahn, el al. (2010)은 조종(maneuvering) 제약조건을 고려하여 초공동 수중운동체의 형상(configuration) 최적화를 수행하였다. 하지만 제약조건에 사용된 운동체 동역학이 발사 초기 천이영역을 고려하지 않았고 제어판의 길이 및 위치를 결정할 때 운동체의 안정성이 고려되지 않았다. 본 논문에서는 초공동 수중운동체의 최적 설계를 위한 선행연 구로서 운동체 설계 시 고려해야 하는 설계 제약조건에 관한 연구 를 수행하였다. 2장과 3장에서는 설계 제약조건을 결정하는데 필 요한 공동의 모델링과 운동체의 동역학 모델링에 대해서 서술하 였다. 운동체 동역학 모델링은 선형 모델링과 천이구간 모델링을 고려하였다. 4장에서는 본 논문의 주요 연구내용인 설계 제약조건 에 대한 연구 결과가 나타나 있다. 4.1절에서는 설계 변수를 정의 하고 4.2 – 4.6절에서는 설계 제약조건에 대해 서술하였다. 특히 4.6절에서는 운동체의 종축 안정성을 고려하여 핀의 길이를 결정 하는 안정성 제약조건에 대해 서술하였고 이를 반영한 설계 시 운 동체의 안정성을 확보할 수 있다. 5장에서는 4장에서 서술한 각각 의 제약조건 하에서 수치시뮬레이션을 수행하여 주요 설계변수인 캐비테이터 직경과 운동체 반경 또는 핀 길이의 변화가 초공동 수 초공동 수중운동체의 설계 제약조건에 관한 연구 김선홍 .김낙완†