수중 기뢰 제거 방법 및 장치{Method and Apparatus for Removing Mines in the Sea}
본 발명은 수중 기뢰 제거 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 기뢰 탐지 및 지도 작성과 기뢰 제거 기능을 갖는 2 종의 자율 무인 잠수정을 이용하여 수중에 부설된 기뢰를 제거할 수 있는 전투 체계를 구현하기 위한 수중 기뢰 제거 방법 및 장치에 관한 것이다.
기뢰는 적의 함선을 파괴하기 위하여 물속이나 물 위에 설치한 폭탄으로서, 감지 장치에 따라 음향 기뢰, 자기 기뢰, 수압 기뢰 따위가 있다. 종래의 기뢰 탐지방법은 정찰 임무를 맡은 유인 작업선이 자기/음향 탐사 장비 등을 탑재하고 기뢰가 있을 것이라 예상되는 해역을 직접 탐사하는 방법을 사용하였다. 유인 작업선 역시 기뢰의 표적이 때문에 인명피해가 발생할 수 있으며, 잠수정을 이용한 탐색은 작전이 적에게 노출될 수 있다. 하지만 대개 기뢰가 부설되면 4,000개 이상이 일시에 투입되고, 폭격을 통해 소해(掃海: 안전한 항해를 위하여, 바다에 부설한 기뢰 따위의 위험물을 치워 없애는 일)를 하더라도 상당량의 기뢰가 남아 병력의 상륙 일정에 지연을 가져오곤 한다.
본 발명은 상기와 같은 배경하에서 안출된 것으로서, 기뢰의 위치를 은밀하고 정확하게 특정하고, 다수의 소해용 전담 잠수정을 이용하여 기뢰를 일시에 빠르게 제거할 수 있도록 기뢰를 정확하게 탐지하고, 기뢰 지역의 지도를 작성하는 하며 자폭 등의 과정을 통하여 기뢰를 소해하는 수중 기뢰 제거 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 본 발명은 기뢰 탐지용 무인 잠수정에 의해 기뢰를 탐지하여 분포 지도를 작성하는 단계; 및 다수의 소해용 무인 잠수정을 이용하여 기뢰 지역을 소해하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 하나 또는 복수로 되며 단시간 내에 작전 해역의 기뢰 분포도와 종류를 인식하여 전송하는 기뢰 탐지용 무인 잠수정; 상기 기뢰 탐지용 무인 잠수정으로부터 제공받은 기뢰 위치 정보를 바탕으로 소해 작전을 수립하고, 수립된 작전정보를 전송하는 전술 단말; 및 상기 전술 단말로부터 입력 받은 기뢰 정보를 기초로 기뢰의 위치로 유도된 다음 자폭의 수단으로 소해 작업을 수행하는 다수의 소해용 무인 잠수정을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 기뢰 제거 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
소해작업은 소해시간 단축이 핵심 과제로서, 최장 이틀 이내의 단시간에 완결지어야 한다. 종래의 방법과 같이 유선 조종을 통해 운용하는 유삭식 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicle; ROV)을 이용할 경우 작업의 난이도가 매우 높고 기뢰 부근까지 소해정(Mine Hunting Ship; MHS)이 접근하여야 하여 작업자가 위험에 처할 수도 있으며 모든 기뢰를 일일이 ROV에서 제공되는 영상 정보를 이용하여 원격으로 해체하여야 하기 때문에 소해 작업에 많은 시간이 요구되었었다. 그러나 본 발명에 의하면 일시에 다수의 소해 장비를 원거리에서 투입하여 기뢰까지 자율 제어를 통해 접근하고 표적 기뢰와 지근 거리에서 자폭함으로써 표적 기뢰를 빠르고 확실하게 제거할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조로 하여 구체적으로 설명한다. 도 1은 본 발명의 장치의 구성을 도시하는데, 기뢰 탐지용 무인 잠수정(MCM:100), 기뢰 소해용 무인잠수정(300) 및 전술 단말(200)로 구성된다. 기뢰 탐지용 무인 잠수정(Mine Countermeasure(MCM);100)은 하나 또는 복수로 되며 단시간 내에 작전 해역의 기뢰 분포도와 종류를 인식하여 상기 전술 단말(200)로 전송한다. MCM(100)은 기뢰 탐지를 위하여 자기, 열원, 화학, 광학 및 수중 음향 센서 등을 탑재한 자율 무인 잠수정(Autonomous Underwater Vehicle;AUV)으로 구현하는 것이 바람직하지만 경우에 따라서 비슷한 장비를 탑재한 무인 수상함(Unmanned Surface Vehicle, USV)으로 구성하는 것도 가능하다. 기 뢰 소해용 무인잠수정(Mine Disposal Vehicle(MDV);300)은 상기 전술 단말(Tactical Command Unit(TCU);200)로부터 입력 받은 기뢰 정보(위치, 종류)를 기초로 기뢰의 위치로 유도된 다음 자폭 등의 수단으로 소해 작업을 수행한다. 전술 단말(200)은 상기 탐지용 무인 잠수정(100)으로부터 제공받은 기뢰 위치 정보를 바탕으로 소해 작전을 수립하고, 수립된 작전정보를 다시 기뢰 소해용 무인 잠수정(300)으로 입력하는 작업을 수행한다. 도 2는 본 발명의 방법의 흐름도를 도시한다. 본 발명의 방법의 단계는 먼저, 기뢰 탐지용 무인 잠수정(100)에 의해 기뢰 탐지 및 분포 지도를 작성하는 단계를 포함한다(S10). 기뢰 탐지 및 분포 지도의 작성에 이어서 전술 단말(200)을 통해 상기 기뢰 탐지용 무인 잠수정과 정보 교환을 하고 다수의 기뢰 소해용 무인 잠수정(300)에 기뢰 지역 소해 임무를 지시하는 단계(S20)가 수행된 다음에 기뢰 소해용 무인 잠수정(300)을 통해 기뢰 지역을 소해하는 단계가 수행된다(S30). 단계 S30에서의 기뢰의 기폭 방식으로는 선체의 자장에 반응하는 방식인 자기식, 선체가 발산하는 특정 음향 특징에 반응하는 방식인 음향식, 선체가 직접 기폭 장치를 건드리면 반응하는 방식인 접촉식, 선체가 움직일 때 주변 유체장을 교란하면서 발생하는 압력에 반응하는 방식인 압력식, 전술한 두 가지 이상을 결합하여 반응하는 방식인 복합식이 있다. 그러나 종래의 기뢰 제거방식은 기뢰가 부설된 지역을 융단 폭격한 후에 유인 소해정이 기뢰 기폭 유도체를 예인하여 기뢰의 기폭을 유도하는 방식으로 이루 어졌다. 그러나 복합식 기뢰의 경우 유도체만으로 제거하는 것이 쉽지 않으며, 최근에는 소해정에 탑재된 MDV용 유삭식 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicle, ROV)을 이용하여 기뢰를 탐지하고 ROV에 장착된 소해 장비로 기뢰를 제거하는 방식이 개발되었지만, 이 방식의 경우 개별 기뢰를 제거하기에는 작업 난이도가 높으며 더욱이 많은 시간이 소요되는 단점이 있다. 본 발명에서는 기뢰를 탐지하고, 탐지된 기뢰에 대한 소해를 지시하고, 기뢰 지역을 소해하는 간단한 단계에 의해 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해소하였다. 이를 통해 소해하고자 하는 기뢰 지역을 종래의 방법보다 빠르고 은밀하면서도 일시에 소해 작업을 마칠 수 있다. 도 3은 도 2의 단계 S1O과 S30의 본 발명의 방법 흐름도를 구체적으로 도시한 도면이다. 이하에서는 도 1과 도 3을 참조로 하여 본 발명의 방법의 흐름 대해 구체적으로 설명한다. 단계 S10에서는 다수의 MCM(100)을 투입하여 작전 해역 내 기뢰의 위치를 파악하여 전체적인 기뢰의 배치를 빠르게 파악하는 것이 바람직하다. MCM(100)은 추측 항법 시스템을 주 항법 장치로 사용하지만, 간헐적으로 수면에 부상하여 GPS의 보정을 받아 추측 항법 중에 발생할 수 있는 누적 오차를 제거한다. MCM(100)은 1차적으로 수중 음향 센서를 이용하여 기뢰로 추정되는 물체를 확인하고, 물체에 접근하여 자기, 열원, 화학 및 광학 센서 등을 통해 추정 물체가 기뢰임을 확인하고 기뢰의 종류를 판단한다. 또한 내부 항법 정보와 연동하여 기뢰의 위치를 저장한다. MCM(100)은 상기와 같은 과정을 통해 수집된 기뢰의 위치를 바탕으로 작전 해역에 대한 기뢰 분포도를 작성한다(S10). 이어서, 전술한 단계 S30의 기뢰 지역 소해 과정을 수행한다. 이 과정에서는 단계 S10에서 얻어진 기뢰 분포도를 바탕으로 개별 기뢰의 위치 정보를 MDV(300)에 입력한다. 이때 TCU(200)를 통해 작전 해역에 대한 기뢰 분포도 작성 및 개별 기뢰의 위치정보에 대한 입력이 수행된다. TCU(200)는 MDV(300)로부터 작전수행 가능 여부를 통보 받고 작전 수행이 가능하다고 통보한 MDV(300)에 목표가 될 표적 기뢰의 위치를 입력한다. TCU(200)로부터 표적 기뢰의 위치를 입력 받은 MDV(300)는 입수 후 표적 기뢰를 향해 항해 후 표적 기뢰 부근에서 자폭하여 기뢰를 제거하는데, 이 과정을 통해 MCM(100)을 이용한 기뢰의 탐색과정과 MDV(300)을 통한 기뢰를 소해하는 2단계 과정이 완성한다. 추가로 기뢰 탐지 및 분포지도작성 과정을 반복하여 해당 해역의 기뢰 소멸을 최종 확인하는 작업을 추가할 수 있다. 구체적으로, 이동용 상자에서 분리한 MDV(300)에 배터리 모듈을 탑재한다(S31). 무인 잠수정의 배터리를 무인 잠수정의 내압 선체 내부에 탑재되는 것이 일반적인데 본 발명에서는 배터리 모듈을 내압 선체 외부의 별도 모듈로 구성하여 내장 배터리의 자연 방전에 기인한 배터리 교환을 위한 추가적인 유지 보수에 대한 필요성을 없앨 수 있다. 이와 같은 배터리 탑재에 의해 MDV(300) 폭약(후술함) 및 탑재 센서 등의 내부 장치에 전원이 인가된다. 다음에 MDV(300)의 인공지능이 MDV의 기능을 수행할 수 있는지에 대한 상태를 점검한다(S32). 임무가능 여부를 판단 하여 이에 관한 정보를 RF 통신과 같은 원격 통신 모듈을 통해 TCU(200)로 전송한다(S33). TCU(200)는 경로 유도 방식에 의해 규정된 최적 경로를 도시한 도 4에 따라 표적 기뢰의 좌표와 표적 기뢰의 심도(D) 정보에 따른 최적 수평방향 상대 거리(L)와 이에 따른 최적 유도 경로 정보를 원격 통신 모듈을 통해 임무가 가능한 MDV(300)로 전송한다. 도 4는 상기 D와 L에 관한 정의와 유도과정을 보여준다. 도면에서 D는 기뢰의 심도이고, L은 MDV로부터 기뢰까지의 수평 거리를 나타내며, MDV(300)의 동역학적 특성에 따라 각각의 D에 따른 최적 값을 사용한다. 이때 MDV(300)의 양산 이전에 미리 테스트를 거쳐 D에 관한 최적 값과 이를 바탕으로 유체역학적인 최적경로를 결정해 두고 실제 운용 시에 이를 따르는 것이 바람직하다. MDV(300)는 입수(S34) 과정에서 GPS로부터 위치 정보를 수신하여 표적 기뢰를 향해 수면 항해를 수행한다(S35). 이때 MDV(300)의 동체부는 완전히 수면 아래에 잠긴 상태이고, GPS 및 원격 통신 안테나 모듈만이 물 밖으로 나오는 약간의 양성 부력(중량 보다 부력이 큰 상태) 상태로 설계하는 것이 좋다. 이는 GPS 신호가 수면 아래에서는 수신되지 않으며 간헐적으로 파도가 안테나를 덮는 일을 피하기 위해서이다. 따라서 가급적 GPS 안테나는 MDV(300)의 동체보다 높은 곳에 설치하는 것이 바람직하다. GPS를 이용하여 수면 항해를 하는 동안 MDV(300)는 관성 항법 시스템의 초기 자세 및 변수 설정을 완료하는 운항 중 정렬 과정을 수행한다. 한편 MDV(300)는 수면 항해를 수행하는 동안 GPS로부터 제공되는 기수각 정보를 이용하여 자기 컴퍼스의 자편각(자기 북극과 진북의 편차)을 보정하는 작업을 병행한 다. MDV(300)가 표적 기뢰를 향해 똑바로 수면항해를 하다가 미리 TCU(200)로부터 입력 받은 표적 기뢰와의 상대 수평 거리(L)에 다다르면 TCU(200)로부터 입력 받은 최적 경로를 따라 잠항을 시작하여(S36) 미리 입력된 경로를 추종하는 경로 추종제어를 수행한다. 이 과정에서 GPS 정보를 수신할 수 없으므로 MDV(300)는 관성 계측 장치와 심도계 및 자기 컴퍼스의 정보를 바탕으로 얻은 추측 항해 위치 정보를 바탕으로 표적 기뢰까지 접근하여 표적을 확인한다(S37). TCU(200)으로부터 입력 받은 위치에서 MDV(300)는 장애물 감지 소나(후술함)를 작동시켜 전방에 장애물이 있다고 판단하면 TCU(200)에 이 사실을 신호로 전송하고(S38), MDV(300) 내부의 기폭장치를 작동(S39')시켜 자폭하는 과정을 통해 표적 기뢰를 제거한다. 만일 미리 TCU(200)으로부터 입력 받은 위치에 표적 기뢰를 확인하지 못하는 경우 기뢰 제거 임무 실패로 단정한다(S39). 도 5는 임무 실패시의 절차 흐름도를 도시한다. 먼저 MDV(300)는 수면 위로 부상한다(S39a). 그리고 RF 통신과 같은 원격 통신을 이용하여 TCU(200)에 접속하여 작업 실패를 알리고 이후의 절차에 관한 명령을 수신한다(S39b). MDV(300)가 수면으로 부상한 후에는 GPS 신호를 수신할 수 있으므로, GPS를 통한 항법 시스템의 도움을 받아 TCU(200)가 지정한 제1 집결지로 이동한 후(S39c), 기폭 장치(또는 폭약 모듈)를 분리하여 MDV(300)에 탑재된 폭약의 위험을 제거한다(S39d). 이어서, 제2 집결지로 이동하여(S39e) MDV(300)의 회수를 대기한다. 도 6a는 본 발명의 MDV를 3D로 표시한 바람직한 일 실시예를 도시하고, 도 6b는 본 발명의 MDV를 2D로 표시한 바람직한 일 실시예를 도시한다. 위의 도 6a 및 6b에 도시한 바와 같이, 장애물 감지 소나(300-01), 폭약(300-02), 심도계(300-03), 자기 컴퍼스(300-04), 컴퓨터(300-05), 관성 계측장치(300-06), 추진기 모터(300-07), 방향타 모터(300-08), GPS 안테나(300-09), 원격 통신 안테나(300-10), 힌지(300-11), 배터리(300-12), 방향타(300-13), 및 추진기(300-14)로 구성된다. 장애물 감지 소나(300-01)는 전술한 바와 같이, 장애물을 감지하는 수중 음파 탐지기이고, 폭약(300-02)은 기뢰 제거를 위한 폭약이고, 심도계(300-03)는 기뢰의 심도를 계측하는 장치이고, 자기 컴퍼스(300-04)는 기뢰로부터 방사되는 자기의 방위를 측정하는 장치이고, 컴퓨터(300-05)는 인공지능을 수행하기 위한 것이고, 관성 계측장치(300-06)는 MDV(300)의 관성을 계측하는 장치이고, 추진기 모터(300-07)는 MDV(300)를 추진하는 추진기(300-13)를 구동하는 모터이다. 한편, 방향타 모터(300-08)는 MDV(300)의 방향타인 러더를 구동하는 모터이고, GPS 안테나(300-09)는 GPS로부터의 신호를 수신하는 안테나이고, 원격 통신 안테나(300-10)는 RF 신호와 같은 원격 통신 신호를 수신하는 안테나이고, 힌지(300-11)는 안테나 접이용 구조이며, 배터리(300-12)는 MDV(300)의 전원이고, 방향타(300-13)는 MDV(300)의 방향을 잡는 러더이고, 추진기(300-14)는 MDV(300)를 추진하는 장치이다. 그러면 이하에서는 MDV(300)에 대해 보다 구체적으로 설명한다. MDV(300)의 GPS용 안테나(300-09)는 가급적 수면 위로 올라오게 구성하는 것 이 파랑의 영향으로 인해 신호가 단절되는 것을 피할 수 있는 구성이다. 이를 위해 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이, 원격 통신 안테나(300-10)의 끝에 GPS 안테나(300-09)를 부착하여 실시하는 것이 바람직하다. 이때 원격 통신 안테나(300-09)는 유연하게 휠 수 있는 재질로 만들어 다른 물체와의 충돌로 인한 파손 가능성을 줄일 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 또한 원격 통신 안테나(300-10)는 이동시 파손이 될 수 있으므로 이동 시에는 선체의 길이 방향으로 접혀 있다가 MDV(300)가 작동할 때만 도 6a 및 도 6b에 도시한 바와 같이 펼쳐지는 구조를 가질 수 있도록 안테나 접이용 힌지 구조(300-11)를 추가하는 것이 바람직하다. 또한, MDV(300)가 수중으로 잠항하는 경우 GPS와 RF 통신은 불가능하므로 이 경우는 유체역학적 저항 감소를 위하여 다시 처음처럼 안테나를 올려놓고 운항하는 것이 바람직하다. 소해 작업을 수행하기 위한 MDV(300)의 항법 센서는 기본적으로 GPS(300-09), 관성 계측장치(300-06), 자기 컴퍼스(300-04), 및 심도계(300-03)로 구성하는 것이 바람직할 수 있으며, 추가적으로 속도계 및 USBL(Ultra Short-baseline)과 같은 수중 음향 장치를 포함하여 구성할 수도 있다. 관성 계측장치(300-06)는 3축 가속도계(3-axis accelerometers)와 3축 각속도계(3-axis gyros)로 구성되기 때문에 가급적 동체의 무게 중심에 위치하는 것이 바람직하다. 그렇지 않을 경우, 관성 계측장치가 무게 중심에서 벗어 낫기 때문에 발생하는 레버 암(lever-arm) 효과를 효과적으로 보상해줄 필요가 있으나, 이 효과를 정확하게 보상하는 것은 쉽지 않으므로 가급적 이러한 구성은 피하는 것이 바람직하다. 동체 후미의 모터 회전에 의한 자기장 교란 및 소음의 영향을 피하기 위하여 자기 컴퍼스(300-04)는 내압 용기의 앞 부분에 위치시키고, 장애물 감지 소나(300-1)는 선수에 장착하는 것이 바람직하다. 내압 선체의 내부에는 인공지능을 수행하기 위한 컴퓨터(300-05)가 반드시 포함되어야 하며, 모든 장치들은 이동 또는 입수 시에 발생하는 충격에 파손이 되지 않을 수도 있도록 설계하는 것이 바람직하다. 심도계(300-3)는 내압 용기 외부에 설치하고, 수중 커넥터를 통해 내압 용기와 통신할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다. 폭약(300-2)은 내압 용기 밖에 설치하여 기뢰 제거를 위한 폭발력이 감소하지 않도록 하는 것이 바람직하다. 전술한 소해 작업 절차 수행하기 위하여 폭약은 필요 시 자동으로 MDV(300)에서 분리될 수 있는 구조로 체결되게 하는 것이 바람직하다. 배터리(300-12)는 MDV(300) 외부에서 수중 커넥터를 통해 연결하여 내압 용기 내부와 기폭 장치로 전원을 공급하도록 구성하는 것이 소해 작업을 위해 바람직하다. 물론 내압 용기 바깥에 탑재되는 장비들의 방수 및 내압 처리는 기본적으로 만족할 수 있도록 설계되어야 함은 물론이다. MDV(300)의 추진장치는 수중 방수 모터로 구성할 수도 있지만, 비용 절감 측면에서 모터(300-07)를 내압 용기 내부에 배치하는 것도 좋다. 추진장치의 프로펠러는 외부에 노출이 되지 않도록 외부에 덕트를 설치하고 덕트 안쪽에 프로펠러와 방향타(300-13)를 설치하는 것이 바람직하다. 방향타(300-13)의 구동은 여러 가지 실시예가 가능하지만 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 내압 선체 내부에 방향타 조향용 서버 모터인 방향타 모터(300-08)을 배치하고, 내압 용기를 관통하는 기구부를 이용하는 것도 좋으며, 내압 용기 바깥쪽에 자체 방수 및 내압 처리를 한 서보 모터를 배치하여 직접 방향타(300-13)를 조작할 수 있도록 하는 것도 좋다. 소해 작업은 소해 시간 단축이 중점 과제로서, 최장 이틀 이내의 단시간에 완결지어야 한다. 종래의 방법과 같이 유선 조종을 통해 운용하는 유삭식 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicle; ROV)을 이용할 경우 작업의 난이도가 매우 높고 기뢰 부근까지 소해정(Mine Hunting Ship)이 접근하여야 하여 작업자가 위험에 처할 수도 있으며 모든 기뢰를 일일이 수작업으로 해체하여야 하기 때문에 소해 작업에 많은 시간이 요구되었었다. 그러나 본 발명에 의하면 일시에 다수의 소해 장비를 원거리에서 투입하여 기뢰까지 자율 제어를 통해 접근하고 표적 기뢰와 지근 거리에서 자폭함으로써 표적 기뢰를 빠르고 확실하게 제거할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 지금까지 본 발명을 일 실시 예를 참조로 하여 기술하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 이하의 부속 청구범위의 사상 및 영역을 일탈하지 않는 범위 내에서 당업자에 의해 여러 가지로 수정 및 변형 실시될 수 있으며, 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 영역 내에 있는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 장치의 구성을 도시한다. 도 2는 본 발명의 방법의 흐름도를 도시한다. 도 3은 도 2의 S10과 S30의 본 발명의 방법 흐름도를 구체적으로 도시한 도면이다. 도 4는 상기 D와 L에 관한 정의와 유도과정을 보여준다. 도 5는 임무 실패시의 절차 흐름도를 도시한다. 도 6a는 본 발명의 MDV를 3D로 표시한 바람직한 일 실시예를 도시한다. 도 6b는 본 발명의 MDV를 2D로 표시한 바람직한 일 실시예를 도시한다. *도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* 100: 기뢰 탐지용 무인 잠수정 200: 전술 단말 300: 소해용 무인 잠수정 300-01: 장애물 감지 소나 300-02: 폭약 300-03: 심도계 300-04: 자기 컴퍼스 300-05: 컴퓨터 300-06: 관성 계측장치 300-07: 추진기 모터 300-08: 방향타 모터 300-09: GPS 안테나 300-10: 원격 통신 안테나 300-11: 힌지 300-12: 배터리 300-13: 방향타 300-14: 추진기 |
