회전 나침반

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1. 개요
2. 역사
3. 작동 원리
4. 장점
5. 단점
6. 현대적 발전
참조

1. 개요

회전 나침반은 자이로스코프를 기반으로 하여 지구의 자전축을 기준으로 진북을 가리키도록 설계된 항법 장치이다. 1885년 최초의 특허 이후, 1906년 헤르만 안슈츠 카엠페에 의해 실용적인 형태가 개발되었고, 엘머 스페리에 의해 미국 해군에 채택되면서 널리 사용되기 시작했다. 회전 나침반은 자기장의 영향을 받지 않고, 금속으로 둘러싸인 환경에서도 정확한 방향을 제시하며, 기계적 출력을 통해 다른 기기에 방위 정보를 제공할 수 있다는 장점을 가진다. 하지만 코스, 속도, 위도의 변화에 따른 오류가 발생할 수 있으며, 시동 시간과 유지 보수가 필요하다는 단점도 존재한다. 현대에는 GPS 등 항법 장치와의 연동을 통해 오차를 보정하고, 스트랩다운 아키텍처 기반 설계를 통해 오류를 줄이는 등 지속적인 발전을 이루고 있다.

2. 역사

1885년, Marinus Gerardus van den Bos가 최초의 자이로컴퍼스 특허를 획득했으나 실용화되지는 않았다.^[20] 1906년, 독일의 헤르만 안슈츠 카엠페(Hermann Anschütz-Kaempfe)가 실용적인 자이로컴퍼스를 발명했다. 안슈츠 카엠페는 이후 자이로컴퍼스 대량 생산을 위해 안슈츠 & Co.(현 레이시언 안쉬츠)를 설립했다.^[21]^[20]^[22]

1908년, 미국의 엘머 스패리가 독자적인 자이로컴퍼스 시스템을 개발하고, 스페리 자이로스코프 컴퍼니를 설립하여 미국 해군에 채택되었다 (1911년).^[23] 1913년, 독일 함부르크의 C. 플라트(C. Plath)는 상선용 자이로컴퍼스를 개발했다.^[8] 1914년, 영국의 브라운(Brown)은 선박 및 항공기용 자이로컴퍼스를 개발했다 (브라운식 자이로컴퍼스).^[17]

1923년, 막스 슐러는 슐러 튜닝을 통해 자이로컴퍼스의 오차를 획기적으로 줄이는 방법을 발견했다.^[9]

대한민국은 1970년대부터 선박용 자이로컴퍼스 개발을 시작하여, 현재는 다양한 분야에서 활용되는 자이로컴퍼스 기술을 보유하고 있다. 특히, 국방 분야에서 자이로컴퍼스는 함정, 잠수함, 항공기 등의 핵심 항법 장비로 활용되며, 독자적인 기술 개발을 위한 노력이 지속되고 있다.

2. 1. 초기 개발

1885년 마리너스 제라두스 반 덴 보스에 의해 최초의 실용화되지 않은 형태의 자이로컴퍼스가 특허를 받았다.^[5] 1889년 아르튀르 크레브스는 ''짐노트'' 잠수함에 듀물랭-프로먼 해양 자이로스코프에 전기 모터를 개조하여 적용했다. 그 결과 ''짐노트'' 잠수함은 수중에서 몇 시간 동안 일직선을 유지할 수 있었고, 1890년에는 해군 봉쇄를 강행할 수 있었다.^[5]^[6]^[7] 1880년까지 윌리엄 톰슨 (켈빈 경)은 영국 해군에 자이로스탯을 제안하려고 했다.

사용 가능한 자이로컴퍼스는 1906년 독일의 헤르만 안쉬츠-캠프에 의해 발명되었고, 1908년 성공적인 테스트를 거친 후 독일 제국 해군에서 널리 사용되었다.^[2] 안쉬츠-캠프는 자이로컴퍼스를 대량 생산하기 위해 킬에 안쉬츠 & Co. 회사를 설립했으며, 이 회사는 현재 레이시언 안쉬츠 GmbH이다.

미국에서는 엘머 앰브로즈 스페리가 실용적인 자이로컴퍼스 시스템을 제작하고(1908: ), 스페리 자이로스코프 컴퍼니를 설립했다. 이 장치는 미 해군에서 채택되었으며(1911^[3]), 제1차 세계 대전에서 중요한 역할을 했다.

한편, 1913년에는 육분의와 자기 나침반을 포함한 항해 장비 제조업체인 C. 플라트(독일 함부르크 소재)가 상선에 설치된 최초의 자이로컴퍼스를 개발했다. C. 플라트는 애나폴리스에 있는 위임스 항해 학교에 많은 자이로컴퍼스를 판매했으며, 곧 각 조직의 창립자들이 동맹을 맺고 위임스 & 플라트가 되었다.^[8]

1923년 막스 슐러는 자이로컴퍼스가 슐러 튜닝을 통해 84.4분(해수면에서 지구를 공전하는 가상 위성의 공전 주기)의 진동 주기를 가지면 측면 움직임에 둔감해지고 방향 안정성을 유지할 수 있다는 관찰 결과를 담은 논문을 발표했다.^[9]

2. 2. 독일

헤르만 안쉬츠-캠프Hermann Anschütz-Kaempfe^de는 1906년 사용 가능한 자이로컴퍼스를 발명했다.^[2]^[5]^[6] 1908년 성공적인 테스트를 거친 후 독일 제국 해군에서 널리 사용되었다.^[2]^[5]^[6] 안쉬츠-캠프는 자이로컴퍼스를 대량 생산하기 위해 킬에 안쉬츠 & Co. 회사를 설립했다.^[7] 이 회사는 현재 레이시언 안쉬츠 GmbH이다. 자이로컴퍼스는 선박의 움직임, 날씨, 선박 건조에 사용된 강철의 양에 관계없이 항상 선박의 위치를 정확하게 결정할 수 있었기 때문에 항해에 중요한 발명품이었다.^[11] 이는 독일 해군의 항해 능력을 크게 향상시켰다.

한편, 1913년에는 육분의와 자기 나침반을 포함한 항해 장비 제조업체인 C. 플라트(독일 함부르크 소재)가 상선에 설치된 최초의 자이로컴퍼스를 개발했다.^[8]

2. 3. 미국

미국에서는 엘머 앰브로즈 스페리가 실용적인 자이로컴퍼스 시스템을 제작하고(1908: ), 스페리 자이로스코프 컴퍼니를 설립했다.^[5] 이 장치는 미국 해군에 채택되었으며(1911^[3]), 제1차 세계 대전에서 중요한 역할을 했다.^[5] 해군은 또한 스페리의 "메탈 마이크"를 사용하기 시작했는데, 이는 최초의 자이로스코프 유도 자동 조종 시스템이었다. 그 후 수십 년 동안 이 장치와 다른 스페리 장치는 와 같은 증기선, 비행기, 제2차 세계 대전의 군함에 채택되었다. 1930년 그가 사망한 후 해군은 호를 그의 이름을 따서 명명했다.^[5]

2. 4. 대한민국

대한민국은 1970년대부터 선박용 자이로컴퍼스 국산화 개발을 시도하여 성공했다.^[2]^[5]^[6] 현재는 선박뿐만 아니라 잠수함, 전차, 자주포, 탄도 미사일 등 다양한 무기 체계에 필수적으로 사용되는 항법 장치이다.

3. 작동 원리

자이로스코프는 짐벌에 장착된 회전하는 바퀴로, 축이 어떤 방향을 가리키도록 속도를 높이면 각운동량 보존 법칙에 따라 우주 공간의 고정된 지점에 대해 원래의 방향을 유지한다.^[3] 지구는 자전하기 때문에 지구상의 정지 관찰자에게는 자이로스코프의 축이 24시간마다 한 번씩 회전하는 것처럼 보인다.^[10] 이러한 회전 자이로스코프는 항공기에서 방위 지시계 등으로 사용되지만, 장기적인 해양 항해에는 일반적으로 사용할 수 없다.^[10]^[12]^[13] 자이로스코프를 자이로컴퍼스로 바꾸어 자동으로 진북을 가리키게 하려면, 나침반의 축이 북쪽을 가리키지 않을 때마다 토크를 발생시키는 메커니즘이 필요하다.^[2]^[3]

한 가지 방법은 마찰을 이용하여 필요한 토크를 적용하는 것이다.^[11] 자이로컴퍼스의 자이로스코프는 축에 연결된 장치가 점성 유체에 잠겨 있으면, 유체에 의해 발생된 마찰력이 축에 작용하는 토크를 발생시켜 축이 세차 운동을 통해 경도선을 따라 회전하게 한다. 축이 천구의 극을 향하면 정지된 것처럼 보이며 더 이상 마찰력을 경험하지 않는데, 이는 진북(또는 진남)이 자이로스코프가 지구 표면에 머물면서 변경할 필요가 없는 유일한 방향이기 때문이다.

더 실용적인 방법은 추를 사용하여 나침반의 축이 수평을 유지하도록 강제하면서, 수평면 내에서는 자유롭게 회전하도록 허용하는 것이다.^[2]^[3] 이 경우 중력은 나침반의 축을 진북을 향하도록 강제하는 토크를 가한다. 추는 나침반의 축을 지구 표면에 대해 수평으로 제한하므로, 축은 적도를 제외하고 지구의 축과 일치할 수 없으며 지구가 회전함에 따라 자체적으로 재정렬되어야 한다.

자이로컴퍼스의 북쪽 탐색 기능은 토크 유도 자이로 세차 운동을 유발하는 지구 축 회전에 의존한다.^[12] 따라서 동쪽에서 서쪽 방향으로 매우 빠르게 이동하면 지구의 자전을 무효화하여 진북을 제대로 정위하지 못한다.^[12]

회전 나침반은 대칭축 중 하나를 중심으로 자유롭게 회전할 수 있는 자이로스코프(gyroscrope)로 간주하며, 전체 회전 자이로스코프는 국소 수직축을 중심으로 수평면에서 자유롭게 회전할 수 있다. 따라서 두 개의 독립적인 국소 회전이 있다. 이러한 회전 외에도 지구의 남북(NS) 축을 중심으로 한 지구의 자전을 고려하며, 행성을 완벽한 구체로 모델링한다. 마찰과 태양 주위의 지구 자전은 무시한다.

이 경우 지구 중심에 위치한 비회전 관찰자는 관성 좌표계로 근사할 수 있다. 이러한 관찰자(1-O라고 명명)에 대해 데카르트 좌표 $(X_{1},Y_{1},Z_{1})$ 을 설정하고 자이로스코프의 질량 중심은 지구 중심에서 $R$ 거리에 위치한다. 자이로스코프의 질량 중심 높이가 변하지 않으므로(그리고 좌표계의 원점이 이 지점에 위치해 있음), 그 중력 위치 에너지는 일정하다.

자이로 컴퍼스는 작동 시 나침반 등을 참고하여 북쪽으로 자이로 축을 향하게 하여 회전을 시작하면, 정지점을 중심으로 수평, 수직 양방향으로 감쇠 진동을 반복하여 진북을 향해 정지한다. 안정화되기까지 시간이 걸리며, 자이로 컴퍼스의 안정화 방식에는 여러 특허와 기술이 존재하고, 작동부터 안정화까지의 시간은 시대가 지날수록 대폭 단축되었지만, 과거에는 안정화에 수 시간이 걸리기도 했다.

4. 장점

회전 나침반은 나침반과 달리 지구의 자전축에 대한 진북을 항상 가리키므로 자북과 진북의 보정이 필요 없다. 주변 자기장의 영향을 받지 않아 금속으로 둘러싸인 항공기나 선박 내에서도 사용 가능하며, 설치 장소를 가리지 않는다. 동요에 의한 영향을 받지 않으므로 선박이나 항공기 등의 탈것에서 사용해도 나침반처럼 방위가 흔들리지 않는다. 방위를 기계적인 출력으로 얻을 수 있으므로 다른 기기에 방위 정보를 입력할 수 있으며, 자이로 리피터 등의 자기에 원격 표시할 수 있다. 이 때문에 고성능의 대형 자이로컴퍼스 한 대만 있으면 방위 정보를 여러 기기에서 공유할 수도 있다.

5. 단점

회전 나침반은 코스, 속도, 위도의 급격한 변화로 인해 발생하는 증기 오류를 포함한 특정 오류의 영향을 받는다. 이는 자이로가 자체적으로 조정되기 전에 자기 편차를 발생시킨다.^[14] 대부분의 현대 선박에서는 GPS 또는 기타 항법 장치가 자이로 나침반에 데이터를 공급하여 소형 컴퓨터가 보정을 적용할 수 있도록 한다.^[14] 또는 광섬유 자이로스코프, 링 레이저 자이로스코프 또는 반구 공진 자이로스코프를 포함하는 스트랩다운 아키텍처 기반 설계는 기계 부품에 의존하지 않으므로 이러한 오류를 제거한다.^[15]

지구의 운동 외에 다른 힘이 가해지면 자이로 오차가 발생하며, 시간이 지나면 올바른 위치로 돌아오지만 탑재된 이동체에 가속도가 가해질 때 방위가 흐트러진다. 관성 항법 장치는 이 흐트러짐을 감지한다.

자이로를 회전시키는 동력이 없으면 사용할 수 없다. (선박이나 항공기에서는 전원 상실 시 등의 백업으로 자이로 컴퍼스를 갖추고 있다.) 시동 후 정확한 방위를 나타내도록 정정되기까지 시간이 걸린다. 또한, 자기 컴퍼스에 비해 크고 비싸며, 정밀 기계이므로 유지 보수가 필요하다.

6. 현대적 발전

회전 나침반은 코스, 속도 및 위도의 급격한 변화로 인해 발생하는 증기 오류의 영향을 받는다. 이 오류는 자이로가 자체적으로 조정되기 전에 자기 편차를 발생시킨다.^[14] 대부분의 현대 선박에서는 GPS와 같은 항법 장치가 자이로 나침반에 데이터를 제공하여 소형 컴퓨터가 보정을 적용할 수 있도록 한다.

광섬유 자이로스코프, 링 레이저 자이로스코프, 반구 공진 자이로스코프를 포함하는 스트랩다운 아키텍처 기반 설계는 기계 부품에 의존하지 않고 회전 속도를 결정하므로 이러한 오류를 제거한다.^[15]

참조

_[1] 논문 The Seven Ways to Find Heading http://www.navlab.ne[...] Cambridge University Press
_[2] 서적 The Anschutz Gyro-Compass and Gyroscope Engineering https://books.google[...] Watchmaker 2003
_[3] 간행물 The gyroscope pilots ships & planes https://books.google[...] 1943-03-15
_[4] 서적 Safe Nav Watch Witherby Publishing Group 2023
_[5] 서적 How experiments end https://books.google[...] University of Chicago Press
_[6] 웹사이트 Archived copy http://downloads.ger[...] 2012-02-19
_[7] 웹사이트 Chambers of Commerce and Industry in Schleswig-Holstein https://www.ihk-schl[...] 2017-02-22
_[8] 웹사이트 The Invention of Precision Navigational Instruments for Air and Sea Navigation http://www.weems-pla[...] 2011-07-18
_[9] 서적 Introduction to avionics systems https://books.google[...] Springer
_[10] 문서
_[11] 웹사이트 Gyrocompass, Auxiliary Gyrocompass, and Dead Reckoning Analyzing Indicator and Tracer Systems http://www.maritime.[...] 2013-06-01
_[12] 웹사이트 NASA Callback: Heading for Trouble http://asrs.arc.nasa[...] NASA 2011-07-16
_[13] 서적 American Practical Navigator https://books.google[...] Paradise Cay Publications 2017-03-07
_[14] 웹사이트 Gyrocompass: Steaming Error http://www.navis.gr/[...] 2008-12-22
_[15] 서적 Seamanship Techniques:Shipboard and Marine Operations Butterworth-Heinemann
_[16] 웹사이트 ジャイロコンパス静定までの所要時間 http://www.fish-u.ac[...]
_[17] 서적 明治・大正家庭史年表:1868-1925 河出書房新社
_[18] 논문 ジャイロとその応用 https://www.jstage.j[...] 2023-05-13
_[19] 논문 The Seven Ways to Find Heading http://www.navlab.ne[...] Cambridge University Press
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_[21] 서적 The Anschutz Gyro-Compass and Gyroscope Engineering https://books.google[...] 2003
_[22] 웹인용 Archived copy http://downloads.ger[...] 2012-02-19
_[23] 저널 The gyroscope pilots ships & planes https://books.google[...] 1943-03-15

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