전투함 전기추진 체계 설계 요구조건 분석

김소연(So-Yeon Kim) 한국추진공학회 2020 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.11

전 세계 해군에서는 최신예 구축함을 비롯하여 항공모함까지 전기추진 체계를 적용하고 있다. 최근 한국해군에서도 호위함급 전투함에 복합식 전기추진 체계를 적용하였고, 그 외 다수의 지원함에 전기추진 기술을 적용한 사례는 있으나 설계 및 운용 실적 면에서 경험이 부족하여 아직은 어려움을 겪고 있다. 본 논문에서는 먼저 전투함 전기추진 체계의 구성 방식, 시스템 운용상 특징을 살펴보았다. 또한, 전기추진 시스템 설계 시 발전계통과 배전계통, 추진계통에 대한 요구조건들에 대해 분석하였다. 수상함 전기추진 체계에 대한 관련 규칙은 아직 정립되지 않았으나, 기존의 설계 기준과 규칙을 바탕으로 전기추진 함정에서 반드시 고려되어야 하는 설계 요구조건들에 대해 제안하였다. Navies around the world are applying the electric propulsion system to aircraft carriers as well as state-of-the-art destroyers. Recently, the Korean Navy also applied a hybrid electric propulsion system to frigate class combat ships and applied a number of other support ships. Even though, it is still suffering from lack of experience in design and operating of the system. In this paper, the configuration of electric propulsion system and its operation features are described. In addition, the requirements for the power generation, distribution and propulsion were analyzed when designing the electric propulsion system for combat ships. The relevant rules for electric propulsion systems for naval vessels have not yet been established, but have been proposed for design requirements that must be considered in electric propulsion vessels based on existing design criteria and rules.

어선용 복합 추진시스템 적용을 위한 연구

노정호 해양환경안전학회 2022 해양환경안전학회지 Vol.28 No.7

The International Maritime Organization is at the forefront of strengthening gas emission regulations for ships globally. The Korean government needs to apply measures to reduce emissions, such as setting a basic roadmap for greenhouse gas reduction. In addition, there is an urgent need to introduce a new efficient propulsion system that can reduce gas emissions. This includes applications to fishing vessels, which account for 90.6% of the greenhouse gas emissions from ships sailing along domestic coasts. In this study, an electric-combined propulsion system applicable to domestic coastal fishing vessels was developed. The target ship to which the electric-combined propulsion system could be applied was selected. A simulation system was constructed using MATLAB/Simulink to compare the expected fuel consumption when applying the developed complex electric propulsion system to the propulsion system mounted on the selected target fishing vessel. Through simulations, the differences in fuel consumption between the mechanical propulsion system and the electric hybrid propulsion system (both when charging and not charging the battery on land) were confirmed. The results show that fuel consumption can be decreased by approximately 13% and 16% when applying the electric-combined propulsion system. 국제해사기구(IMO)를 필두로하여 국제적으로 선박에 대한 배출가스 규정을 강화하고 있으며, 대한민국 정부도 온실가스 감축을 위한 기본 로드맵을 설정하는 등 배출가스 저감을 위한 대책 마련이 절실한 상황이다. 또한, 국내 연안을 항해하는 선박에서 배출되는 온실가스 배출량 중 90.6%를 차지하고 있는 어선에 적용가능한 효율적이고 배출가스량이 감소가능한 새로운 추진시스템의 도입이 절실하다. 본 연구에서는 국내 연안어선에 적용가능한 전기복합 추진시스템을 제안하고, 전기복합 추진시스템이 적용가능한 대상선박을 선정하였다. 선정된 기존 대상어선에 탑재된 추진시스템과 비교하여 개발된 전기복합 추진시스템을 적용할 경우 발생할 수 있는 예상 연료소모량을 비교하기 위한 시뮬레이션 시스템을 Matlab/Simulink를 이용하여 구성하였다. 시뮬레이션을 통해 기계식 추진시스템, 전기복합 추진시스템(배터리 육상충전을 하지 않은 경우, 육상충전을 한 경우)간의 연료소모량 결과를 확인하였으며 전기복합 추진시스템을 적용하는 경우 약 13%, 16%의 연료소모량이 감소될 수 있는 것을 보여주는 결과를 확인하였다.

전기추진 항공기용 전력전자 시스템 및 모터 동향분석

구본수(Bon-soo Koo),한동기(Dong-ki Han),최인호(In-ho Choi) 한국항공우주연구원 2019 항공우주산업기술동향 Vol.17 No.2

최근 항공분야에서 전기추진 항공기는 차세대 항공기로써, 효율향상 및 항공기의 소음 수준을 낮추기 위해 분산추진 기술이 적용된 전기추진 항공기를 개발 중에 있다. 이에 따라, 전기추진 시스템의 기술동향을 분석을 통해 앞으로 개발해야 할 방향을 선정 할 필요가 있으며 주요 장치인 인버터 및 모터를 전기추진 항공기에 적용이 필요하다. 이는 다른 어플리케이션과 달리 인버터의 높은 효율과 안정성, 모터의 소형화 및 높은 출력밀도 등을 요구한다. 그러므로 본 논문에서는 전기 추진 시스템의 개념과 종류를 소개하고 전기추진 시스템에 활용된 인버터, 모터를 조사 및 분석하여 미래에 개발될 전기추진 항공기에 적용 가능한 기술을 파악하였다. The Electric propulsion aircraft are next-generation aircraft and electric propulsion aircraft with distributed propulsion technology is being developed to improve high efficiency and reduce noise levels. So, it is necessary to select the direction to be developed through analysis of the technological trends in the electric propulsion system. In addition, the application of the main equipment(inverter and motor) to the electric propulsion aircraft requires high efficiency and stability of inverter, miniaturization and high power density of motor unlike other applications. Therefore, this paper introduces main equipment of electric propulsion system, and analyze inverter/motor of electric propulsion system. Thus, the applicable technologies to future electric propulsion aircraft have been identified.

FMEA of Electric Power Management System for Digital Twin Technology Development of Electric Propulsion Vessels

윤경국,김종수 해양환경안전학회 2021 해양환경안전학회지 Vol.27 No.7

국제해사기구에서는 선박에서 배출되는 질소산화물 및 이산화탄소 등에 관한 환경규제를 꾸준하게 강화하고 있다. 이에 친환 경 요소를 바탕으로 하는 전기추진시스템의 수요가 증가하고 다양한 선박에 적용되며 연구개발이 꾸준하게 진행되고 있다. 전기추진시스 템은 신뢰성을 높이고 선내 배치를 용이하게 하기 위한 이중화 구성이 주로 채택되며 실제 장비나 공간을 가상 세계에 쌍둥이처럼 구현 하고 현실 세계의 정보와 데이터를 가상 세계와 통합하여 실제 환경에서 발생할 수 있는 상황을 컴퓨터로 시뮬레이션 함으로써 결과를 미리 예측할 수 있는 디지털트윈 기술의 접목을 통하여 전기추진시스템의 안전성 확보를 위한 연구 또한 매우 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 전기추진선박의 디지털트윈 기술개발을 위한 전력관리시스템 이중화에 대한 검증을 FMEA를 바탕으로 분석 후 선급에서 제시하는 이중화 FMEA 기준을 바탕으로 실제 선박 운항 조건에서 전력관리시스템의 단일 장비 고장의 일차 피해와 이차 피해 및 전체 시스템의 영향을 분석하여 추가 피해를 방지하기 위한 보상기능으로 전력관리시스템의 역할과 알고리즘을 제안하였으며 실제 테스트를 통해 추진력 보존이 개선되었음을 검증하였다. The International Maritime Organization has steadily strengthened environmental regulations on nitrogen oxides and carbon dioxide emitted from marine vessels. Consequently, the demand for electric propulsion vessels based on eco-friendly elements has increased. To this end, research and development has been steadily conducted for various vessels. In electric propulsion systems, a redundancy configuration is typically adopted to increase reliability and facilitate the onboard arrangement. Furthermore, studies have been actively conducted to ensure the safety of electric propulsion systems through the combination with digital twin technology. A digital twin can be used to predict outcomes in advance by implementing real-world equipment or space in a virtual world like twins, integrating real-world information and data with the virtual world, and performing computer simulations of situations that can occur in a real environment. In this study, we perform failure modes and effects analysis (FMEA) to validate the electric power management system (PMS) redundancy scheme for the digital twin technology development of electric propulsion vessels. Then, we propose the role and algorithm of PMS as a compensation function for preventing primary and secondary damages caused by a single equipment failure of the PMS and preventing additional damages by analyzing the impact on the entire system under real vessel operating conditions based on the redundancy FMEA suggested for the ship classification and certification. We verified the improvement in propulsion conservation through tests.

우주비행체 추진기관 기술 현황 및 발전 방향

김수겸,원수희,채종원,전형열 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

인공위성, 우주탐사선 등에 사용되는 우주비행체 추진시스템은 1950년대 말부터 개발되기 시작하였으며 특수한 용도로 활용되는 전기추진을 제외하면 현재까지도 대부분 하이드라진 계열 추진제를 이용한 화학 추진시스템이 주로 사용되고 있다. 최근에는 추진제의 독성을 줄이거나 더 높은 효율을 얻기 위한 연구들이 활발히 진행되고 있으며 대표적으로는 친환경 추진 및 고효율 전기추진에 대한 연구가 있다. 본 논문에서는 향후 우주 추진기관의 연구 방향을 결정하기 위해 우주비행체 추진시스템 현황을 정리하였으며 국내의 우주비행체용 추진기관 발전 방향에 대해 소개하였다. Development of spacecraft propulsion system was started from the end of 1950s. However, except the electric propulsion for special use, hydrazine and MMH propulsion system is still widely used for spacecraft propulsion system. Recently, many studies for future spacecraft propulsion system are in proceeding, like low toxic green propellant and high efficiency propulsion system for space exploration. In this paper, development status and prospects of spacecraft propulsion system will be introduced to set up direction of development.

소형 선박용 듀얼 전기추진시스템의 동기제어시스템 설계

변정환(Jung Hwan Byun) 한국전자통신학회 2017 한국전자통신학회 논문지 Vol.12 No.1

최근, 전기추진시스템은 무인선, 어군탐지선 등에 활용되고 있다. 이 추진시스템 중에는 추진력 향상을 위해 두 대의 전기모터와 프로펠러로 구성된 경우가 있다. 이때 두 프로펠러 간의 속도 차에 해당하는 동기오차는 에너지효율과 침로오차에 영향을 미친다. 본 연구에서는 외란과 동특성 불일치에 의해 발생되는 동기오차를 억제하기 위한 동기제어시스템이 설계된다. 이 제어시스템은 기준모델, 예비필터와 속도제어기, 동기제어기로 구성된다. 기준모델은 추진시스템마다 상호 분리된 동기오차와 제어입력의 계산에 이용된다. 예비필터와 속도 제어기는 추진시스템이 오버슈트와 입력포화 없이 지령을 추종하도록 설계된다. 그리고 동기제어기는 안정적이고 신속한 동기화의 관점에서 근궤적법으로 설계된다. 끝으로, 시뮬레이션을 통해 설계된 제어시스템이 외란에 효과적임을 보여준다. Recently, electric propulsion systems are used for unmanned surface vehicle, fish finder boat, etc. Some of these propulsion systems can be constructed of two electric motors and propellers for advanced impellent force. In this case, the speed difference generated between two propellers, namely, the synchronous error has a bad influence on the energy efficiency and course error. In this study, a synchronous control system is designed to restrain synchronous error caused by disturbance and mismatched dynamic characteristics. The control system is composed of the reference model, pre-filters, speed controllers, and synchronous controllers. The reference model is used for calculating the decoupled synchronous error and control input for each propulsion system. The pre-filters and speed controllers are designed in order that the propulsion system may follow the reference signal without overshoot and input saturation. And the synchronous controllers are designed from the viewpoint of stable and quick synchronization through root locus mothed approach. Finally, the simulation results show that the designed control system is effective for the disturbance.

원자력 우주추진 기술 고찰

조남경(Namkyung Cho),양수석(Sooseok Yang) 한국추진공학회 2023 한국추진공학회지 Vol.27 No.5

Nuclear space propulsion has the advantage of superior specific impulse compared to the currently widely used chemical propulsion, the system can be simplified by omitting the oxidizer system, and has the ability to improve performance in the future. The high specific impulse makes missions that are only possible with large chemical propulsion launch vehicles possible with medium-sized launch vehicles. This paper describes the characteristics of nuclear propulsion that are different from chemical propulsion and introduces the nuclear propulsion system and key components. Nuclear thermal propulsion and electric propulsion, and a bimodal system and a hybrid system that combines chemical propulsion and nuclear propulsion are introduced. Also, the development aspects of nuclear propulsion as well as test facility and launch safety of the nuclear power propulsion system are discussed.

달탐사위성 추진시스템

한조영(Cho Young HAN),이호형(Ho Hyung LEE) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.5

달탐사위성(궤도선) 1호는 2017년 착수 2020년 발사하고, 달탐사위성(착륙선) 2호는 2021년 착수 2025년 발사를 추진하게 되어 있다. 따라서 성공적인 임무 달성을 위해서는, 달탐사위성 추진시스템에 대한 기초 연구가 매우 중요한 시점이다. 본 연구에서는 달탐사위성에 적용 가능한 추진시스템에 대한 개념적인 타당성 및 비교 연구를 제시한다. 단일/이원/전기 추진시스템의 활용가능성을 외국의 사례와 비교/분석하고, 기술적인 장단점을 검토하여 달탐사위성 추진시스템으로 가능한 후보군을 제시한다. Development of Moon Explorer-1 (orbiter) is supposed to be commenced in 2017 and launched in 2020. In case of Moon Explorer-2 (lander), it would be slated to start in 2021 and launch in 2025. For this reason it is taken for granted to investigate a fundamental propulsion system for a Moon Explorer. In this paper conceptual feasibility and comparison studies are proposed for the propulsion system applicable to a Moon Explorer. Availability of monopropellant/bipropellant/electric propulsion system is compared and analysed as well with precedents overseas. As a result possible candidates for a Moon Explorer propulsion system are suggested.

정지궤도위성의 완전 전기추진시스템 적용방안 연구

최재동,박봉규 항공우주시스템공학회 2022 항공우주시스템공학회지 Vol.16 No.5

정지궤도위성의 추진시스템은 전이궤도에서 궤도상승, 정상 운영모드에서 남/북방향, 동/서방향 궤도위치유지 및 모멘텀 덤핑을 위해 일반적으로 사용된다. 최근 정지궤도위성에 완전 전기추진시스템을 적용할 경우 화학추진시스템 보다 탑재체의 탑재용량이 약 40% 증가 할 수 있어 정지궤도 위성에 전기추진시스템의 활용이 점차 증가 되고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 전기추진시스템의 사용이 모든 정지궤도위성에 적용하기에는 여러 제약 조건이 있어 위성 임무에 따라 이에 적합한 추진시스템을 적용하여 왔다. 본 연구에서는 완전 전기추진시스템 적용한 국내 정지궤도위성 개발 시 고려되어야 할 정지궤도위성의 운영제약조건 분석, 전기추력기에 의한 오염영향, 방사선 노출에 따른 부품배치 고려 및 제어메카니즘 설계, 전기추력기용 고전압 제어유닛의 부동접지 설계방안들이 분석되었다.

항공기 전기추진시스템 기술 동향

김근배(Kim, Keun-Bae),이보화(Lee, Bo-Hwa),박부민(Park, Poo-Min) 한국항공우주연구원 2016 항공우주산업기술동향 Vol.14 No.1

전기추진시스템은 화석연료로 인한 기후변화에 대응할 수 있는 효과적인 기술로서, 기본적으로 이차전지와 연료전지 그리고 태양전지와 같은 전기동력원을 기반으로 항공기에 사용된다. 현재 리튬-이온 이차전지의 에너지밀도가 한계에 다다르면서 비행시간과 거리를 증대시키기 위해 더 높은 에너지밀도를 갖는 리튬-황 이차전지와 연료전지 개발이 진행되고 있으며, 고고도 장기체공을 위한 태양광 무인기들도 개발되고 있다. 한편 다수의 소형 추진장치를 이용한 분산추진기술이 대두되면서 소음을 줄이고 비행체의 성능과 안전성을 높이고 있다. 최근에 화석연료 엔진과 발전기, 전기모터를 조합한 하이브리드 전기추진시스템이 개발되고 있으며, 향후 연료효율은 더욱 높아지고 배출가스는 더욱 감소될 것으로 기대된다. Electric propulsion system is a effective technology to counteract climate change due to fossil fuel, basically the aircraft uses electric power sources such as battery, fuel cell and solar cell. As the energy density of Li-ion battery is now approaching the limit, Li-S battery and fuel cells having higher energy density are developing to increase flight time and range, and solar UAVs are also developing to stay long time at high altitude. Meanwhile, rising distributed propulsion technology based on many small propulsion devices is decreasing noise and enhancing the aircraft performance and safety. Currently, hybrid electric propulsion systems combining fossil fuel engine, generator and electric motor are developing, which is expected to improve fuel efficiency and to decrease emission.