일조가구조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 발사하는 수난 구조 튜브

영문 : Firing Tube for Rescuing a Drowning Man)

과제 팀명

일조가구조

지도교수

강인혜 교수님

개발기간

  2019년 09월 17일 ∼  2019년 12월 20일   (총 3개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2016860042 김지후(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 2012430037 최희성

서울시립대학교 기계정보공학과 2013430016 박명철

서울시립대학교 기계정보공학과 2013430042 한승헌

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

일반인이 물에 빠진 사람을 구할 수 있게 하는 장비

개발 과제의 배경 및 효과

- 배경

적지 않은 상황에서 익수사고자를 구하는 골든타임인 4분보다 실제 구조대 도착시간이 더 길다. 그래서 자동 제세동기처럼 일반인의 구조활동을 가능하게 해야만 익사사고를 줄일 수 있다.

- 효과

구조대를 기다리지 않고 현장에 있는 일반인이 익수자를 구할 수 있어 익사사고를 줄일 수 있다.

개발 과제의 목표와 내용

큰 완력이나 훈련된 기술 없이도 수난구조에 이용할 수 있도록 설계됐다. 이를 위해 발사체가 수면에 닿은 즉시 내부에 튜브가 자동으로 전개되어 충분한 부양력을 지닌다. 또한 발사체를 최대 20m 보낼 수 있는 동시에 사람의 힘으로 충분히 장전하도록 한다. 마지막으로 익수자에게 발사체를 정확히 유도할 수 있도록 튜브세트에 구명줄을 결합한다. 본 아이템의 내용은 두 부분으로 자동팽창 튜브(구명줄 결합)가 들어있는 발사체, 사람 힘으로 장전하는 휴대식 발사장치로 구성된다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

기술적 기대효과는 두 가지이다. 첫 번째로 수난구조 활동의 난이도를 낮출 수 있다. 특수장비가 없는 일반인이 익수자를 구하려면 익수자가 빠진 곳까지 직접 헤엄치거나 튜브를 던져야 한다. 이러한 방법들은 오랜 훈련 없이는 성공하기 어렵고 일반인조차 익수자가 될 위험이 있다. 그러나 본 아이템을 이용하면 수영을 할 줄 모르거나 완력이 강하지 않아도 익수자에게 튜브를 전달할 수 있다. 두 번째로 골든타임 내에 구조할 수 있다. 앞서 말했듯이, 모든 경우에 수난구조대가 4분 안에 도착하는 것은 불가능하다. 본 아이템을 물가에 비치해두면 구조대를 기다리지 않아도 된다. 익수자가 발생 시 일반인이 이 제품을 이용해서 현장에서 즉각 구조할 수 있다.

경제적 및 사회적 파급효과

본 제품은 경제적 이점으로 익수사고로 인한 비용을 줄일 수 있다. 우리나라에서 다섯 번째로 흔한 사망원인인 익사사고를 줄이는 데에 기여하기 때문이다. 사회적 효과는 첫 번째로 구조대원들의 부담을 크게 줄인다. 출동하는 대원들의 입장에서 익수자가 구명튜브를 잡고 있는 것과 잡을 곳 없이 질식하는 것은 심리적 부담이 완전히 다르다. 이 제품은 구조실패로 인한 대원들의 트라우마를 방지할 수 있다. 두 번째로 익수자를 구조할 수 없는 일반인들의 무력감, 정신적 충격을 방지할 수 있다. 앞서 언급했듯이 수난구조는 오랜 기간의 훈련과 장비를 필요로 한다. 때문에 일반인에게 수난구조 활동은 매우 어렵고 실패할 확률이 높다. 최악에 경우 익수자를 구하려다 자신이 목숨을 잃을 수도 있다. 그래서 대부분의 사람들은 익수자를 구조할 수 없고 이는 큰 심적 충격을 초래한다. 그러나 이 제품은 사용자가 위험을 무릅쓸 필요가 없고 익수자에게 효과적으로 구명튜브를 전달한다. 그래서 익수사고 현장에서 사람들의 트라우마를 방지할 수 있다.

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품요구사항

개념설계안

발사장치

앞서 언급했듯이 본 아이템에서, 발사장치는 사람이 들고 다님에 부담이 없고 탄성에너지를 활용해서 발사체를 발사한다. 또한 큰 힘을 들이지 않고 장전할 수 있고 오래 방치해도 부식, 변형되지 않는 소재로 제작된다. 전체적인 형상은 소총과 비슷하다. 개머리판을 어깨에 견착하고 손잡이(핸드그립)의 방아쇠를 당겨 발사체를 쏜다. 탄성체로는 한 쌍의 압축스프링을 적용한다. 스프링은 고무줄처럼 열화되지 않고 석궁의 탄성노와 달리 분해, 관리가 필요없다. 장전하는 법은 간단하다. 개머리판을 바닥에 대고 슬라이더를 발로 눌러서 슬라이더에 뚫린 구멍에 걸쇠에 걸리게 한다. 발사장치를 구성하는 소재는 철과 abs로 힘을 많이 가해지는 부분은 철 재질의 부품을 적용했다. 사람의 피부가 닿는 개머리판과 손잡이는 abs 소재다. abs소재의 부품에 경우, 3d 프린터로 제작한다.

발사체

발사체는 직경 60mm, 길이 320mm로 공기저항을 최소화한 외형을 이루고 있다. 외형은 세 부분으로 나뉜다. 유선형의 헤드와 반으로 갈라지는 바디, 슬라이더와 맞닿는 테일로 구성된다. 헤드의 재질은 고무로 되어있어 익수자에 몸에 발사체가 부딪쳐도 익수자가 다칠 가능성이 없다. 바디와 테일은 얇은 플라스틱으로 경량화에 집중한다. 외형 내부에는 세 가지 부품이 있다. 구명튜브와 튜브에 공기를 공급하는 압축 co2용기(실린더), 인플레이터다. 헤드에는 구멍이 뚫려있어 발사체가 수면에 도달하면 발사체 내부로 물이 들어온다. 인플레이터는 감지부에 물이 닿으면 co2실린더의 입구를 찔러서 압축된 공기가 터져 나오게 한다. 나오는 공기(co2)는 튜브로 들어간다. 그 결과 튜브가 자동으로 팽창하여 익수자의 몸을 부양한다. 또한 튜브세트에 구명줄이 연결되어 있다. 튜브가 전개한 이후 인위적으로 구명줄을 조작하여 익수자에게 튜브를 유도한다.

조준장치 & 익수자에게 구명튜브 전달방식

본 아이템은 소화기처럼 외부에 비치되어 어느 사람이든 사용할 수 있도록 설계되었다. 그래서 조준장치는 내외부 전원을 필요로 하지 않아야 한다. 또한 탄젠트식 조준기와 달리 사격술을 익히지 않아도 바로 조준에 이용할 수 있어야 한다. 이 조건들을 만족하는 조준장치는 스코프(scope) 조준기다. 스코프란 망원조준경으로 먼 곳에 있는 목표물을 조준할 수 있도록 해주는 광학 장비이다. 십자선 한 가운데에 목표를 겨냥하여 조준한다. 스코프의 강점은 배율이다. 먼 거리에 목표물을 확대해서 보여준다. 본 아이템의 유효사거리인 15m는 가까운 거리가 아니다. 그 거리에서 군필자가 아닌 일반인이 육안으로 익수자를 조준하는 것은 버거운 일이다. 이러한 부분에서 망원경처럼 물체를 확대해서 보여주는 스코프의 기능성이 두드러진다.

그런데 본 아이템에서는 이러한 조준기가 있어도 탄착군이 형성되지 않는다. 질량과 형상을 지닌 물체를 발사할 때 탄착군이 형성되려면 발사 에너지가 높아야 하고, 발사체가 총알처럼 나선운동을 해야한다. 본 아이템은 탄성력으로 발사체를 발사하고, 소총과 달리 강선도 없다. 따라서 탄착군이 형성되기 어렵다. 그러므로 익수자에게 튜브를 전달하는 개념을 새로이 바꿨다. 발사체에 내장된 튜브세트에 구명줄을 결합하는 것이다. 스코프는 익수자를 향해 발사각 45도를 유지하게 하는 보조적인 역할을 수행한다. 그래서 발사체를 익수자 머리위로 넘겨 보낸다. 그 다음, 구명줄을 당겨 익수자에게 튜브를 유도한다. 이 방식을 도입하여 훨씬 효과적으로 튜브를 보낼 수 있고 익수자가 튜브를 잡은 뒤에는 땅으로 끌어올 수 있다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

이론적 계산 - 발사체를 날리기 위해 필요한 스프링의 탄성에너지

본 아이템은 발사체를 곡사로 쏘아올린다. 스프링을 압축하여 생성된 탄성에너지가 발사체의 운동에너지로 바뀐다. 다시 말해 스프링의 탄성력으로 발사체는 포물선 운동을 한다. 이론적으로 발사각이 45도 일 때 수평방향 이동거리가 가장 길다. 본 제품은 유효사거리가 15m가 되도록 기획하였다. 그리고 최대 사거리를 20m로 설정했다. 그래서 45도 각도에서 수평이동거리가 20m가 나오는 스프링 탄성의 최소값을 구한다. 사용한 식을 아래와 같다.