셀프 스티어링 기어

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셀프 조향 기어는 일정한 인간 행동 없이 선택한 항로 또는 항해의 지점을 유지하기 위해 범선에 사용되는 장비다.^[1]

역사

기계식 또는 "윈드 베인" 자가 조향은 모형 돛단배를 항로에 계속 유지하기 위한 방법으로 시작되었다.라디오 컨트롤이 등장하기 전, 모델 요트 경주(1차대전 전 시작)가 일반적으로 길고 좁은 연못에서 경합되었고, 최종 결과에서는 은행을 따라 정차하는 횟수가 벌금으로 계산되었다.처음에는 모형 보트가 돌풍에 휘청거렸을 때 기상 조타 장치를 보상하기 위해 경운기 체계가 고안되었다.이러한 조잡한 시스템은 발명가 조지 브레인(George Braine)의 이름을 따서 브레인 기어(Braine Gear)라고 불리는 보다 정교한 시스템에서 진화했다.^[2]브레인 조향 기어는 메인레일 시트의 장력에 의해 구동되고 고무 밴드에 의해 축축된 방향타 스톡에 사분면의 미세 조정된 시스템이었다.나중에 베인 기어라고 불리는 더 정교한 시스템이 고안되었는데, 그것은 조절 가능한 시계장치 시스템을 통해 주 방향타를 구동하는 작은 베인이나 에어포일에 의존했다.이는 블론디 하슬러의 셀프 스티어링 방향타와 같은 대서양 횡단 요트에서 볼 수 있는 후기 베인 구동 자동 조종 장치와 매우 흡사했다.대서양 횡단 외손잡이 몇몇 선원들은 1920년대와 1930년대에 대서양을 횡단하기 위해 조잡한 형태의 자기 조종 장치를 사용했는데, 가장 눈에 띄는 것은 1930년대에 대서양을 두 번 횡단한 프랑스인 마린 마리(폴 마린 듀란드 쿠펠 드 생 프런트)이며, 처음에는 위니벨 2호라고 불리는 요트를 타고, 두 번째는 모터 피니체 칼에 올랐다.아리엘을 이끌었다.

1933년 프랑스 두아르네즈에서 뉴욕으로 가는 대서양 횡단보도에서 위니벨 2호에 탑승한 자가 조향은 일련의 블록과 선을 통해 방향타에 시트가 연결된 트윈지브(트린켓 주멜)를 사용한 브레인 기어와 다소 유사했다.긴 나선형 위니벨 2호는 근접 주행이나 빔 도달 지점에서는 완벽하게 안정적이었지만, 셀프 스티어링 트윈 지브 시스템은 보다 느린 역풍과 넓은 범람 지점, 그리고 항해 지점의 주행 지점에서 그 자리를 차지할 수 있었다.

65HP 프랑스인이 추진한 13m의 소형 모터 정점 아리엘은 1936년 뉴욕에서 르 하브르로 항해한 바우두인 디젤 엔진을 만들었다. 대서양에서 모터보트를 조종하는 일은 더욱 힘들었다.아리엘은 두 개의 방향타를 가지고 있었는데, 프로펠러 경주에서 선체 아래의 주요 방향타는 수동 조향용이었고, 작은 보조 방향타는 트랜섬을 장착했다.이 보조 방향타는 수직 차축의 각도로 설정된 두 개의 직사각형 에어포일로 구성된 코칭 루프의 상단에 장착된 특수 바람 베인에 의해 기계적으로 구동될 수 있다.그것은 간단했고 꽤 잘 작동했지만, 매우 가벼운 바람이나 평평한 고요함 속에서 배를 조종할 수는 없었다.

마린 마리가 뉴욕에서 아리엘을 치장하고 있을 때, 카셀이라는 프랑스 발명가가 그에게 접근했는데, 카셀은 그의 발명품의 전기 자동 조종 장치를 무료로 장착해 주겠다고 제안했다.카셀 오토파일럿은 당시 혁명적인 광전지와 자기 나침반에 반사 거울과 빛 시스템을 사용하고 있었다.오토파일럿 시스템용 현대 플럭스게이트 센서를 제외하면 오늘날의 전자오토헬름과 원리가 다소 유사하다.녹색, 적색, 흰색 자동 표시등 등이 배열된 카셀 오토파일럿은 전기 모터를 사용해 주 방향타에 작용했다.그것의 기본 원리는 건전했고 일부 구절에서는 유용했지만, 그것은 젖은 진동하는 작은 보트에 비해 다소 경쾌하게 만들어져 있었고, 타는 데 어려움을 겪었다.마린 마리는, 비록 어떤 경우에는 일반적으로 이 변덕스러운 장치를 혐오하기도 했지만, 특히 카셀이 자신의 보르도 포도주 저장소를 자동 조종실 안에 무심코 숨겨 놓았다는 것을 발견했을 때, 20여 일 동안의 금주 대서양을 건널 때 마지못해 그를 비난했던 것이다.

일렉트로닉

전자 자가 조향은 하나 이상의 입력 센서에 따라 작동하는 전자 장치에 의해 제어되며, 최소한 자기 나침반과 때로는 바람 방향 또는 GPS 위치 대 선택된 웨이포인트에 의해 제어된다.전자 모듈은 필요한 조향 이동을 계산하고 구동 메커니즘(대개 큰 시스템에서는 유압식일 수 있지만 일반적으로 전기식)을 사용하여 방향타가 그에 따라 움직이게 한다.

구동 메커니즘과 기존 스티어링 시스템 사이의 인터페이스에는 몇 가지 가능성이 있다.요트에서 가장 일반적인 세 가지 시스템은 다음과 같다.

• 직접 구동(Direct Drive) - 작동기가 스티어링 사분면에 부착되어 보트 내부의 방향타 스톡 상단에 위치한다.이것은 최소한의 침입식 설치 방법이다.
• 모터가 스티어링 휠 근처에 장착되고 사용 중일 때 모터와 결합할 수 있는 휠 마운팅.여기에는 일반적으로 벨트 구동 또는 바퀴 자체에 부착된 톱니 기어 링이 포함되며, 바퀴가 달린 요트에 개조된 설치를 위한 일반적인 옵션이다.
• 틸러 파일럿은 일반적으로 틸러로 조향되는 소형 선박의 유일한 옵션이다.그것들은 틸러 사이에 장착되는 전기 구동 램과 조종석 측면의 피팅으로 구성된다.어떤 것은 완전히 자급자족하여 전원 공급만 필요한 반면, 다른 것들은 작동기와 분리된 제어 장치를 가지고 있다.이것들은 유지관리가 필요 없고 설치도 용이하기 때문에 꽤 인기가 있다.^[3]

제어 장치의 정교함(예: 틸러 파일럿, 조향 휠 부착 차트 플롯터, ...)에 따라 전자 셀프 스티어링 기어를 프로그래밍하여 특정 나침반 코스를 유지하도록 하고, 바람과 일정한 각도를 유지하도록(예: 범선 트림을 변경할 필요가 없도록), 특정 위치로 조향하거나 기타 다른 기능을 조정하도록 할 수 있다.합리적으로 정의할 수 있는 이온그러나 특히 바다와 기상 조건 때문에 지속적으로 작용하는 경우 전기 액추에이터에 필요한 전력량은 심각한 고려 사항이다.외부 전기 공급원이 없고 추진용으로 엔진을 가동하지 않는 장거리 순양함은 일반적으로 전력 예산이 비교적 엄격하며 전기 조향장치를 장시간 사용하지 않는다.전자 자동 조종 시스템은 작동하기 위해 전기를 필요로 하기 때문에, 많은 선박들은 또한 PV 태양 전지판이나 보트 위의 소형 풍력 터빈을 사용한다.이것은 추가적인 오염을 제거하고 비용을 절감한다.^[3]

기계적인

기계식 자기 조향 기어의 주요 목표는 외관상 바람을 향해 돛단배를 일정한 항로에 두고 조타수 조타수 일을 자유롭게 하는 것이다.유리한 부작용은 돛이 겉보기 바람을 향해 최적의 각도로 유지되고 그에 의해 최적의 추진력을 전달한다는 것이다.엔진 아래에서 달리는 돛단배에서도, 자기 조향 기어를 사용하여 보트가 바람으로 향하도록 하여 돛을 쉽게 설정하거나 변경할 수 있다(예외: 시트 대 틸러 원리).
풍향센서를 사용함에 따라
a) 수평선 방향으로 다소 기울어지는 축에 장착된 윈드 베인(윈드 베인 자체 회전)
b) 돛에서 바람의 압력 및 시트에 가해지는 힘(경유기에 가해지는 힘)

코스 변경 액추에이터(루더)와 기계적으로 외풍 방향의 변화를 결합하는 다양한 기계적 원리는 대략 다음과 같이 분류할 수 있다.

• 트림-탭(플렛너 서보 탭) 시스템, 주 방향타에 부착된 작은 플랩과 결합된 윈드 베인, 보조 방향타 또는 서보 진자 방향타
• 풍향 베인이 보조 방향타와 직접 연결된 보조 방향타(윈드필로트 아틀란틱, 하이드로바인)에 베인 연결
• 베인과 방향타 연결(매우 작은 보트에만 적용 가능, 대형 바람 베인은 배의 방향타에 직접 연결됨)
• 서보 진자 방향타(바람 베인은 수직축을 중심으로 몰입식 칼날을 돌리며, 물속을 통과하는 이동으로 인해 칼날이 옆으로 휘어지며 그것으로 배의 방향타를 돌린다)
• 보조 방향타가 있는 서보 진자(위처럼, 그러나 서보 진자 날개는 배의 방향타가 아닌 보조 방향타에 작용한다)
• 시트-투-틸러(틸러에서 스프링 하중은 전륜 및/또는 주 돛 시트의 당기는 힘에 의해 상쇄됨)

현재 자동 조종 장치

기계식 자기 조향 장치는 여러 제조사에 의해 만들어지지만,^[4] 오늘날 생산되는 대부분의 시스템은 같은 원리를 공유한다(서보 진자 방향타, 이하 참조).많은 장거리 순양함들은 전력 요건뿐만 아니라 전자 셀프 조향 기계도 복잡하고 외딴 지역에^{[citation needed]} 예비 부품이 없으면 수리할 수 없을 것으로 보고 있다.대조적으로 베인 기어는 적어도 바다에서 급조된 수리 가능성을 제공하며, 보통 국소 용접공이나 기계공에^{[citation needed]} 의해 비특정 부품(때로는 배관 부품)을 사용하여 육지에 재조립할 수 있다.셀프 스티어링 기어에 의한 속도 손실을 최소화하려면, 셀프 스티어링을 시도하기 전에 선박의 돛이 방향타에 거의 하중을 주지 않고 균형을 이루도록 하는 것이 필수적이다.돛을 올바르게 다듬은 상태에서 서보 노와 메인 또는 보조 방향타의 힘의 균형을 최소화하여 물의 흐름을 향한 방향타와 서보 노어의 공격 각도가 가장 낮을 수 있다.그러나 특정 용기와 조향 메커니즘에 대한 적절한 설정을 결정하기 위해서는 일반적으로 일부 실험과 판단이 필요하다.현대 풍차 기술의 인기 있는^{[citation needed]} 원천은 The Windvane Self-Steering Handbook이다.^[5]모리스의 저서에서 특히 가치 있는 기여는^{[citation needed]} 베인 기어 제조에 사용되는 다양한 합금에 대한 그의 취재다.모리스는 한 번에 30분씩 부엌 타이머를 설정하고 윈드밴 조향 장치가 조타 장치를 제어하는 동안 잠을 자는 그의 관행을 인정한다.그는 최근 인터뷰에서 홍해를 항해하면서 잠을 자던 중 거대한 화물선에 부딪히는 것을 아슬아슬하게 놓친 적이 있다고 말했다.모리스는 "자동 조종 장치가 이 사건에서 아무런 변화를 일으키지 않았을 것"이라고 지적한다.만약 내가 전자 자동 조종 장치를 사용했다면, 그 화물선은 여전히 그곳에 있었을 것이다.나는 내 일주일의 3분의 2를 혼자서 항해하기로 선택했고, 나는 그 결정과 함께 오는 위험을 받아들였다.운명은 내 편이었나 봐."

트림-탭

이전의 Trim-Tab 서보 시스템에서는 수직 축을 중심으로 서보 블레이드의 피벗 이동이 트림 탭 서보 탭에 의해 수행되었지만, 트림 탭이 서보 블레이드를 회전하기 위해 반대 방향으로 이동하기 때문에 약간의 힘이 든다.배의 방향타 뒤 큰 거리에 탑재된 트림탭도 위아래로 연결돼 있다.이 건축물의 이름은 "The Saye's Rigg"이다.또 다른 버전의 윈드 베인 자가 조향은 수직축 베인으로 알려져 있으며, 보통 서보 진자 장치에 비해 조향력 출력이 낮기 때문에 방향타에 매달린 트림 탭을 사용하여 보트의 항로를 제어한다.베인은 지면에 직각으로 회전하며 원하는 위치에서 트림 탭으로 잠글 수 있으며, 보트가 바람에서 떨어질 때 베인이 바람에 의해 회전하고 트림 탭을 가져가는 방식으로 방향타가 반대 방향으로 이동하게 하여 코스를 교정한다.일반적으로 트림 탭이 있는 자체 조향은 원하는 효과를 내기 위해 트림 탭을 방향타의 바로 앞뒤에 장착해야 하기 때문에 트랜섬(또는 뒤쪽에 매달린 이중 엔더) 루더가 있는 보트에만 사용할 수 있으며, 방향타가 좌우로 흔들릴 때에도 물론 제어해야 한다.이는 일반적으로 방향타가 회전할 때 베인 어셈블리에 대한 연결이 미끄러질 수 있는 슬롯 바를 사용하여 이루어진다.이러한 자체 조향 시스템은 일반적으로 간단하며 따라서 방향타를 제어하는 라인을 사용하지 않고 견고한 연결을 통해 보다 직접적으로 제어하기 때문에 코스를 설정하고 조정하기가 더 쉽다.^[6]일부 풍차에는 관련 장치인 환타지, 무거운 캡과 메인 돛을 자동으로 바람으로 바꾸는 메인 돛에 직각으로 탑재된 작은 풍차가 사용되어 왔다(1745년 영국에서 발명).(이미 바람이 메인 베인 속으로 직접 들어가 있을 때, 환타지는 본질적으로 움직이지 않고 있다.)

베인과 보조 방향타 연결

윈드밴에서 직접 보조 방향타를 작동하는 시스템으로 성공한 제조업체는 거의 없다(비서비스 시스템:Windpilot Atlantik, Hydrovane); 표시된 윈드베인의 그림은 수직 축에 있는 큰 직물 베인과 함께 이 원리를 사용한다(거의 수평 축이 거의 있는 바람 베인의 사용이 주로 사용된다).

서보 진자 방향타

가장 널리 보급된 형태의 자기 조향인 서보 진자는 더 큰 방향타를 작동시키는 데 필요한 힘에 대처하기 위해 도입되었으며 서보 트림 탭 원칙(허버트 "블론디" 해슬러 소개)의 계승자였다.모든 서보 진자 방향타(oar, 블레이드) 시스템에 공통적으로 나타나는 사실은 물을 통과하는 보트의 속도가 방향타를 돌릴 수 있도록 바람 베인으로부터 오는 작은 힘을 증폭시키는 데 사용된다는 사실이다.서보 칼날은 수직축으로 돌릴 수 있고 진자처럼 매달린다.수직축을 돌면 물 흐름이 블레이드 영역에 측면의 힘을 개시하고, 옆으로의 힘찬 스윙 동작으로 방향타(선박 방향타 또는 보조 방향타)에 작용한다.좁고 직립한 보드인 윈드 베인은 거의 수평 축 캐리어에 장착되어 수직 축을 중심으로 회전하여 보트가 원하는 방향으로 이동할 때 베인이 바람에 수직으로 가장자리를 향하도록 한다.윈드베인은 피벗 아래 작은 무게로 균형을 잡지만 보트가 더 이상 바람에 가장자리걸음을 하지 않도록 돌리면 추가 표면적이 드러나면서 한쪽으로 날아간다.이 움직임은 물속의 블레이드(또는 노)에 대한 일련의 연결에 의해 전달되어 바람 베인이 중립 위치에서 회전할 때 노를 수직 축으로 돌린다.위에서 설명한 칼날이 회전할 때, 그 칼날을 지나 이동하는 물의 압력으로 인해 회전봉의 끝에서 옆으로 흔들리게 된다.2.5m/초(약 5노트)의 보트 속도에서 레버 길이 1m에 0.1m의² 잠근 면적과 5°의 공격 각도는 이미 180Nm의 모멘트를 생성하는데, 이때 노가 NACA0012 프로필을 갖는 것이다.^[7]서보 노어의 조향력은 조향 로프를 조향 또는 조향 휠로 유도하기 위해 일반적으로 2개의 선과 4개 이상의 롤을 포함하는 주 방향타에 전달된다.

전송 최적화 및 저마찰 역학을 갖춘 현대식 서보 진자 자기 조향 장치는 날로 더 많이 사용되고 있으며, 이전에는 주로 원거리 해양 통로에 사용되었다.최적화된 최신 장치의 저풍 기능이 증가하여 1.3m/s의 분명한 바람과 1.5kn의 보트 속도로^[8][9] 저풍 조향할 수 있으며, 이는 전자 조향 장치를 거의 이중화시키고 윈드 베인 자체 조향 하에서 침로를 통과할 수 있게 하는 특성이다.점점 더 많은 장거리 레가타 선원들이 윈드 베인 셀프 조향법을 사용하고 있는데, 이는 돛이 항상 바람을 향해 최적의 각도로 유지되기 때문에 배의 속도는 가능한 최대치로 유지되기 때문이다.

수평 풍향 서보 자기 조향에 대한 수학적 설명은 코스 오류와 코스 오류를 수정하기 위한 정상 상태 방향타 각도의 관계를 다룬다.역학은 힘과 모멘텀 결합 방정식으로 설명된다.^[10][11]주로 세 가지 다른 기계적 변속기 원칙이 사용 중임Murray 슬라이드 블록 조인트, 90° 베벨 기어, Z축은 기하학적 구조 때문에 코스 오류 변화에 따른 조향력 변화가 다르다.^[12]

보조 방향타가 있는 서보 진자

순수 서보 진자 자체 조향 기어를 사용할 수 없는 경우(유압식 방향타 기어, 방향타를 돌리기 위해 매우 큰 힘이 필요한 경우), 보조 방향타 시스템이 사용된다.그것들은 자기 조향 시스템의 일부인 보조 조향기와 직접 결합된 서보 진자 조향기로 구성된다.이러한 경우 주 방향타는 주 코스를 "트림"하는 데 사용되며, 자기 조향 기어는 겉보기 바람의 변화에 따라 주 코스를 "주변"으로 조향한다.

시트 투 틸러

윈드 베인을 통한 기계적 자가 조향은 방향타나 서보 진자 방향타에 기계적으로 결합되는 것 외에, "시트에 틸러"라고 불리는 기계적 자기 조향 원리가 있다.롤로 게브하드는 그런 방법을 써서 길이 5.6m의 딜리그를 타고 대서양을 횡단했다.시트 대 틸러 셀프 조향은 돛의 바람의 힘을 이용해 보트를 조종하는 스프링식 틸러와 시트 사이의 연결로 구성된다.

개발

꽤 오랫동안 상업적으로 이용할 수 있는 자체 조향 시스템에는 거의 발전이 없었다.대부분의 새로운 개발은 자체 구축 시스템의 형태로 이루어졌다.결정적인 역할은 그의 웹사이트에 그의 디자인을 발표한 미국인 월트 머레이가 맡았다.^[13]그리고 새로운 풍차, 이른바 Up Side Down Windvane을 개발한 네덜란드인 Jan Alkema는 트랜섬 매달린 방향타를 가진 보트에 장착할 수 있는 새로운 종류의 서보 진자 시스템을 개발했다.이 마지막 발명으로 얀 알케마는 2005년 AYRS(아마추어 요트 연구회)로부터 존 호그-프라이스에 상을 받았다.얀 알케마는 그의 발명품들을 월트 머레이의 웹사이트에 많이 게재했다.^[13]

조른 하인리히는 2010년 강풍이 부는 상황에서 보트의 롤 각도를 사용하는 메커니즘을^[14] 코스 안정성을 높이고 다음 바다에서 브로킹 위험을 낮추는 보정 서보 노아 공격 각도에 추가했다.^[15]조른 하인리히는 또한 돌풍 시 카타마란이나 트리마란처럼 속도 잠재력이 큰 멀티헐 요트의 가속/감속 시 명백한 바람 변화를 보상하기 위해 물속의 지느러미를 사용하는 메커니즘을^[16] 발표했다.하인리히는 자체 파라메트릭 시뮬레이션 소프트웨어 베인심^[17](BeinSim)을 적용해 보트 속성에 따라 윈드베인 자체 조향 장치를 최적화한다.

2002년에 Robert Chicken은 The Steersman으로 알려진 영국에서 시트 투 틸러 시스템에 특허를 얻었다.그것은 보트의 양쪽에 있는 조종석 코밍에 장착된 두 개의 흔들리는 플랫폼으로 구성된다.일반 지브 시트 윈치를 정상 위치에서 이동한 다음 이 플랫폼의 상단에 다시 볼트로 고정한다.돛을 세운 상태에서 리워드 지브 시트를 윈치에 정상적인 방법으로 클리어하고, 지브 시트를 통해 전달되는 지브 내 풍압이 플랫폼을 전방으로 휘두른다.이러한 움직임의 균형을 맞추기 위해 플랫폼과 보트 후미 부분의 사이에 있는 충격 코드 스프링이 플랫폼을 중앙 중립 위치에 유지한다.일단 설정되면, 풍력이나 방향에 약간의 변화가 있으면 플랫폼이 앞뒤로 흔들리게 된다.그런 다음 간단한 연계가 이 동작을 조타 장치에 전달하여 보트를 항로에 유지시킨다.돛의 압력은 바람의 세기와 바람을 기준으로 배가 이동하는 방향에 따라 크게 달라질 수 있다.이를 수용하기 위해 스프링은 배 후미에 이중 블록을 장착하고, 플랫폼에 한 블록을 고정하는 '블록 앤 태클' 형태로 배치한다.고정된 끝과 꼬리 끝도 플랫폼에 부착되어 있고, 고정된 끝은 잘리고, 꼬리 끝은 미세 조정을 위해 잼브 클릿을 통과한다.이를 계기로 봄의 최대 장력은 이제 4개의 충격줄로 구성된다.지브 내 낮은 풍압의 경우 고정된 끝과 단일 블록을 플랫폼 베이스의 부착점에 다시 고정할 수 있다.그러면 1개에서 4개의 충격 코드 길이까지의 다양한 스프링 강도를 얻을 수 있다.매우 가벼운 풍압의 경우, 대신 더 가벼운 길이의 충격 코드 하나가 사용된다.이 설계가 "바람의 변화를 감지하기 위해 더 큰 지브 영역을 사용하기 때문에 훨씬 더 민감하다"는 윈드베인 시스템보다 이 설계의 주장된 이점은 의심스럽다.지브가 층류(laminar flow), 즉 최적으로 다듬어져 최대 추진력을 전달할 때 시트에서 힘이 가장 크고 이 최적으로부터 코스 편차 양쪽으로 감소한다.결론부터 말하면, 틸러에서 적절한 조향수정을 하기 위해서는 차선의 돛을 다듬어 배를 항해해야 한다.그러나 조종석 구역에서의 그것의 위치는 딩기 다빗, 선미 사다리 등과 같은 다른 목적으로 보트의 선미를 깨끗하게 한다.2012년, 이 발명품은 영국에서 헤이븐 아카데미 상을 받았다.심사위원회의 위원장은 로빈 녹스존스턴 경으로, 최초로 한손 한손 한손에 순환 운동을 완료한 사람이었다.

유명 셀프스티어링 보트

주목할 만한 자기 조향 돛단배는 다음과 같다.

• 1998년 대서양 횡단보도를 만든 셀프스티어링 정크 뗏목 마을회관 아들.
• 집시나방 4세

참고 항목

• 차트플롯터
• 무인표면차량

참조