[방호 무기체계 ] 자이로스코프의 방향탐지원리

 

 

'Gyroscope'는 그리스어로 '회전'이라는 의미의 'Gyro'와 '본다'는 의미의 'Skopein'의 합성어로 '회전을 본다'라는 의미를 가지고 있으

며, 오늘날에는 자세 측정 장치를 통칭하여 부르고 있다.

 

<그림1. 자이로 역할>

그림1에서 자이로를 비행기에 임의방향으로 장착하여 비행기가 기준좌표계에서 기울어진 정도를 감지 하는 것을 나타내었다.   자이로는 짐발(Gimbal)에 고속 회전자를 장착한 구조로 동체의 운동에 영향을 받지 않고 일정한 자세를 유지한다. 짐발은 구조체와 내용물간에 힘이 전달되지 않도록 베어링 등으로 연결된 구조를 말한다. 이런 원리로 그림1의 (b), (c)에서처럼 비행기가 진행방향을 바꾸더라도 회전자는 회전축을 중심으로 균형을 유지하고, 외부틀은 비행기와 같이 회전을 하게 되어, 비행기가 기준좌표계로부터 얼마나 틀어진 방향으로 진행하는지를 알 수 있다. 이러한 자이로스코프는 크게 기계식과 광학식으로 구분할 수 있다.

 

가. 기계식 자이로스코프

<그림2. 팽이의 관성운동>

그림2에서처럼 회전하는 팽이는 외부에서 힘이 작용하지 않으면 지지면의 기울기와 상관없이 회전을 계속 유지하려는 성질(관성)을 가지고 있다. 기계식 자이로는 이와같은 원리와 성질을 이용하여 동체 의 움직임을 감지한다.   그림3은 기계식 자이로스코프의 개략도를 나타내고 있다. 모터로 고속 회전하는 회전자는 베어링으로 짐발안에 설치되어 있다. 동체의 움직임은 자이로에 힘의 형태로 작용하며 그 힘에 비례하여 짐발이 회전하여 각검출기에서 각변위량을 검출할 수 있다.

 

<그림3. 기계식 자이로 개략도>

 

이러한 기계식 자이로는 베어링, 모터/회전자 등 구조가 복잡하고 수명이 비교적 짧으나, 일부 자이로는 지속적인 성능개량으로 정밀도가

높아 전략 미사일 등 고정밀 제어용으로 사용되고 있다.

 

<그림4. 동조자이로>

 

그림4는 2축 동조자이로스코프(DTG: Dynamically Tuned Gyroscope)의 내부구조도 및 동전과 크기를 비교하여 나타내었다.

 

나. 광학식 자이로스코프

광학식 자이로스코프는 빛(레이저)을 일정한 경로로 방사하여, 물체 회전에 따라 발생하는 빛의 경로차를 검출함으로서 동체의 자세를

산출하고 있다. 즉, 그림 5의(a)와 같이 시계방향과 반시계방향으로 빛을 방사하였을 때, 동체가 움직임이 없을 경우에는 그림5의 (b)와

같이 양방향의 빛이 동시에 검출된다.

 

  

   (a) 빔 방사    (b) 움직임 없을시    (c) 동체 회전시

<그림5. 광자이로의 원리>

 

그러나 만약 동체가 그림5의(c)와 같이 시계방향으로 Ω의 각속도를 가지고 회전하였다면 시계방향으로 회전하는 빛은 경로가

길어지고, 반시계 방향으로 회전하는 빛은 경로가 짧아진다. 이러한 경로차로 인해 레이저는 간섭이 일어나게 된다

(sagnac효과). 이런 간섭무늬를 감지하여 차체 회전각속도(Ω)을 구할 수 있으며, 이 회전각속도를 적분하여 각 변위를 산출

한다.

 

광자이로의 종류에는 링레이저 자이로(RLG: Ring Laser Gyroscope)와 광섬유를 이용한 광섬유 자이로(FOG: Fiber Optic

Gyroscope)가 있다. 광자이로는 기계식 자이로에 비해 회전자가 없고, 기계적 구조가 간단해 신뢰도가 높고, 수명이 긴 장점이

있다.

 

다. 자이로스코프의 용도 및 발전추세

이런 Gyro는 INS 구성품으로서 뿐만 아니라 전차 및 함포 안정화 장치와 유도무기 제어용, 전자광학 조준경 등에 자세제어용

으로 사용되고 있다.

<그림6. 전차 안정화장치의 역할>

 

최근에는 미소 전자기술(MEMS: Micro Electro Mechanical System)의 발달로 소형의 자이로를 개발하고 있으나,

아직 정밀도는 낮은 편으로 지능포탄등에 자세제어용으로 일부 장착되고 있다. MEMS 자이로는 대량생산/극소형화가 가능

하여 저가로 대량생산이 가능한 장점이 있다.