KR800000201B1 - 선수익 및 선미익을 갖는 수중익선용 제어시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

선수익 및 선미익을 갖는 수중익선용 제어시스템

제1도는 본 발명의 수중익선(水中翼船; hydrofoil)을 나타내는 측면도이다.

제2도는 배의 선수(船首) 및 선미(船尾)에 있는 보조익의 위치 및 여러가지 감지장치(感知裝置)의 위치를 표시한 제1도의 수중익선의 저면도이다.

제3도는 본 발명의 수압식(水壓式) 제어 시스템을 도식적으로 나타낸 개략도이다.

제4도는 배의 피치축(pitch軸), 로울축(ro1l軸) 및 편요축(信捨軸; yaw axis)의 관계를 보여주는 수중익선의 사시도이다.

제5도는 본 발명의 수중익선에 대한 전체적인 제어조직을 나타내는 선도(線圖)이다.

제6A도-제6C도는 이들을 모두 횡으로 조립하였을 때 선수 및 선미보조익과 선수키(舵)에 대한 제어시스템을 자세히 나타내는 선도이다.

잘 알려진 바와 같이, 물에 잠기는 날개를 갖는 수중익선박(水中翼船舶)에 있어서는, 지주상에 설치되어 선체 아래에서 물속을 통과하는 수중익에 의해 이 선박의 선체가 수면에서 부상(浮上)하게 된다. 항해중 선체가 충분한 속도를 얻게 되면, 수중익은 양력(揚力)을 일으켜 선체를 부상시킴으로써 항해중 발생되는 통상적인 저항을 제거시키게 되는 것이다.

대개의 경우에, 수중익은 선수익(船首翼) 및 선미익(船尾翼)으로 이루어지며, 이들은 각각 항공기에 사용되는 것과 유사한 제어보조익을 갖고 있다. 다른 중요한 요소로서는 수면 아래로 돌설된 키(舵)로서, 설계에 따라 선미에 있을 수도 있고 혹은 선수에 있을 수도 있다. 대부분의 수중익에 있어서, 보조익은 일차적으로 선체를 하강 혹은 상승시키는데 사용되며 또한 선박을 이의 피치축 및 로울축에 대해 제어하는데 사용된다. 그러나 이들 보조익은 배가 선회하는 동안 배의 로울축에 대해 배를 경사선회 시키기 위해 키와 함께 사용될 수도 있다.

보조익은 또한 항해중인 선박을 안정시키는데 사용된다. 예를 들면, 선박의 피칭 및 로울링 운동은 보조익을 이에 평형 운동시킴으로서써 최소화 될 수 있다. 종래에는 선박의 로울링 및 피칭을 감지하기 위한 수직 자이로스코우프(gyroscope)를 수중익에 설치하여서, 이 수중익이 수면상 전체고도(高度) 및 선박의 수평 및 수직 가속도에 비례하는 전기신호를 발생하는 감지장치와 함께 작동하도록 하였다. 이와 같은 전기 신호는 선박이 순조로운 항해를 하도록 보조익을 제어하는 회로에 사용된다.

이러한 일용적 형태의 종래 제어 시스템이 최소한 부분적으로는 효과가 있다 할지라도, 이 제어 시스템에 반응하는 특성 및 순조로운 항해 능력에 있어서는 많은 문제점을 남기고 있다.

본 발명의 목적은 종래의 제어 시스템보다 고도의 안정정을 갖는 동시에 풍랑속에서도 순항할 수 있고, 더 좋은 반응 특성을 갖도록 새롭게 개선된 수중익선용 제어 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 이러한 제어시스템은 선체운동을 감지하며, 이 운동신호를 받아 항해사가 수동조작을 행하게 함으로써 이들 신호를 적당한 제어면 편의(偏倍)운동으로 바꾸어주는 방식에 의하여 선체를 연속적으로 제어한다. 본 발명의 수중익에서 제어표면은 선미익 및 선수익에 있는 후미(後尾, trailing edge)보조익 및 키(舵)로 된다. 선수익에 있는 좌현 및 우현 보조익은 동시에 동작하며, 동일한 수압식(水壓式) 작동장치에 연결되어 있다. 선미익에는 4개의 후미 보조익이 있는데, 각각 좌현쪽에 2개, 우현쪽에 2개씩 있다. 자동제어시스템 즉 컴퓨터는 제어면 서어보(servo)에 명령을 공급토록 감지된 운동 및 수동입력(手動入力)에 따라 동작한다.

제어 시스템에 대한 입력은 수동입력 명령 및 감지된 선체운동으로부터 얻어진다. 수동입력은 수중익을 원하는 깊이로 해주는 수중익 깊이 명령 및 선회명령을 공급하는 조타(操舵)신호 및 자동진로 유지 기능을 결합시키거나 분리시키는 진로 유지 스위치로 구성된다.

감지장치는 피치각도 및 로울각도를 감지하는 한개 혹은 두개의 수직 자이로(gyro) 및 레이다(radar) 혹은 초음파장치로서 수면과 선수사이의 거리를 측정하는 고도(高度)감지장치, 편요율(偏搖率)측정자이로, 3개의 수직 가속도계, 그리고 한개의 선수 측방향 가속도계로 구성되어 있다. 상술한 바와 같이 이들 감지장치로부터의 신호는 수동입력 명령과 결합하여 선체를 원하는 방향으로 유지하는 동시에, 보조익을 제어하여 순항 상태를 유지한다.

본 발명에 있어서 가장 중요한 특징은 선체가 선회운동을 할 때 선수익의 보조익이 먼저 작용하여 수중익을 경사선회시키거나 혹은 이 수중익을 회전시키게 된다는 것이다. 이와같은 수중익의 회전운동이 감지되면 이에 따라 키를 정확한 위치로 변경시킬 수 있으며, 그 결과 선체가 선회운동을 하는 동안 로울링을 제어할 수 있는 범위가 훨씬 넓어진다.

또 하나의 특징으로 본 발명의 제어 시스템에 있어서는, 수면상의 수중익선의 고도는 단지 선수익의 보조익에 의하여서만 제어되며, 그 반면 선체의 피칭 운동은 선수익 및 선미익 모두에 의하여 제어되도록 제어 시스템이 구성되었다는 것이다.

본 발명의 제3의 특징으로서는 2중의 수압식 및 전기식 제어 시스템이 설치되었다는데 있다. 2개의 수압식 펌프시스템이 설치되어, 이들 중 어느 하나가 셔틀 밸브를 통하여 선수 보조익 및 키에 연결되게 된다. 좌현 및 우현측의 선미 보조익중 어느 하나는 하나의 수압식 시스템에 연결되며 다른 하나는 또 다른 수압식 시스템에 연결되어서, 하나의 수압식 시스템이 고장나더라도 부분적인 선미 보조익 효과가 달성될 수 있도록 되어 있다. 이와 유사하게 2중 로울 신호 및 2중 조타 신호가 발생되도록 되어 있으며, 이때 2중 로울각도 신호는 2개의 독립된 수직 자이로에서 발생되거나 혹은 동일한 수직 자이로상의 2개의 독립된 로울 신호 픽오프(pickoff)에서 발생된다. 이러한 로울 신호 및 조타 신호는 모두 독립된 유도증폭기에 전달되는데, 이 유도증폭기는 각각 좌현 및 우현측의 선수 보조익을 제어하게 된다.

본 발명의 제4의 특징으로서는 순조로운 항해를 이루는데 사용되는 가속도 신호가 발생된다는 것이다. 선수 지주 저면(지주의 상부) 근처에서 측면 가속도 및 수직 가속도 신호가 발생하여서, 키 및 선수익에 각각 전달된다. 선수 수직 가속도 신호는 전기 성형 회로망에 전달되어서, 이 회로망이 발생하는 유사 가속도 신호가 원래의 가속도 신호와 결합된다.

본 발명에 있어서 중요한 마지막 특징은 선체의 좌현 및 우현 양측에서 수직 가속도 신호가 발생한다는 것이다. 이 신호는 각각 선미 좌현 및 선미 우현의 보조익 제어 시스템에 전달되어서 순조로운 항해를 이루도록 하여 준다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

특히 제1도를 참조하면, 도시된 수중익선은 선내(船內) 모터 및 프로펠라등(도시하지 않았음)을 장비한 종래의 선체(10)을 포함하여 종래의 배수선과 같이 선체가 수면을 횡단할 수 있도록 되어 있다. 수직축에 대해 희전가능한 키(12)가 선체에 추축적으로 연결되어 선체를 수중익 항해 방식으로 운용케 해준다. 키(12)는 또한 화살표(14)의 방향 즉 위쪽으로 회전될 수 있어 선체가 종래의 배수선과 같이 운용될 때에는 이 키가 수면에 닿게 된다. 키(l2)의 하단부에는 상호 연결되어 동시에 작용하는 보조익(18)을 갖고 있는 선수익(16)이 있다. 이러한 관점에서 단일한 선수 보조익 장치가 있다고 말할 수 있다.

선박의 선미부분에는, 지주(20)(22)가 축(21)에 대해 추축적으로 선체(10)에 연결되어 있다. 수중익 항해 방식에서는 지주(20)(22)가 제1도에서 실선으로 표시한 위치에 있게 되고, 한편 선박이 종래의 배수선과 같이 운용될 때 즉 선체 항해 방식에서는 이 지주(20)(22)가 화살표(24)의 방향 즉 후방으로 회전하여 제1도에서 점선으로 표시한 위치에 있게 된다. 지주(20)(22)의 하단부 사이에는 선미익(26)이 설치되어 있고, 이 선미익(26)의 후미에는 2개의 우현 보조익(28)(30) 및 2개의 좌현 보조익(32)(34)가 설치되어 있다. 후술할 바와 같이, 좌현 보조익의 각 조(組) 및 좌현 보조익의 각 조는 보통 동시에 동작하게 된다. 그러나 2중 운동 및 안정성을 위해서는 좌현 및 우현의 보조익 각각에 독립된 수압식 작동 시스템 및 독립된 전기식 서어보 시스템을 장비해서 한쪽이 고장일 때 다른쪽이 동작하도록 할 수 있다.

수중의 항해 방식으로 운용되는 선박에 대해 전방 추진력을 공급하기 위한 가스 터어빈-물 제트 추진장치가 지주(20)(22) 사이에서 축(21)에 대해 추축적으로 선체(10)에 연결되어 있다. 그러나 본 발명에 따르면 프로펠라 혹은 다른 추진력 발생장치도 사용될 수 있다.

키(12) 및 지주(20)(22)가 들어 올려지면 선박은 선체 항해 방식으로 항해하게 된다. 이때 상술한 바와 같은 제어 시스템이 작용하지 않는다고 가정하면, 들어올려진 상태의 지주-수중익 장치는 빌지 보오드(bilge board)와 스케그(skeg)의 조건등에 따라 선박을 해면 상태에 적합하게 만들어 준다. 지주는 로울링을 감쇄시키고 선박의 방향 안전성을 증대시켜 준다. 수중익 장치는 배의 피칭을 감쇄시킨다. 선박이 선체 항해 방식으로 고속도로 항해할 때, 제어보조익이 작동한다면, 자동제어 시스템의 동작으로 말미암아, 자이로스코우프로써 안정화된 종래의 선박보다 더욱 우수하게 해양상태에 반응할 수 있는 수중익선을 이루게 된다.

수중익 항해 방식에서, 선수익(16)을 갖고 있는 키(12)와 선미익(26)을 갖고 있는 지주(20)(22)는 제1도에 실선으로 나타난 위치 즉 아래쪽으로 회전하여 고정된다. 수중익 항해방식이 되기 위해서, 항해사는 후술하는 방식으로 수중익을 원하는 깊이에 고정시키고 조절판을 전진시킨다. 따라서 배는 가속되고 선체는 물을 가르고 전진하며, 명령된 수중익 깊이에서 배가 안정될 때까지 선체는 계속하여 부상할 것이다. 만약 배를 상륙시키려 한다면 단지 조절판의 위치를 감소하여 배의 속도를 감소시키면 된다. 정상적인 해면상태에서 수중익 항해 방식으로 운용될 때, 선체는 수면과 접촉하지 않으므로 이 선체에 대한 충격은 발생하지 않는다. 파도가 치는 해면상태에서는 이 선체가 두가지 형태의 충격을 받게 된다. 첫째는 높은 파도의 물마루에 의한 것으로서, 이러한 형태의 충격을 받으면 선체는 수중익 양력을 손실하지 않고도 파도의 물마루와 접촉하여 이것을 타고 넘는다. 두번째 형태의 충격은 파도의 파곡(波谷)에서 수중익이 옆으로 풍파를 받는 "브로칭(broaching)" 현상에 기인한다. 이때 수중익은 유체역학적 유속이 다시 성립될 때까지 양력을 잃게 되며, 선체는 파도면에 의해 충격을 받을 수도 있고 받지 않을 수도 있다. 선체가 상술한 2가지 형태의 충격이 어떠한 고도(高度), 어떠한 방위(方位)에서 가해지더라도 이에 대해 완전한 방수(防水)를 유지하도록 설계되어 있다. 후술될 본 발명의 제어 시스템을 사용한다면, 수직운동 및 가속력이 발생하더라도 승무원 및 승객에게 위험이 되지 않는다.

제2도에 도시된 바와 같이, 선박의 운동을 지시하는 전기 신호를 발생하는 감지장치가 선체에 설치되어 있다. 즉 수중익 항해방식으로 선박이 운용될 때 수면상의 선박 고도에 비례하는 전기 신호를 발생하는 초음파 고도 감지장치(36)가 선수부(船首部)에 설치되어 있으며, 이 선수부에는 수직 가속도에 비례하는 전기 신호를 발생하는 선수 수직 가속도계(35)가 또한 설치되어 있다. 선박의 힁방향 가속도에 비례하는 전기 신호를 발생하는 횡방향 가속도계(38)이 키(12)의 상단에서 선체에 설치되어 있다. 우현 지주(20)의 상단에는 선미 우현 수직 가속도계(40)이 설치되어 있고, 좌현 지주(22)의 상단에는 선미 좌현 수직 가속도계(42)가 설치되어 있다. 1개의 수직 자이로스코우프(44) 또는 한쌍의 수직 자이로스코우프가 피치 축 및 로울축에 대한 선박의 각도에 비례하는 신호를 발생하도록 선박에 설치되는데, 바람직하게는 배의 중심 가까이에 설치되는 것이 좋다. 마지막으로, 편요율(偶搖率) 측정 자이로스코우프(45)가 선박의 선수부에 설치되어 있다.

제3도에는 선미 보조익 및 선수 보조익을 작동시키는 수압(水壓)시스템이 도시되어 있다. 이 수압 시스템은 독립된 원동기에 의해 구동되는 두개의 독립된 수압 장치 A, B로부터의 수압으로 제어면 즉 보조익을 작동시킨다. 선미 선외 보조익 및 선수 보조익 작동장치는 정상상태에서 장치 A에 의해 구동되고, 반면에 선미 선내 보조익 및 키 작동장치는 정상 상태에서 장치 B에 의해 구동된다. 조타실에 있는 수동스위치로 제어되는 셔틀 밸브(shuttle valve)(46)은 장치 A에서 압력 손실이 일어날 경우 선수 보조익 작동장치(48)을 장치 A에서 장치 B로 전환시킬 수 있다. 키(12)용 작동장치(50)에 연결된 유사한 셔틀 밸브(49)는 장치 B에서 압력 손실이 생길 때 키 작동장치를 장치 B로부터 장치 A로 전환시킬 수 있다. 셔틀 밸브(46)(49)는 선내 및 선외 후미 보조익용으로 쓰이는 다른 장치와 마찬가지로, 단일 수압장치가 실패할 가능성에 비해 안전한 운항능력을 배에 제공해 준다.

제3도에 도시된 선미 수압 장치는 선미 선외 보조익(28)(32) 각각에 대한 수압 작동장치(52)(54)를 포함한다. 작동장치(52)(54)는 수압장치 A에 연결되어 있다. 이와 유사하게 선미선내 보조익(30)(34)는 각각 수압 작동장치(56)(58)에 연결되어 있고, 이들은 수압장치 B로부터 동력을 공급받는다. 이와 같이, 두개의 수압장치 A 혹은 B중의 어느 하나가 고장이라도, 좌현 및 우현상에 있는 보조익중 최소한 한개씩은 계속 작동할 것이다. 보통 선박의 양쪽에 있는 선내 및 선외 보조익은 동시에 작동하며, 2중의 보조익은 안전상 사용되는 것이다.

로울축, 피치축 및 편요축에 대한 선박의 운동은 제4도에 가장 잘 도시되어 있다. 로울축(60)에 대한 모든 운동은 수직 자이로(44)와 선미 가속도계(40)(42)로 감지된다. 이 수직 가이로(44)는 로울링 정도에 비례하는 출력 신호를 발생하며, 반면 가속도계(40)(42)는 로울축에 대한 각(角) 가속도에 비례하는 신호를 발생한다. 또한 피치 축(62)에 대한 모든 운동은 수직 자이로(44) 및 선수와 선미 가속도계(35)(42)(40)에 의해 감지된다. 마지막으로, 편요축(64)에 대한 모든 운동은 편요율 자이로(45) 및 횡방향 가속도계(64)에 의하여 감지된다.

본 발명의 제어 시스템에 있어서, 선체의 수면상 고도는 단지 선수 보조익(18)에 의해서만 제어된다. 선체를 해상 표면으로부터 상승시키기 위해서는, 선수 보조익읕 아래로 회전시키고 이에 의해 선수익(16)으로 인한 양력을 증대시켜 선체를 수면으로부터 상승시키면 된다. 피치 축(62)에 대한 피칭 운동을 최소로 하거나 제거하기 위하여는 선수보조익 및 선미보조익이 모두 사용된다. 그러나 선미 및 선수보조익은 서로 반대 방향으로 작동하여 모든 피칭 조건을 상쇄한다. 예를 들어 선박의 선수가 물속에 잠긴다면, 선수 보조익(18)은 아래로 회전될 것이고 반면에 선미 보조익(28-32)는 위로 회전되어 파도 또는 기타 원인에 기인하는 피칭 모우멘트에 상응하는 반대방향 모우멘트를 발생한다. 로울축에 대한 운동의 보정은 단지 선미 보조익(28-32)에 의해서만 이루어진다. 그러나 이 경우에, 우현 보조익은 좌현 보조익과 반대방향으로 움직여 불필요한 로울링 운동을 보정하게 된다. 선박을 선회시킬 때, 최초에는 선박이 로울축에 대해 경사 선회되도록 하는 위치에 선미 보조익을 위치시키며, 그후에 비로소 키(12)를 회전시키게 된다.

상술한 바와 같이 하면 보다 유연한 선회운동이 이루어지게 되는데, 이는 선박이 키를 통해 실질적으로 회전하기에 앞서 정확한 로울 경사가 얻어지기 때문이다.

제5도에는 본 발명의 제어 시스템이 단순화된 선도로 도시되어 있는데, 이것은 제어 시스템의 실질적인 형태가 아니라 선박의 제어 방식을 용이하고 간편하게 설명하기 위한 형태임을 알아야 한다. 조타실에서의 제어에는 심도(深度) 신호 발생장치(68)로부터 발생되는 도선(66)상의 신호가 포함된다. 또한 도선(70)상의 선회 신호는 조타실의 조타 장치(72)로부터 유도된다. 후술될 시스템의 세부에서 알 수 있듯이, 조타 장치의 신호는 조타장치 자체에서 유도될 수 있고, 혹은 진로 유지회로에서 유도될 수도 있다. 후자의 경우에, 선박의 실제적인 진로와 나침반상의 진로를 비교함으로써 신호가 유도되고, 두개의 진로가 같지 않을 경우 오차 신호가 유기되어 선박의 선회를 명령해서 실제 진로를 원하는 진로와 같게 한다.

제5도에서 알 수 있듯이, 실제 고도에 비례하는 고도 감지장치(36)으로부터의 신호는 도선(66)상의 원하는 고도신호와 심도 오차 증폭기(74)에서 비교된다. 증폭기(74)로 전달된 2가지 신호가 서로 같지 않다면, 도선(76)상에 신호가 발생하여 선수 보조익서어브 시스템(78)에 전하여진다. 이 서어보 시스템(78)은 선수 보조익(18)을 선체의 상승 및 하강 여부에 따라 선수 보조익(18)을 하향 또는 상향으로 회전시킨다. 선박을 이의 편요축에 대해 선회시키려할 때에는, 원점으로부터의 타륜(舵輪)위치에 비례하는 도선(70)상의 신호가 로울 유도 증폭기(80)에 가해지고, 여기서 로울축(60)(제4도)의 연직선에 대한 로울 각도에 비례하는 수직 자이로(54)로부터의 신호(도선(82)상의 신호)와 비교된다.

선회가 시작될 때, 수면상태가 좋다면, 도선(82)상의 신호는 0이거나 대략적인 0이다. 로울 유도 증폭기는 도선(82)상의 신호와 도선(70)상의 신호를 비교한다. 바로 위에 기술된 경우와 같이 두 신호가 다르다면, 증폭기(80)가 출력신호를 발생하여 이 신호를 선내 및 선외 좌현 보조익 서어보(84)(86)에 전달한다. 동시에, 이 신호는 역전(逆轉)된 형태로 선내 및 선외 우현 보조익 서어보(88)(90)에 전달된다. 그결과 선미 보조익의 한조는 아래로 회전하고 다른 조는 위로 회전해서 선박을 이의 로울축에 대해 경사선회시키게 되는 것이다. 이러한 작용은 자이로(44)에 의해 감지되는 로울 각도가 감소하여 도선(70)상의 타륜 신호가 소멸될 때까지 계속된다. 그러나 이와 동시에 로울 각도에 비례하는 도선(82)상의 신호는 또한 키 서어보(92)에도 가해진다. 이 신호는 배가 로울축에 대해 경사 선회를 시작한 후에 키(12)를 회전시켜 선체를 경사선회하려는 방향으로 회전시킨다. 이와 같이 선박을 타륜(72)로부터의 신호에 반응하여 정확하게 경사 선회하고, 키(12)는 그후 선박을 정확하게 조정하기 위해 회전하게 되는 것이다. 상술한 바와같이 하면, 모든 해양상태에 있어서 승객 및 승무원에게 최소한의 힘을 가하여 유연한 선회를 이룰 수 있다.

다른 말로 표현하면, 이 시스템은 선박이 선회하기 전에 이 선박이 정확한 로울 각도록 갖도록 하는 것과 같은 것이다. 예를 들어, 배를 처음 오른쪽으로 선회시켰지만 해양 상태 때문에 왼쪽으로 선체가 기울어졌을 때 키를 즉시 회전시킨다면 이와 같이 유연한 선회가 이루어질 수 없다.

배가 선회함에 따라, 편요율 자이로(45)는 편요축에 대한 선회율에 비례하는 신호를 도선(94)상에 발생할 것이며, 이 신호는 키 서어보(92)에서 선회율을 제한하는데 사용된다. 축 방향 가속도에 비례하는 신호를 도선(96)상에 발생하는 선수 측방향 가속도계(38)에도 이러한 상황이 마찬가지로 적용되는데, 즉 이신호는 측 방향 가속도를 제한하기 위해 키 서어보(92)에 가하여지게 된다. 이와 같이 선박의 뱃전이 강풍 및 이에 수반되는 파도와 직접 부딪히게 되는 방향으로 선박이 선회한다면, 편요율 자이로(45)와 축방향 가속도계(38)은 선박상의 추진력을 감지하여 선회율을 제한시킨다. 물론, 원하는 선회가 이루어지고 타륜이 이의 중심위치, 즉 원점으로 다시 회전된 후에는, 도선(70)상의 신호가 소멸될 것이다. 그 결과 선미 보조익의 위치는 거꾸로 되어 로울축에 대해 수직한 위치로 선체를 바로 세우게 된다. 이때 수직 자이로(44)로 부터의 도선(82)상의 출력은 0으로 감소되고, 키(12)는 중심 위치로 복귀하여 선박은 다시 안정된다.

나머지 제어 동작은 불필요한 피칭 및 로울링 작용을 최소한으로 하거나 혹은 제거시키는데 근본적인 목적이 있다. 즉, 선수 가속도계(35)는 선수에서의 상향 및 하향 가속도를 감지하여, 선수 보조익 제어용 전기 신호를 발생해서 이 선수 보조익의 운동으로 말미암아 피치축(62)에 대한 운동이 상쇄되도록 하여준다. (제4도 참조) 그러나, 선수 가속도계(35)로 부터의 신호는 회로(98)에서 유도되는 로울 제곱 신호(rol1 signal sqvared)에 비례하는 신호와 종합 증폭기(100)에서 혼합된 후에 선수 보조익 서어보(78)에 전달된다. 이것은 선박이 선회할 때 선박이 로울축에 대해 경사를 이루며 또한 순조롭지 못한 해양상태에서 로울링 작용이 발생하게 되면, 이 로울링 작용으로 말미암아 반드시 고려되어야 할 수직 가속도가 발생하기 때문이다.

피치축에 대한 선박의 각도에 비례하는 신호는 수직 자이로(44)로 부터 유도되어 도선(102)상에 발생된다. 이 신호는 피치 유도증폭기(104)에 전달되며, 이 피치 유도 증폭기는 수평으로 부터의 피치각 및 피치각의 변화율에 대한 함수로서 변하는 출력신호를 발생하게 된다. 다음에 피치유도 증폭기(104)의 출력신호는 모든 보조익 서어보에 가해지고, 또한 역전된 형태로 선수 보조익 서어보(78)에 가해져 차동(差動)제어를 이룬다. 이 신호는 안전성 증가, 순조로운 항해, 자동적인 피치균형 제어등의 목적으로 이용된다.

선박이 로울축(60)에 대해 로울링한다고 가정하면 도선(82)상에 신호가 유도되어서 로울 유도 증폭기(80)에 전달될 것이다. 이 경우, 배가 기울어지는 방향에 따라서 도선(82)상의 신호는 처음에 한쪽 방향으로만 증가하다가 다시 원점으로 돌아오고, 그후 반대 방향으로 증가한 후 다시 원점으로 돌아오게 될 것이다. 이러한 현상으로 말미암아 로울각 및 이 로울각의 변화율과 함수 관계를 갖는 신호가 로울 유도 증폭기에서 발생된다. 이 신호는 선미보조익 좌현 및 우현 서어보에 가해져서 로울링 운동을 상쇄시키는 차동 작용을 이룬다. 바꾸어 말하면, 한쪽방향의 신호는 좌현 보조익 서어보에 가해지고 반면에 역전된 방향의 신호는 우현 보조익 서어보에 가해져서, 각각의 좌현 및 우현 보조익이 반대 방향으로 회전하여 로울링 운동을 상쇄시키는 것이다.

좌현 수직 가속도계(42)의 출력은 선내 및 선외 좌현 보조익 서어보(84)(86)에 가해져 선미 좌현 보조익 위치를 바꾸어줌으로써 좌현측에 발생하는 모든 수직 가속도를 평형시킨다. 이와 유사하게, 우현 수직 가속도계(40)의 출력은 선내 및 선외 우현 보조익 서어보(88)(90)에 가해져 위와 동일한 작용을 함으로써 선박의 우현쪽에서 발생한 수직가속도를 평행시킨다.

완전한 제어시스템이 제6a-6c도에 도시되어 있으면, 제5도의 구성 요소에 대응하는 각 구성 요소들은 제5도에서와 같은 참조 부호로 표시되어 있다. 제어 보조익 및 키가 점선(106) 및 "선박운동"으로 표시된 블록(108)을 통해 상호 연결되어 있어 서어보 시스템을 완전하게 이루고 있으며, 제어 보조익 및 키의 작동이 자이로, 가속도계 등과 같은 감지장치의 출력을 변화시키는 운동을 일으키는 것으로 나타나 있다.

선수 수직 가속도계(35)는 증폭 검파기(110)을 통해 종합 증폭기(100)에 연결되어서, 상술한 바와 같은 로울 제곱에 비례하는 회로(98)로부터의 신호와 합쳐진다. 종합 증폭기(100)으로부터는 선수 지주(즉 키(12))에서의 상승속도 및 선수지주에서의 상승 가속도의 함수로 변화하는 신호가 발생한다. 이 신호는 계수회로망(系數回路網)(112)를 통해 쇄선으로 표시된 선수 보조익 서어보(78)에 전달된다. 선수 보조익 서어보의 작동은 키(12)용 및 나머지 보조익용 서어보의 작동과 동일하다. 서어보의 자세한 작동 설명은 아래에 기술될 것이다.

수직 자이로(44)로부터의 피치출력은 증폭 검파기(114)를 통해 피치 유도 증폭기(104)에 전달되어서, 도선(116)상에 출력신호를 발생한다. 이 신호는 수평에 대한 피치각 및 피치율의 함수로서 변화한다. 이 신호는 계수 회로망(118)을 통해 선수 보조익 서어보(78)에 전달되고, 또한 역전된 형태로 계수회로망(120)을 통해 선미에 있는 보조익(28-34)용 서어보들에 각각 전달된다. 상술한 바와 같이, 제어작용은 선수익(16)상의 보조익(18)이 피칭운동에 반응하여 한쪽 방향으로 회전하고, 선미 보조익이 반대 방향으로 회전하여, 고르지 못한 해양 상태 등에 의하여 일어나는 피칭 운동을 상쇄시키는 모우멘트를 발생시키는 것이다.

제6a도에 도시된 바와 같이, 수직자이로(44)로 부터는 2개의 로울출력이 있고, 이 2개의 출력은 2중의 안전성을 도모하는데 사용된다. 하나의 출력은 증폭 검파기(122)를 통해 좌현 유도 증폭기(80A) 및 우현 유도 증폭기(80B)에 전달되고, 다른 로울 출력은 증폭 검파기(124)를 통해 동일한 2개의 유도 증폭기(80A)(80B)에 전달된다. 다른 방법으로서, 한개의 수직 자이로로 부터의 2개의 로울 출력 대신에 2개의 독립된 수직자이로를 사용할 수도 있다.

이와 마찬가지로, 조타장치(72)도 2중으로 되어서 서로 동일한 출력을 나타내고 있는데, 이들중 하나는 증폭 검파기(126)을 통해 필터회로(128)에 전달되고 다른 하나는 증폭 검파기(130)을 통해 필터회로(132)에 전달된다. 필터 회로(128)을 거쳐 나오는 출력은 도선(134)를 통해 유도 증폭기(80A)(80B)에 전달된다. 이와 마찬가지로, 필터 회로(132)를 거쳐 나오는 출력은 도선(136)을 통해 동일한 유도 증폭기(80A)(80B)에 전달된다. 로울각 및 이 로울각의 변화율의 함수로서 변하는 출력 신호를 발생할 수 있는 증폭기(80A)(80B)의 자세한 설명 및 기능에 대하여는 미국의 맥그로우 힐 출판사 간행, 1960년판, 잭슨(A.S.Jackson)저, "애널로그 전산법(Analog Computation)"을 참조하면 된다.

항해사가 수동으로 제어하도록 되어 있는 진로유지 회로(138)은 증폭 검파기(140) 및 도선(142)를 통해 유도 증폭기(80A)(80B)에 전달될 출력을 발생하도록 되어 있다. 실제로, 항해사가 수동으로 조타장치를 제어할 때에는 이 진로 유지 회로(138)가 작동하지 않는다. 반면에 선박의 진로를 어떤 방향으로 일정하게 유지하기 원할 때 진로 유지 회로는 작동되며, 이에 의하여 원하는 진로가 예를 들어 정 동(東)이면 진로 유지 회로는 이 진로를 나침반위치와 비교하여 출력을 발생함으로써 선박이 원하는 진로를 벗어날 때마다 이 선박을 선회시킨다. 다시 말하면, 진로유지 회로(38)의 출력 및 조타장치(72)의 출력은 교대적으로 사용된다.

좌현 로울 유도 증폭기(80A)의 출력은 계수회로망(144)를 통하여 선외 좌현 보조익 서어보(86) 및 선내 좌현 보조익 서어보(84)에 전달된다. 이와 마찬가지로, 우현 로울 유도 증폭기(80B)의 출력은 계수회로망(146)을 통해 선외 우현 보조익 서어보(90) 및 선내 우현 보조익 서어보(88)에 전달된다. 물론 두 회로(80A)(80B)는 기능에 있어서 동일하며, 안정성을 위하여 2중으로 설치한 것이다. 따라서 회로중 어느하나가 고장인 경우, 좌현 혹은 우현 보조익의 어느 한 조(組)만으로도 선박을 효과적으로 제어할 수 있다. 이와 마찬가지로, 2개의 조타장치 혹은 2개의 로울신호 통로중 어느 하나가 고장인 경우에도, 좌현 및 우현 보조익은 계속 효과적으로 선박을 제어할 수 있다.

선미 우현 수직 가속도계(40)으로부터의 신호는 증폭 검파기(148) 및 계수 회로망(150)을 통해 선내 및 선외 우현 보조익 서어보(88)(90)에 전달된다. 이와 유사하게, 선미 좌현 수직 가속도계(42)는 증폭 검파기(152) 및 계수 회로망(154)를 통해 선내 및 선외 좌현 보조익 서어보(84)(85)에 연결된다. 이들 신호는 순조로운 항해를 이루도록 하여 준다. 즉, 좌현쪽의 수직 가속도계는 좌현 보조익으로 하여금 이 수직 가속도를 상쇄시키도록 작동시킨다. 마찬가지로 우현쪽의 수직 가속도계는 우현 보조익을 작동시켜 우현 가속도를 상쇄시킨다. 선미 좌현 및 우현 가속도계는 안정성을 위한 2중으로 사용되는 것은 아니나, 좌현 및 우현 가속도를 감지하여 보조익을 제어하는데 사용되므로 원활한 항해가 이루어진다.

상술한 바와 같이, 고도 감지장치(36)은 심도 신호 발생장치(68)에 연결된 증폭 검파기(158)로부터 나오는 도선(156)상의 신호에 따라 심도 오차 증폭기(74)에 연결된다. 고도 감지장치(36)은 초음파형으로 되어 있으며, 배가 격랑속을 항해하여 해면과 선체 사이의 실제 거리가 파도의 물결에 따라 계속 변화하더라도 실제적인 고도 신호는 거의 변동하지 않도록 이 고도 감지장치(36)의 출력은 여과 또는 집적(集積)된다. 심도 오차 증폭기의 출력은 상술한 바와 같이 계수 회로망(160)을 통해 선수 보조익 서어보(78)에 전달된다. 따라서 고도에 대한 제어는 전적으로 선수 보조익(18)에 의하여 이루어진다.

편요율 자이로(45)의 출력은 증폭 검파기(162) 및 계수 회로망(166)을 통해 키 서어보(92)에 전달된다. 또한 선수 횡방향 가속도에 비례하는 신호가 증류 검파기(168) 및 계수 회로망(170)을 통과하여 키 서어보에 전달된다. 마지막으로 로울 각도에 비례하는, 증폭 검파기(122)(124)의 출력이 계수 회로망(172)를 통해 키 서어보(92)에 전달된다. 상술한 바와 같이, 타륜을 회전할 때 선미 보조익이 작동하기 시작하여 배를 로울축에 대해 경사 선회시키고, 이때 이 경사선회 작용이 수직 자이로에서 감지되어 로울 각도 신호가 발생되며, 이 신호가 키 서어보(92)로 전달되는 방식으로 제어 작용이 이루어지는 것이다. 이때 이 작용을 받아 키가 경사선회 방향으로 선회되게 된다. 선박이 적당한 방향으로 선회되고 타륜이 이의 중심위치 즉 원점으로 돌아온 후에 선미 보조익은 선박을 직립(直立)위치로 환원시키게 되면, 로울 출력 신호는 소멸되며 키는 이의 중심위치 즉 원점으로 돌아가게 된다.

본 발명의 특징은 타륜을 선회시키지 않더라도 선박의 로울링 작용이 선미 보조익뿐만 아니라 키(12)도 역시 작동시킨다는 것인데, 이는 자이로(44)의 로울 출력이 키 서어보(92)에 연결되어 있기 때문이다. 이러한 방식에 있어서, 만약 배가 바람이나 파도에 의해 오른쪽으로 로울링한다면 로울링 운동을 최소로 하기 위하여 키를 작동시켜서 선박을 왼쪽으로, 혹은 바람 및 파도와 대향(對向)하는 방향으로 조정하게 된다.

상술한 바와 같이, 모든 보조익 서어보 및 키 서어보는 동일한 것이다. 따라서, 선미 보조익 서어보(78)만을 자세히 기술하고자 한다. 이 선미 보조익 서어보(78)에는 선미 보조익 증폭기(176)이 포함되어 있는데, 이 증폭기(176) 실제로, 저항을 통해 2개 입력중의 하나에 전달되는 4개의 입력을 갖는 연산 증폭기로 이루어져 있다. 이 연상 증폭기는 용량성 환류 통로(capacitive feedback path)를 갖는 집적 회로형으로 하는 것이 바람직한데, 이는 즉각적이거나 혹은 돌발적인 반응 특성을 방지하기 위함이다. 서어보(78)의 경우에, 증폭기(176)으로 들어오는 5개의 입력은 도선(l78)(180)(182)(184)(186)상의 신호로 이루어진다. 도선(178)상의 신호는 수평으로부터의 피치각 및 피치율의 함수로서 변화하며, 도선(180)상의 신호는 상술한 바와 같이 선박 고도의 함수로서 변화한다. 도선(182)상의 신호는 계수 회로망(188)을 통해 증폭 검파기(l14)의 출력으로부터 유도되며 실제적인 피치각의 함수로서 변화한다. 도선(184)상의 신호는 선수 가속도의 함수로서 변화하고, 반면에 도선(186)상의 신호는 실제 보조익 위치에 비례하는 환류 신호이다. 즉 선수보조익 작동장치(48)(제3도 참조)은 기계적 연결장치(190)을 통해 보조익(18)에 연결된다. 또한 이 기계적 연결장치(190)은 초기위치 변환기(l92)에도 연결되어 있는데, 이 변환기(192)에 의하여 진폭은 선수 보조익(18)의 각(魚) 위치의 함수로서 변하고 극성(極性)은 보조익이 자신의 중심 즉 원점으로부터 상향 혹은 하향중 어느 방향으로 회전하느냐에 따라 변하는 신호가 도선 (194)상에 발생된다. 이 신호는 환류 검파기(196) 및 계수회로망(198)을 통해 서어보 증폭기(l76)에 전달된다. 이 장치는 물론, 서어보 증폭기(176)으로부터의 출력 신호가 작동장치(48)에 있는 선수 보조익 서어보 밸브를 작동시켜 보조익(l8)의 위치를 변화시키는 방식의 종래의 서어보 시스템으로 이루어져 있다. 보조익(18)의 위치가 변하게 되면 회로망(198)이 환류 신호를 발생시키며, 이 신호는 제어 작용이 시작된 다른 입력도선(178-184)상의 결합 입력 신호를 소멸시킬 때까지 지속된다.

예를 들어, 수면상의 선박의 고도를 증가시킬 필요가 있다고 가정하여 보면, 이때 한쪽 극성(예를 들면 양극)의 신호가 도선(180)을 거쳐 증폭기(176)의 입력에 전달될 것이다. 이 신호는 보조익(18)을 하향 회전시키게 되고, 이에 의하여 도선(186)상에는 도선(l80)상의 양극 신호를 소멸시키려는 음극 신호가 발생된다. 실제 고도가 증가함에 따라, 도선(180)상의 오차 신호는 감소될 것이며, 이에 의하여 보조익(18)은 반대 방향으로 회전하고 또한 도선(186)상의 환류 신호가 감소되어, 결국 보조익이 중심위치에 도달하고 선박은 원하는 고도에 도달하는 새로운 평상 상태가 이루어지게 된다. 물론 여기에서는 서어보 증폭기(176)의 입력에 다른 신호가 하나도 전달되지 않는다고 가정했으나, 실제에 있어서는, 다수의 신호가 여러 입력으로부터 동시에 가해질 것이고, 선수 가속도, 피치각 등과 같은 인자(因子)에 따라 이들 중 약간은 가산되고 또 이들중 약간은 감산된다. 이러한 인자들이 증폭기(176)의 입력에서 결합되면, 시스템으로 유도되는 여러가지 오차 신호를 보상하면서 선수 보조익의 경사를 원하는 바와 같이 효과적으로 이룰 수 있을 것이다.

Claims (1)

1. 도면에 표시하고 본문에 상술한 바와 같이, 선수익(船首翼) 및 선미익(船尾翼)중의 최소한 한쪽에 있는 독립된 좌현 및 우현 보조익 장치, 상기 선수익 및 선미익에 연결된 키(舵)장치, 선박을 선회시키기 위한 명령신호 발생장치, 상기 명령신호에 반응하여 상기 독립된 보조익 장치를 작동시킴으로써 선박을 원하는 선회 방향으로 로울축에 대해 경사 선회시키도록 되어 있는 반응장치, 상기 독립된 보조익 장치의 작동에 반응하여 로울축에 대한 선박의 경사 선회를 감지하는 장치, 그리고 상기 감지장치에 결합되어 키 장치를 작동시킴으로써 원하는 선회 방향으로 선박을 선회시키는 장치의 결합으로 이루어지는, 선미익 및 선수익을 갖는 수중익선(水中翼船)용 제어 시스템.

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