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문제 정의
- 발췌된 ASRP데이터는 생산 시점 및 생산 lot, 탄약고 형태에 따른 여러 가지 변량이 혼합되어 있기 때문에 혼합된 변량이 포함된 ASRP데이터를 이용하여 수명 예측을 수행하는 것은 많은 오차를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 변량에 의한 영향을 제외하고자, 노화시험을 실시한 지연관과 동일한 제조월을 가지는 6월 생산분 지연관의 신관불발 데이터를 이용하여 수명 예측 결과를 검증하였다.
- 그러나 현재까지 탄약 개발 시에는 개발 완료된 탄약에 대한 기능 구현상의 “품질” 평가 개념의 시험을 중점적으로 검토하였고 보존 환경 및 시간에 따른 각 Unit/Interface/Material의 열화특성에 대한 평가는 미진하였던 것으로 밝혀져 있어 그간의 사용수명 예측에 대한 근거가 다소 미흡한 것으로 인식되어 있다. 본 연구에서는 60mm 고폭탄에 적용되는 충격신관 K510에 있어 불발의 주된 원인으로 추정되는 Zi-Ni계 금속원료 표면의 산화에 의한 연소중단 현상에 대해 이를 재현할 수 있는 내압용기를 이용한 고온노화 시험법을 개발하였다. 또한 이러한 재현시험법을 바탕으로 고온조건의 가속노화시험을 추진하고 노화 기간에 따른 연소중단 발생율 데이터를 분석하는 가부반응 데이터 해석방법을 개발하였다.
가설 설정
- 따라서, 본 연구에서는 내부 수분이 고온에서도 증발하지 않는 조건을 구현하여 악작용을 재현하고 재현된 악작용을 유발하는 스트레스를 이용하여 가속노화시험을 수행하였다. 지연관을 동관 내에 보관 시 고온에서도 수분은 동관 내부에서 활성화된 상태로 포화될 것이라는 가정하에, 지연관 내부의 수분이 고온(200℃)에서도 증발하지 못하도록 Fig. 3과 같이 두께 1mm의 동관 양 끝을 밀폐 처리한 내압용기를 제작하였다. 내압용기는 한 끝을 브레이징 처리하였으며 나머지 한 끝은 니플 구조를 적용하였다.
제안 방법
- 각 관측 주기별로 기폭시험을 실시하고 내부 화공품의 화학적 특성의 변화를 관측할 목적으로 화학분석용 시료를 별도로 투입하여 시험을 진행하였다.
- 절심현상을 재현한 시험 조건인 온도 195℃를 기준으로 노화시험 계획을 수립하였다. 노화시험의 온도 조건은, 각 온도 조건별 약 50% 절심 발생을 4개월 이내에 확인할 수 있도록 아레니우스 가속모델을 이용하여 설정하였다. 아레니우스 가속모델의 활성화 에너지 값은 마그네슘화합물의 경우 0.
- 따라서, 본 연구에서는 내부 수분이 고온에서도 증발하지 않는 조건을 구현하여 악작용을 재현하고 재현된 악작용을 유발하는 스트레스를 이용하여 가속노화시험을 수행하였다. 지연관을 동관 내에 보관 시 고온에서도 수분은 동관 내부에서 활성화된 상태로 포화될 것이라는 가정하에, 지연관 내부의 수분이 고온(200℃)에서도 증발하지 못하도록 Fig.
- 본 연구를 통하여 기존에 재현하지 못하였던 K1 지연관의 Field 악작용인 점화제와 지연제 사이 또는 지연제의 연소중단 현상을 내압용기를 이용한 고온노화 시험을 통해 재현하였다. 또한 3차원 엑스레이를 이용하여 절심발생 위치를 확인하였다. 이를 바탕으로 시험 계획을 수립하여 3수준 온도조건의 가속노화 시험을 실시하였다.
- 본 연구에서는 60mm 고폭탄에 적용되는 충격신관 K510에 있어 불발의 주된 원인으로 추정되는 Zi-Ni계 금속원료 표면의 산화에 의한 연소중단 현상에 대해 이를 재현할 수 있는 내압용기를 이용한 고온노화 시험법을 개발하였다. 또한 이러한 재현시험법을 바탕으로 고온조건의 가속노화시험을 추진하고 노화 기간에 따른 연소중단 발생율 데이터를 분석하는 가부반응 데이터 해석방법을 개발하였다. 마지막으로 고온조건에서의 시험결과로 부터 수명-스트레스 관계식인 Ɵ도(반감) 모델식을 이용하여 상온 저장수명을 예측하고 이를 Field 악작용 데이터와 비교하였다.
- 시험 결과 내부 수분량이 변화하지 않았기 때문에 내압 상승에 대한 기밀성을 확보할 수 있었다. 또한, 고온 조건에서 뇌관화약이 기폭될 가능성이 있어 시험에 사용될 시료는 뇌관 및 장진핀을 결합하지 않은 반제품 상태로 투입하였고 시험 종료 후 뇌관과 장진핀을 조립 후 기폭 시험을 수행하였다.
- 또한 이러한 재현시험법을 바탕으로 고온조건의 가속노화시험을 추진하고 노화 기간에 따른 연소중단 발생율 데이터를 분석하는 가부반응 데이터 해석방법을 개발하였다. 마지막으로 고온조건에서의 시험결과로 부터 수명-스트레스 관계식인 Ɵ도(반감) 모델식을 이용하여 상온 저장수명을 예측하고 이를 Field 악작용 데이터와 비교하였다.
- 본 연구를 통하여 기존에 재현하지 못하였던 K1 지연관의 Field 악작용인 점화제와 지연제 사이 또는 지연제의 연소중단 현상을 내압용기를 이용한 고온노화 시험을 통해 재현하였다. 또한 3차원 엑스레이를 이용하여 절심발생 위치를 확인하였다.
- 본 연구에서는 상기의 불폭률 데이터를 이용하여 저장수명을 예측하기 위해 수명 분포로서 와이블분포를 가정하였고, 형상모수와 척도모수를 추정하는 방법은 우도함수(Likelihood Function)를 활용한 모수추정법[6]을 이용하여 수치계산법인 SQP(Sequential Quadratic Programming)를 활용하였다. 본 연구에서 개발한 프로그램의 알고리듬을 Fig. 6에 Flow chart로 도식화 하였다.
- 두 모델식이 두 개의 온도조건에서 시험한 결과를 해석하는 데 동일한 파라미터를 이용하지만 가속 조건으로부터 정상 사용조건에서의 수명을 예측한 결과는 일반적으로 다르다는 것이 많은 연구를 통해 나타나고 있다. 본 연구에서는 내압용기를 적용한 온/습도 영향에 의한 가속 시험을 수행하였으므로 단순 온도가속조건만을 가정하는 아레니우스 모델식 보다는 실험식의 성격에 보다 가까운 Ɵ도(반감) 모델식을 적용하여 데이터를 해석하였다.
- 악작용 재현 시험은 고온시험과 온도 Cycle 시험을 수행하였으며, 고온시험의 경우에는 Dr. Eric R. Bixon의 연구[4]를 참조하여 총 40발을 195℃조건에서 15일 동안 수행하였고, 이 중에서 20발은 추가로 245℃조건으로 온도를 높여 15일을 시험하였다. 온도 Cycle 시험은 -54～71℃ 조건으로 MIL 규격[5]에 따라 28일 동안 수행하였다.
- 내압용기는 한 끝을 브레이징 처리하였으며 나머지 한 끝은 니플 구조를 적용하였다. 용기의 밀폐 성능을 확인하기 위하여 물 5cc를 주입하고 250℃ 온도에 15시간을 방치한 후 시료를 꺼내어 구조물의 파손 및 내부 수분 유지 여부를 확인하였다. 시험 결과 내부 수분량이 변화하지 않았기 때문에 내압 상승에 대한 기밀성을 확보할 수 있었다.
- 또한 3차원 엑스레이를 이용하여 절심발생 위치를 확인하였다. 이를 바탕으로 시험 계획을 수립하여 3수준 온도조건의 가속노화 시험을 실시하였다. 지연관의 기폭시험 데이터는 일회성 시스템(One Shot System)의 특성을 가지므로 공개된 상용 S/W로는 수명분포를 추정할 수 없기 때문에 최우추정법을 적용한 프로그램을 개발하여 와이블 분포의 파라미터를 추정하였다.
- 그러나 온도 Cycle 시험에서는 연소중단 현상이 발생하지 않아 수명예측을 위한 노화시험은 고온조건으로 계획하였다. 재현 시험에서 발생한 연소중단 현상을 가시화하기 위하여 3차원 X-ray 장비를 이용하여 내부를 관측하였고 이 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
- 이를 바탕으로 시험 계획을 수립하여 3수준 온도조건의 가속노화 시험을 실시하였다. 지연관의 기폭시험 데이터는 일회성 시스템(One Shot System)의 특성을 가지므로 공개된 상용 S/W로는 수명분포를 추정할 수 없기 때문에 최우추정법을 적용한 프로그램을 개발하여 와이블 분포의 파라미터를 추정하였다. 추정 결과 와이블 수명 분포의 형상모수값이 150℃ 시험 결과는 1.
대상 데이터
- 본 연구의 대상인 지연관은 Fig. 1과 같이 뇌관, 점화제, 지연제, 파이로테크닉(Pyrotechnic) 순으로 충전되어 폭파계열을 형성한다. 고폭탄이 발사되는 순간의 관성력에 의하여 격침핀이 뇌관을 타격하면 민감한 화약인 점화제가 착화되고 이후 지연제가 서서히 연소되면서 마지막의 파이로테크닉 혼합물의 폭발력에 의해 장전핀이 방출된다.
데이터처리
- 고온 노화시험 결과를 바탕으로 상온에서의 저장수명을 평가하고 이 결과를 ASRP 평가 이력과 비교하여 검증하였다. 일반적으로 알려진 아레니우 스 모델과 Ɵ도(반감) 모델식은 온도에 의한 가속 시험 결과를 해석하는 방법이며 두 모델식간의 관계는 다음과 같이 아레니우스 모델의 활성화 에너지와 Ɵ도(반감) 모델식의 반감온도인 Ɵ 사이에 다음과 같은 유도가 가능하다.
이론/모형
- 고온에서의 노화기간 대비 절심 발생율 데이터 해석 결과를 바탕으로 Ɵ도(반감)법칙을 적용하여 상온에서의 저장수명을 예측하였다. 지연관의 상온조건에서의 저장수명은 18℃ 저장온도를 기준으로 추정된 결과가 ASRP 신관불발 데이터와 가장 유사하였다.
- 이러한 비복원 추출을 가지는 시료는 무기체계에서 많은 사례를 확인할 수 있다. 본 연구에서는 상기의 불폭률 데이터를 이용하여 저장수명을 예측하기 위해 수명 분포로서 와이블분포를 가정하였고, 형상모수와 척도모수를 추정하는 방법은 우도함수(Likelihood Function)를 활용한 모수추정법[6]을 이용하여 수치계산법인 SQP(Sequential Quadratic Programming)를 활용하였다. 본 연구에서 개발한 프로그램의 알고리듬을 Fig.
- 야전에서 발생하는 악작용 추이를 파악하기 위하여 2006년에 수행된 ASRP[7] 결과에서 신관 불발 건수를 발췌하여 이용하였다. 발췌된 ASRP데이터는 생산 시점 및 생산 lot, 탄약고 형태에 따른 여러 가지 변량이 혼합되어 있기 때문에 혼합된 변량이 포함된 ASRP데이터를 이용하여 수명 예측을 수행하는 것은 많은 오차를 유발할 수 있다.
성능/효과
- 지연관의 상온조건에서의 저장수명은 18℃ 저장온도를 기준으로 추정된 결과가 ASRP 신관불발 데이터와 가장 유사하였다. 그러므로 ASRP 규정을 근거로 10% 불량 발생 시점을 기준으로 제한된 조건하에 저장수명을 예측한 결과, 지연관의 저장 수명은 약 15년으로 예측되었다. 향후 생산 시점 및 생산 lot, 탄약고 형태에 따른 수명의 영향을 고려한 지연관의 저장 수명 예측 연구를 수행할 예정이다.
- 충격신관 K510 지연관의 다양한 저장온도(18, 20, 22, 24℃)별 수명예측을 수행하고 90% 신뢰수준에서 저장온도별 절심 발생율을 예측한 결과, 저장온도 18℃에서 추정한 절심발생율이 90% 신뢰수준에서 악작용 Data로부터 구한 불발율을 포함하였지만 다른 저장온도에서는 90% 신뢰수준에서 악작용 Data로부터 구한 불발율을 포함하지 못하였다. 따라서 ASRP 평가시 불발발생 10% 시점을 B등급 판정하는 규정을 참조하여 수명으로 정할 경우 생산 시점 및 생산 lot, 탄약고 형태에 따른 수명의 영향을 제외한 제한된 조건하에 저장온도 18℃를 기준으로 지연관의 저장수명은 약 15년임을 예측하였다.
- 05에서 형상모수는 동일하기 때문에 가속성이 성립함을 확인할 수 있었다. 따라서 고온 조건에서의 노화시험 결과를 바탕으로 상온 저장시의 수명을 예측할 수 있었다.
- 습기의 뇌관 침투 및 관체 부식 유발에 따른 문제점으로 인해 고온(71℃) 시험만을 실시한 결과 내부의 수분이 증발하여 연소속도가 오히려 증가하는 현상을 보여 악작용 재현에 실패하였다.
- 8로 설정하였다. 아레니우스 가속모델을 적용한 결과, 170℃ 조건에서는 약 50% 절심 발생 소요 기간이 1,103시간으로 약 46일 이며 150℃ 노화조건에서는 2,970시간으로 약 124일 소요될 것으로 예측되었다. 최종적으로 Table 2와 같이 관측 주기 및 시료 수를 결정하였다.
- 9968 로 추정되었다. 온도에 대한 가속성 성립여부를 Chi-Square를 이용한 검정통계량으로 부터 유의 수준 0.05에서 형상모수는 동일하기 때문에 가속성이 성립함을 확인할 수 있었다. 따라서 고온 조건에서의 노화시험 결과를 바탕으로 상온 저장시의 수명을 예측할 수 있었다.
- 재현 시험 결과 초기에는 갈색인 점화제가 고온조건에서 검은색으로 변색되면서 연소중단 현상이 발생하며 이는 온도와 노화 기간에 따라 점차 증가하는 것으로 판단할 수 있었다. 그러나 온도 Cycle 시험에서는 연소중단 현상이 발생하지 않아 수명예측을 위한 노화시험은 고온조건으로 계획하였다.
- 노화 시험 결과 발생한 연소중단의 원인으로는 재현시험 시에도 관측되었던 갈색 점화제의 흑화 현상으로 사료된다. 점화제와 지연제의 경계면에 발생한 흑화 현상이 노화가 진행될수록 점화제 표면까지 확산되는 것을 관찰 할 수 있었다. 노화 초기에 점화제와 지연제의 경계면에서만 흑화가 발생한 경우 점화제 반대편은 정상적으로 갈색을 유지하였으며 흑색면은 점화되지 않았지만 갈색을 유지한 면은 점화에 성공하였다.
- 지연관 내부 지연제의 연소 중단 현상에 대한 가설을 수립하기 위하여 다양한 문헌조사를 실시한 결과 저장수명을 단축시키는 최대 인자는 수분인 것으로 결론내릴 수 있었다. 이는 금속 연료 표면의 산화로 인한 비활성화가 초기의 발화 특성치를 변화시킴으로써 발생[1～3]한다는 것이다.
- 지연관의 기폭시험 데이터는 일회성 시스템(One Shot System)의 특성을 가지므로 공개된 상용 S/W로는 수명분포를 추정할 수 없기 때문에 최우추정법을 적용한 프로그램을 개발하여 와이블 분포의 파라미터를 추정하였다. 추정 결과 와이블 수명 분포의 형상모수값이 150℃ 시험 결과는 1.952, 170℃ 시험결과에서는 1.6135, 180℃ 시험결과는 1.9968로 추정되었고, 척도모수는 150℃ 시험 결과에서 84.428日, 170℃ 시험결과에서는 31.69 03日, 180℃ 시험결과는 7.8466日로 추정 되었다.
- 충격신관 K510 지연관의 다양한 저장온도(18, 20, 22, 24℃)별 수명예측을 수행하고 90% 신뢰수준에서 저장온도별 절심 발생율을 예측한 결과, 저장온도 18℃에서 추정한 절심발생율이 90% 신뢰수준에서 악작용 Data로부터 구한 불발율을 포함하였지만 다른 저장온도에서는 90% 신뢰수준에서 악작용 Data로부터 구한 불발율을 포함하지 못하였다. 따라서 ASRP 평가시 불발발생 10% 시점을 B등급 판정하는 규정을 참조하여 수명으로 정할 경우 생산 시점 및 생산 lot, 탄약고 형태에 따른 수명의 영향을 제외한 제한된 조건하에 저장온도 18℃를 기준으로 지연관의 저장수명은 약 15년임을 예측하였다.
후속연구
- 본 연구에서 제안한 저장수명예측 방법을 응용하여 지연관 뿐 만 아니라 유도탄과 같은 무기체계의 저장 수명평가에 활용할 수 있다.
- 그러므로 ASRP 규정을 근거로 10% 불량 발생 시점을 기준으로 제한된 조건하에 저장수명을 예측한 결과, 지연관의 저장 수명은 약 15년으로 예측되었다. 향후 생산 시점 및 생산 lot, 탄약고 형태에 따른 수명의 영향을 고려한 지연관의 저장 수명 예측 연구를 수행할 예정이다.
- 노화 초기에 점화제와 지연제의 경계면에서만 흑화가 발생한 경우 점화제 반대편은 정상적으로 갈색을 유지하였으며 흑색면은 점화되지 않았지만 갈색을 유지한 면은 점화에 성공하였다. 화학분석 결과 화공품 내부에 금속 산화물이 생성된 것을 확인하였고 이에 대한 정밀화학분석이 필요할 것으로 판단된다.
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