[논문]분산도 분석에 의한 총열 잔여수명 예측에 관한 연구

김현준

문제 정의

본 연구는 소화기의 야전 운용환경에서 간편하면서 정량화된 총열 잔여수명 예측 기술을 개발하여 현재 및 한계수명까지의 잔여 사격량의 예측을 통해 군수지원 측면에서 체계적인 총열 관리 목적으로 수행하였으며, 본 연구의 결론은 다음과 같다.
이러한 노력의 일환으로 화포이력부를 작성하고 있지 않은 소화기 분야에서는 많은 사용량에도 불구하고 각각 의총 열의 적기교체 시기를 알 수 없어 군수지원이 체계적으로 이루어지고 있지 않은 것에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다. 이러한 배경에서 본 연구는 총열의 현재 누적 사격량과 한계 수명까지의 잔여 사격량을 예측하기 위하여 야전운용환경에서 쉽게 접근할 수 있는 방법을 찾아내어 도표화 혹은 수식화 함으로써 야전에서 사용군이 총열 교체 시점을 쉽게 찾아내는 것이 가능하도록 하는 것을 목적으로 진행하였다.

가설 설정

소구경화기의 사격량과 분산도의 관계는 일차함수의 형태를 보일지 혹은 다차 함수의 형태를 보일지 쉽게 예상하기 힘든 점이 많고 또한 한계수명까지 사격을 진행하여 결과를 확인해야 하는 어려운 점이 있기 때문에 쉽게 접근할 수 없는 단점이 있었다. 하지만 비용 대 효과적인 측면을 고려했을 때 분산도와 사격량과의 관계를 예측할 수 있다면 야전환경에서 사용군이 가장 편하고 쉽게 적용이 가능하기 때문에 분산도를 통한 총열 잔여수명 예측에 대한 가설을 설정하고 연구를 진행하였다.

제안 방법

시험은 크롬도금이 되지 않은 표준 총열 및 크롬도금 총열을 각각 1개씩 제작하여 실시하였고 실제 운용상황을 모사하기 위하여 단발사격 30발, 점사 사격 30발을 번갈아 210발을 1주기로 사격시나리오를 설정하였다. 각 총열에 대하여 두격검사, 기능검사, 강내검사, 진직도검사 등의 예비검사를 실시한 후 각 총열에 대하여 20, 000발 내구도 사격시험을 수행하고 이때 측정된 데이터(분산도, 총구속도, 내경 마모량)를기준으로 잔여수명 예측 곡선을 도출하였다.
검증 시에는 선행시험에서 수행한 크롬도금기법을 동일하게 적용하여 시험을 수행하였으며, 검증은 정해진 사격절차를 준수하면서 각 사격 주기가 끝난 후의 분산도를 계측하여 결과를 기록하고 본 연구를 통해 얻어진 식에 대입하여 검증하는 방법으로 이루어졌다.
사격량과 분산도의 관계를 실험식으로 유도하였다. 크롬 도금한 총열의 20, 000발 사격간 분산도 데이터를 분석해서 선형회귀법을 적용하면 Fig.
상관관계를 시험적으로 분석하기 위해 선행시험을 실시하였다. 시험은 크롬도금이 되지 않은 표준 총열 및 크롬도금 총열을 각각 1개씩 제작하여 실시하였고 실제 운용상황을 모사하기 위하여 단발사격 30발, 점사 사격 30발을 번갈아 210발을 1주기로 사격시나리오를 설정하였다.
선행시험을 통해 유도된 실험식을 K11 복합형 소총 체계개발 기간동안 시험사격을 통해 검증하는 절차를 수행하였다. 검증 시에는 선행시험에서 수행한 크롬도금기법을 동일하게 적용하여 시험을 수행하였으며, 검증은 정해진 사격절차를 준수하면서 각 사격 주기가 끝난 후의 분산도를 계측하여 결과를 기록하고 본 연구를 통해 얻어진 식에 대입하여 검증하는 방법으로 이루어졌다.
시험은 K11 복합형소총의 내구도 시험 시 추가적인 측정을 통해 사격절차(1주기 210발)와 방법에 따라 1, 000발 단위로 가장 가까운 주기의 결과를 측정하여 10, 000발까지 2정의 시험을 완료하였으며, 사격 방법과 시나리오는 사용군의 화기 운용형태 및 TOP 3-2-045 에 규정된 절차를 준용하여 30발 탄알집을 이용한 단발과 3발 점사사격을 번갈아 가며 사격을 실시하였다. 각각 사격량에서의 상관관계식을 통한 예측값과 실제 K11 실사격을 통해 검증한 값과의 관계는 Table 2와 같다.
시험은 크롬도금이 되지 않은 표준 총열 및 크롬도금 총열을 각각 1개씩 제작하여 실시하였고 실제 운용상황을 모사하기 위하여 단발사격 30발, 점사 사격 30발을 번갈아 210발을 1주기로 사격시나리오를 설정하였다. 각 총열에 대하여 두격검사, 기능검사, 강내검사, 진직도검사 등의 예비검사를 실시한 후 각 총열에 대하여 20, 000발 내구도 사격시험을 수행하고 이때 측정된 데이터(분산도, 총구속도, 내경 마모량)를기준으로 잔여수명 예측 곡선을 도출하였다.

성능/효과

5.56mm 크롬도금 총열 잔여수명을 예측하기 위한 변수를 설정하여 시험을 통해 사격량 증가에 따른 분산도와의 관계를 회귀분석을 통하여 적합한 실험식을 도출하여 K11 복합형소총의 개발 시 검증 시험을 통해 결과를 확인함으로써 총열의 잔여수명을 예측하는데 편리하고 중요한 수식을 도출하였다.
시험결과를 분석했을 때 총열 표면에 크롬도금을 할 경우 사격량과 분산도의 상관관계가 일차함수의 관계를 보이는 것으로 확인되었다. 결과적으로 5.56mm 총열에 크롬도금을 적용할 경우 분산도 측정을 통해 총열의 누적 사격량을 예측하는 방법이 가능함을 확인하였다.
6과 같다. 다양한 사격거리에서도 적용이 가능토록 분산도를 mil 단위로 환산하였으며, 여러가지 Curve Fitting 방법론을 적용해 본 결과 야전에서도 쉽게 계산할 수 있는 일차함수 형태로 표현해도 충분하다는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서 접근한 방법인 분산도를 통한 총열 잔여 수명 예측 기술은 사용군에 의해 가장 편하게 사용 가능하지만 분산도와 총열수명의 상관관계는 쉽게 예측하기 힘든 점이 있다. 소구경화기의 사격량과 분산도의 관계는 일차함수의 형태를 보일지 혹은 다차 함수의 형태를 보일지 쉽게 예상하기 힘든 점이 많고 또한 한계수명까지 사격을 진행하여 결과를 확인해야 하는 어려운 점이 있기 때문에 쉽게 접근할 수 없는 단점이 있었다.
본 연구의 분산도-사격량 상관관계식이 실제 야전 운용환경 하에서 적용 가능한지 검증하기 위해 야전부대에서 시험을 실시하여 확인한 결과, 시험에 사용된 4정의 소총으로부터 측정된 값은 각 소총의 누적 사격량에 해당하는 분산도 예측치와 일치하였다.
분산도는 Fig. 5와 같이 크롬도금처리 여부와는 상관없이 사격량에 따라 선형적으로 증가함을 확인하였다. 시험결과를 분석했을 때 총열 표면에 크롬도금을 할 경우 사격량과 분산도의 상관관계가 일차함수의 관계를 보이는 것으로 확인되었다.
5와 같이 크롬도금처리 여부와는 상관없이 사격량에 따라 선형적으로 증가함을 확인하였다. 시험결과를 분석했을 때 총열 표면에 크롬도금을 할 경우 사격량과 분산도의 상관관계가 일차함수의 관계를 보이는 것으로 확인되었다. 결과적으로 5.
그러나 총열에 크롬도금처리를 수행할 경우, 내경마모모델과 일치하지 않는 결과를 확인할 수 있었는데, 이는 사격이 진행됨에 따라 마모도 진행되나 총열에 크롬도금처리를 할 경우 동피가 더 잘 고착이 되어 측정에 오차가 발생하는 것이 원인으로 파악되었다. 이 시험결과를 통해 판단해 볼 때, 표준총열의 경우 내경 측정을 통해 총열의 잔여 수명을 예측하는 것은 가능하지만, 크롬도금처리를 할 경우내경의 치수를 측정하여 총열의 누적 사격량을 예측하는 방법으로 적절치 않음을 확인할 수 있었다. 참고로 현재 대부분의 소구경화기 총열이 도금이 되어있지 않으나, 총열의 내구성 향상을 위해 크롬도금이 된 총열이 지속적으로 보급중에 있다.
7과 같다. 이때에 각 상수들에 대한 결정계수(R-Square)들은 0.821 ~0.835 수준으로 대등하여 1차 함수 형태로 수식 유도가 가능함을 확인하였다.
4와 같이 부분적인 오차는 있었으나, 사격량에 따라 선형적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 즉 총열 수명과 총구속도는 매우 깊은 연관성을 가짐을 확인하였다. 하지만 야전에서 총구속도 측정 장치를 설치하여 운용하는 데는 매우 큰 비용이 소요되며, 총구속도 측정에 있어서 광량, 수평/수직도 등 외부 환경조건의 영향을 많이 받기 때문에, 야전에서 사용하기에는 적합한 방법이 아니라고 판단하였다.
총구속도는 Fig. 4와 같이 부분적인 오차는 있었으나, 사격량에 따라 선형적으로 감소함을 확인할 수 있었다. 즉 총열 수명과 총구속도는 매우 깊은 연관성을 가짐을 확인하였다.
표준 총열의 경우를 관찰한 결과 Fig. 3과 같이 사격이 진행되면서 내경 마모량이 선형적으로 증가됨을 확인할 수 있었다. 그러나 총열에 크롬도금처리를 수행할 경우, 내경마모모델과 일치하지 않는 결과를 확인할 수 있었는데, 이는 사격이 진행됨에 따라 마모도 진행되나 총열에 크롬도금처리를 할 경우 동피가 더 잘 고착이 되어 측정에 오차가 발생하는 것이 원인으로 파악되었다.

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