해양기기개발 운영센터에서는 장기해양관측을 위한 이동형 무인 관측 시스 템을 개발해오고 있다. 기존 무인관측 시스템은 해양-대기 연속관측을 위한 수 온, 기온, 기압, 파고를 관측하여 위성통신 시스템을 통해 자료를 준 실시간으 로 전송하는 시스템을 개발하였다. 여기에 본 과제에서 제시한 파력 글라이더 추진 시스템을 추가하여 실해역에서 파력 글라이더의 초기 성능을 평가하고자 실험을 기획하였다.
무인파력 카약은 총 길이 3.2m 폭 0.9m의 쌍동선 형태이다. 건현은 35cm이 며, 파력추진 날개를 수중에 거치하기 위하여 선수와 선미에 수직 고정바를 설 치하였다. 선미와 선수 고정바 사이의 거리는 2.1m 이며, 고정바 하단으로 0.5m 아래의 첫 번째 날개를 설치하고, 첫 번째 날개 하단 0.4m 아래에 두 번 째 날개를 설치하였다(그림 4-1). 첫 번째 날개에는 스프링힌지 이외에도 날개 의 탄성을 증대시키기 위하여 고무바를 설치하였다. 날개의 현 방향 길이는 0.8m, 폭은 0.25m, 두께는 2mm의 알루미늄으로 제작되어, 총 4개의 날개가 부 착하였다. 무인파력 카약의 위치 및 거동 특성을 파악하기 위하여 방수함체 안 에 GPS수신기와 GPS 기반 파고계, 그리고 대기압력 센서와 표층수온 계측 기 록계를 장착하였다. 관측센서 및 이리듐 통신모뎀의 전원을 공급하기 위하여, 60W 태양광 모듈과 충전기 및 20AH Pb 배터리 두 조를 설치하였다. 파도에 따른 카약의 거동과 카약 거동에 따른 날개의 움직임을 계측하기 위하여, 카약 몸체와 날개에 각각 3차원 가속도계(OnSet G-Sensor)를 부착하여, 1Hz 샘플링 간격으로 가속도를 측정하였다. 파도에 따른 수중 날개의 거동을 파악하기 위 하여, 날개 부착 기둥 하부에 수중카메라를 설치하여 동작 상태를 기록하였다.
카약의 위치는 GPS로 기록하며, 이리듐 위성통신을 통해 20분 간격으로 육상 기지국 서버로 전송하였다[표4-1].
무인 파력 글라이더는 2018년11월 25일 15:00에 14.72625° N, 134.41856° E
조). 매 20분 간격으로 수신된 위치정보는 웹 지도 상에 전시되어 카약 내 센서 의 운영 상태와 파고 등을 확인할 수 있었다(그림 4-5). 파력추진 기구의 Z축 방향 가속도 변화는 +- 0.6G 정도로 교번하는 것으로 나타났다(그림 4-6). 파력 추진 카약의 최대 선속은 1.36노트 최소선속은 0.21노트였으며 평균속도는 0.74노트였다(그림 4-7). 대부분의 시점에서 유의파고와 카약의 속도가 일정한 관계를 나타내는 것으로 보이나, 시험 종료 시점에서 파고와 무관하게 속도가 증대한 것은 바람의 영향이 크게 작용한 것으로 판단한다(그림 4-8). 파력추진 무인카약의 48시간 동안의 총 이동거리는 67.5km이었으며, 태양광에 의해 소 비 전원은 모두 충당하였다(그림 4-9).
해상실험을 통하여 다음과 같은 개선점을 확인할 수 있었다. 스프링 힌지와 고무바의 탄성에 의하여 파도에 의해 연직 운동을 하는 카약에 부착된 수중 날 개가 연속적으로 교번하고, 물을 밀어내는 것을 수중카메라에서 확인할 수 있 었다. 무인 카약의 전진 방향이 날개 부착 방향과 일치하여, 이 또한 파력 추진 기구의 기능이 확인되는 증거이나, 카약 내에 방향을 기록하는 디지털 컴퍼스 가 존재하지 않아 기록으로 남지 못하였다. 차기 버전에서는 선수방향 기록계 와 대수속도 기록계를 부착하여 추진 성능을 기록할 수 있도록 개선해야 한다.
현 시제에서는 전진추력의 가능성을 확인하는데 목적이 있었으나, 추후에는 자율주행 기능을 구현하여 위치 유지 혹은 목표점 이동 등을 위한 타각 조정 기능을 구현할 필요가 있다. 스프링 힌지의 탄성 강도를 강화하고, 날개의 형 상을 유선형으로 전환하여 파력 추진을 강화할 필요가 있다. 바람의 영향을 최 대한 받지 않도록 하기 위하여, 건현의 높이를 더 낮출 필요 있다. 바람의 영향 을 평가하기 위하여, 풍향풍속계 또한 차기 버전에 추가할 필요 있다.
그림 4-1. 파력추진 무인 카약 전경. 선수 선미에 각각 파력추진기를 부착하기 위한 수직고 정부가 구현되어 있음.
그림 4-2. 진수 직후의 파력 추진 카약의 모습. 물속으로 날개의 모습이 보인다.
그림 4-3. 파력추진기구의 수중 동작 영상 사례
그림 4-4. 무인 카약 회수 시 전경. 선수 및 선미에 각각 부착된 날개와 카타마란 방식의 선체 구조가 확인할 수 있음.
(a) 파력추진 날개 동작 촬영을 위한 수중카 메라
(b) 파력추진 날개 거동을 계측하기 위한 방 수형 가속도계
(c) 카약의 거동을 계측하기 위한 방수형 가 속도계와 위성 위치추적기
표 4-1. 파력 추진 무인 카약의 거동을 계측하기 위한 센서들.
그림 4-5. 파력 추진 카약 이동 궤적(2017년11월25일 15:00부터 2017년11월27일 16:00).
동쪽에서 진수되어 해류와 바람의 영향으로 서진하였음.
그림 4-6. 상단 파력추진날개에 부착된 가속도센서 계측 값 예.
그림 4-7 파력추진 무인카약의 속도에 대한 히스토그램
그림 4-8 유의파고와 무인파력카약의 속도 변화
그림 4-9. 파력추진 카약의 이동궤적과 현장 관측된 유의파고