전차 포탑 승무원실의 내부 열/유동장에 관한 수치적 연구

다양한 전장 환경에서 전차(battle tank)의 운용 신뢰성을 확보하기 위해서는 개발단계에서 극한(extreme)환경요구조건을 만족시켜야 하며 이 중에는 40℃ 이상의 고온의 환경조건도 포함된다. 이러한 고온 외기 조건에서 발생하는 전차 승무원실의 온도 상승은 열에 민감한 장비들의 오동작과 전투원의 전투력 저하를 유발하게 된다. 특히 미래의 각종 전자전에 대응하기 위해 미래형 전차의 승무원실에는 과거보다 많은 전자 장비들이 탑재되는데 이들로부터 발생되는 열 또한 전차 승무원실의 온도 상승을 유발하게 된다. 또한 시스템 운용 측면에서 사용 가능한 냉방 용량(cooling capacity)은 제한적이어서 전투원이 전투의욕을 상실하지 않도록 적정 쾌적성을 유지함과 아울러 전차 승무원실의 전장품들의 온도 상승을 줄이기 위한 효율적인 공조(air conditioning) 시스템의 구현이 필요하다.

해석 모델에 대한 3차원 형상(좌) 각 덕트 위치 및 출구위치(우)

해석 모델에 대한 3차원 형상을 도시하고 있다. 1번, 2번 덕트는 포수 및 전차장으로 분사되는 냉기 덕트이며 3번은 조종수로 분사되는 덕트 입구이다. 4번 덕트에서 환기를 위한 냉기가 분사되고 있으며 5번에는 주포 주변의 틈새로서 냉기가 유출되는 출구 형상이 모델링 되어 있다.

해석 모델에 대한 격자계

Octree 방식의 Tetra격자를 생성시켰으며, 고체 영역 주변의 경계층 및 열전달을 해석하기 위해 PrismMesh를 적용시킴으로써 전체적으로 해의 정확성을 향상시키기 위한 Hybrid Mesh를 생성하였다고

각 전장품에 대한 발열 조건, W

전장품에 대해 제작사가 제시하는 부하용량에 대해서 효율을 80%로 가정하고 발열량 조건을 설정하였으며 전장품 전체 발열량은 총 2,430W이다.

발열 전장품 표면 온도 분포(좌) 포탑 승무원실 온도 분포(Iso-Temperature 60℃)(우)

전장품 표면온도는 발열 전장품의 표면 온도 분포를 나타내 최대 132℃까지 상승한 전장품이 있으며 포탑 승무원실 온도 분포에서 볼 수 있듯이 포탑내부의 전장품에 대한 발열 조건을 기준으로 할 때 내부 온도 분포가 우측 승무원 아래쪽의 부근과 좌측 상단부에서 60℃이상의 고온 영역이 나타나고 있다

(기본안)환기구 분사 모델(좌)(개선안)덕트 분사 모델(우)

좌측의 그림은 환기 공기를 후방에서 분사하는 기본안 모델이며 우측의 경우는 에어컨 덕트 중간에서 분기하여 고온 영역에 직접 분사하는 모델의 경우 유동 궤적을 비교해서 보여주고 있다. 개선안의 경우 고온의 전장품 주변을 강제 대류에 의해 적절히 냉각할 수 있도록 흐름이 개선되고 있음을 확인할 수 있는데

그림 8은 포탑 하단에서 상단까지 5등분한 횡단면에 따른 포탑 승무원실의 평균 온도에 대해 기본안과 개선안에 대한 결과값이다. 전장품의 운용 규제 조건인 발열전장품에 대한 승무원실 주변 온도 조건(50℃ 이하)을 만족시킴을 확인할 수 있었으며, 개선안의 경우 주요 단면에서의 승무원실 평균온도를 기본안에 비해 약 4%정도 감소시킬 수 있었다. 결국, 흐름 개선을 통해 국부적으로 상승한 고온 영역을 해소할 수 있다고 판단되었다.

전투원 인체 PMV 지수

결론적으로 전차내부의 효율적 공조(Air Conditioning) 환경 설계를 위해 열/유동 해석을 수행한 결과를 다음과 같이 얻을 수 있었다

 

● 포탑 승무원실 내부의 전장품에 대한 발열 해석을 수행한 결과 전장품의 운용 규제 온도 조건을 대체로 만족함을 확인하였으며 국부적으로 50℃이상 상승하는 영역에 대해 흐름 개선을 통해 내부 상승 온도를 규제 할 수 있었다.

 

● 전투원의 쾌적 체감지수 관련해서, PMV 지수를 도입하여 평가하였으며 전장품의 최대 발열량 조건에서 지수 2로 다소 덥게 느껴지는 상태이며,왼쪽 전투원의 머리 부분과 오른쪽 전투원의 왼쪽 어깨 부위에서 최대 불쾌지수가 나타나고 있음을 확인. 하지만 평시 조건에서는 적정 쾌적 지수를 유지할 것으로 판단

 

● 향후 승무원실의 온도/유동 측정 시험을 통해 계산 결과의 검증과 열적 안정성에 대한 최종 평가를 수행 예정

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개인적인 몇가지 정리

이 연구는 국방과학연구소(ADD)와 현대로템 기술연구소가 진행한 연구이다. 위 이미지로 사용된 흑표 모델링은 FTR(화력시제/Fire Test Rig)로 보인다. 그러므로 현재의 흑표와는 몇군데서 조금 다른 형상을 가지고 있다.

또 실차의 사진으로 연구에 나온 개선형 공기분사 구조가 K2 전차에 적용된 모습도 확인해 볼 수 있다.

[한국무기개발사] 38 육군 전력의 핵심. 기동 무기성능을 극대화하라 2부 1분 42초(좌) [한국무기개발사] 37 육군 전력의 핵심. 기동 무기성능을 극대화하라 1부 3분 23초(우)

한국무기개발사에도 지나가듯이 관련 이미지가 나온다.

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같이 보기

https://blog.naver.com/seaseadam/222990608239

K2 흑표 전차 승무원 냉방기구

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출처

http://www.kimst.or.kr/electronic_paper/pdf_down_other.kin?stype=journal&idx=11613 

http://www.tyjomyeong.kr/tyboard/view.php?id=top04_01&no=27 

http://www.tyjomyeong.kr/tyboard/view.php?id=top04_01&no=27

 

[한국무기개발사] 37 육군 전력의 핵심. 기동 무기성능을 극대화하라 1부

[한국무기개발사] 38 육군 전력의 핵심. 기동 무기성능을 극대화하라 2부

 

https://blog.naver.com/skforhrl/220849382242

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