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문제 정의
- 제조업체에서는 장기저장 시 연막 방출시간이 길어지는 것을 지연시키기 위하여 규격 요구조건 보다 엄격한 공정관리 규격을 적용하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 백색연막수류탄(KM8)을 대상으로 장기저장 후 연막 방출시간이 규격을 초과하는 기간 및 수명을 예측하여, 사용자에게는 선입선출을 위한 객관적인 자료를 제공함으로서 효율적인 탄약 관리 방안을 제시하고 제조업체에는 최적의 공정관리 방안을 도출하여 효율적인 공정관리 방안을 마련하고자 한다.
- 현재 백색 연막수류탄의 공정관리 규격은 98～118이며, 이 공정관리 규격을 ±3초, ±5초로 변경시켰을 때 상온/상습 저장수명의 변화를 통해 규격 변경의 효과를 보고자 한다.
제안 방법
- 가속열화시험 조건을 수립하기 위한 예비시험(pretest)을 실시하였으며 예비시험 조건은 앞서 기술한 기존 연구결과를 참조하여 고온 70℃, 온습도 cycle 32.2℃～71.1℃/30～85%, 고온고습 71℃/85%로 세 가지로 선정하였다. 예비시험은 조건을 달리한 1차와 2차로 나누어 수행하였으며 시료 수는 각 시험/차수 당 10발씩 수행하였다.
- 1℃/30～85%, 고온고습 71℃/85%로 세 가지로 선정하였다. 예비시험은 조건을 달리한 1차와 2차로 나누어 수행하였으며 시료 수는 각 시험/차수 당 10발씩 수행하였다.
- 어느 조건에서 가장 큰 연막 방출시간의 변화를 나타냈는지 확인해보기 위해 차분값을 이용하였다. Minitab을 이용하여 평가한 차분을 Table 4에 나타내었다.
- Fig. 3에 제시한 연막 방출시간에 열화분포모델을 적용하여 연막 방출시간이 규격을 만족시키지 못하는 누적 고장확률을 평가하였다.
- 예비시험 결과를 토대로 가속열화시험의 조건은 고온고습 조건으로 수립하였으며 시료 수의 제한으로 시험 수준은 한 수준으로 하였다. 예비시험 결과, 2차 조건이었던 90℃/85% 시험을 15일간 수행한 결과 일부 시료에서 탄체내부 압력이 급격히 상승하였다고 판단할 수 있는 테이프 부위가 부풀어 오름이 관찰되었기 때문에 시험 수준은 65℃/70%로 수립하였다.
- 예비시험 결과, 2차 조건이었던 90℃/85% 시험을 15일간 수행한 결과 일부 시료에서 탄체내부 압력이 급격히 상승하였다고 판단할 수 있는 테이프 부위가 부풀어 오름이 관찰되었기 때문에 시험 수준은 65℃/70%로 수립하였다. 가속열화시험의 열화량 관측 주기는 초기 2주로 고정하여 계획을 수립하였으며 최초 3차 및 이후의 관측 결과에 따라 추가 관측 주기를 조정하는 방식으로 진행하였다. 궁극적으로 백색 연막수류탄의 가속열화시험은 65℃/70% 조건에서 147일 동안 시험하였으며, 연막 방출시간 평가시점은 0일, 14일, 28일, 35일, 49일, 56일, 63일, 84일, 105일, 147일이다.
- 가속열화시험의 열화량 관측 주기는 초기 2주로 고정하여 계획을 수립하였으며 최초 3차 및 이후의 관측 결과에 따라 추가 관측 주기를 조정하는 방식으로 진행하였다. 궁극적으로 백색 연막수류탄의 가속열화시험은 65℃/70% 조건에서 147일 동안 시험하였으며, 연막 방출시간 평가시점은 0일, 14일, 28일, 35일, 49일, 56일, 63일, 84일, 105일, 147일이다.
- 3에 제시한 연막 방출시간에 열화분포모델을 적용하여 연막 방출시간이 규격을 만족시키지 못하는 누적 고장확률을 평가하였다. 평가한 누적 고장확률값으로부터 수명분포를 추정하기 위하여 와이블분포와 대수정규분포를 고려하였다. Fig.
- 시점 별 분포 적합도 검정 결과, 대수정규분포와 와이블분포에 적합한 것을 알 수 있었다. 따라서 대수정규분포를 이용하여 각 시점에서의 연막 방출시간(D(t)) 데이터에 자연로그를 취한 값, 즉 d(t) = loge(D(t))를 이용하여 반응비율을 추정하였다. 연막 방출시간은 비복원추출 데이터이기 때문에 열화분포모델을 이용하였다.
- 연막 방출시간은 비복원추출 데이터이기 때문에 열화분포모델을 이용하였다. 또한 시험 데이터의 등분산 검정 결과 이분산으로 판단되어 시간에 따른 분산의 변화를 고려하였다.
- 에 무관한 상수값을 갖는다. 그러나 u5를 포함하여 u1과 u4는 초기값에 따라 변화하기 때문에 공정시험 결과를 이용하여 저장수명을 예측할 때 이러한 값들을 보정하였다.
- 공정관리 규격이 ±3초, ±5초로 변화되는 경우 시행되지 않았을 것으로 판단되는 재시험 결과는 삭제하여 앞서 정의한 Case 별로 평균과 편차를 재평가 하였다.
- 공정시험 결과는 크게 혼화시험과 공정시험으로 나뉘며 총 9가지 경우에 대해 분석하였다. A는 혼화시험과 공정시험 결과 모든 데이터에 대한 결과이며, B와 C는 혼화시험 결과와 공정시험 결과 각각에 대한 모든 데이터의 결과이다.
- 그러나 군 보유탄 시험결과 170초까지 모두 완전연소가 되었으며 최대 177초까지도 연막 방출에는 문제가 없었다. 따라서 연막 방출이 중단되지 않아 실제 사용에 큰 지장이 없는 완전연소 가능유무를 기준으로 품질보증(quality assurance) 연한(term of lifetime)을 평가하였다. 연막 방출시간 170초를 기준으로 품질보증 연한을 평가하였으며 규격이 변경됨에 따른 품질보증 연한도 평가하였다.
- 따라서 연막 방출이 중단되지 않아 실제 사용에 큰 지장이 없는 완전연소 가능유무를 기준으로 품질보증(quality assurance) 연한(term of lifetime)을 평가하였다. 연막 방출시간 170초를 기준으로 품질보증 연한을 평가하였으며 규격이 변경됨에 따른 품질보증 연한도 평가하였다. 그 결과를 Table 10에 나타내었으며, 품질보증 연한은 15.
대상 데이터
- 즉, 국방규격 연막 방출시간 135초는 만족하지 못하더라도 완전연소 가능한 품질보증 연한은 최소 15년 이상이며 공정관리 규격을 ±5초로 변경하여도 최소 14년 이상의 품질보증 연한을 가지는 것으로 판단할 수 있다. 본 연구의 대상인 백색 연막수류탄은 연간 납품량이 약 0000발이며, 연간 사용량은 0000발로 납품 당해 연도에 93% 이상 사용되고 있다. 따라서 선입선출관리가 잘 시행된다면 2년 이내로 모두 사용 가능하므로 공정관리 규격을 ±5초 수준으로 변경하는 경우 완전연소 가능한 품질보증 연한은 큰 차이가 없지만, 관리 규격 하한이 국방 규격 하한에 근접하기 때문에 추가 로트 분석을 통한 불량율을 감안한 공정관리 규격 설정이 필요하다.
데이터처리
- 예비시험 조건이 연막 방출시간에 미치는 영향을 평가하기 위하여 연막 방출시간 데이터에 대한 t-test와 차분값(difference)을 이용하였다. t-test는 Minitab을 이용하여 95% 신뢰수준으로 시행하였다.
- 예비시험 조건이 연막 방출시간에 미치는 영향을 평가하기 위하여 연막 방출시간 데이터에 대한 t-test와 차분값(difference)을 이용하였다. t-test는 Minitab을 이용하여 95% 신뢰수준으로 시행하였다. 연막 방출시간이 증가하였는지를 확인하기 위해 초기데이터 대비 1차 시험, 1차 시험 대비 2차 시험, 초기데이터 대비 2차 시험 결과 데이터에 대해 t-test를 시행하였으며 연막 방출시간의 증가여부에 대한 단측검정을 수행하였다.
- t-test는 Minitab을 이용하여 95% 신뢰수준으로 시행하였다. 연막 방출시간이 증가하였는지를 확인하기 위해 초기데이터 대비 1차 시험, 1차 시험 대비 2차 시험, 초기데이터 대비 2차 시험 결과 데이터에 대해 t-test를 시행하였으며 연막 방출시간의 증가여부에 대한 단측검정을 수행하였다. 검정 결과는 Table 3에 나타내었으며 p-value가 0.
- 4는 누적 고장확률값과 고려한 수명분포로부터 추정된 누적 고장확률값을 나타낸다. 군 보유 연막탄의 열화데이터에 대한 수명분포가 와이블분포와 대수정규분포 중 어느 분포에 더 적합한지 통계적으로 확인하기 위하여 Minitab을 이용하여 95% 신뢰수준으로 분포식별을 수행하였다. 와이블분포에 대한 p-value는 0.
- 5에 제시하였다. 각 시점 별 연막 방출시간 데이터에 대해 분포 적합도 검정을 Minitab을 이용하여 수행하였다. Minitab을 이용한 분포 적합도 검정 결과, 각 분포에 대한 AD값을 Table 5에 나타내었다.
- 이러한 엄격한 관리로 인하여 연막제 제조 시 재작업비율이 높아져 비용부담이 가중된다. 본 연구에서는 이러한 엄격한 공정관리 규격 변화 시 저장수명에 미치는 영향도를 분석하기 위하여 초기 평균값과 표준편차는 2010년 생산된 백색 연막 수류탄의 공정시험 결과를 이용하였으며 이를 Table 6에 제시하였다.
이론/모형
- 따라서 대수정규분포를 이용하여 각 시점에서의 연막 방출시간(D(t)) 데이터에 자연로그를 취한 값, 즉 d(t) = loge(D(t))를 이용하여 반응비율을 추정하였다. 연막 방출시간은 비복원추출 데이터이기 때문에 열화분포모델을 이용하였다. 또한 시험 데이터의 등분산 검정 결과 이분산으로 판단되어 시간에 따른 분산의 변화를 고려하였다.
성능/효과
- 백색 연막수류탄에 대하여 다양한 문헌조사를 실시한 결과, 연막탄이 장기저장 됨에 따라 화학적, 물리적 요인으로 연막 방출시간이 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 백색 연막수류탄 조성 중 알루미늄(Al, aluminum) 함량이 적을수록 연막 방출시간이 증가[1] 하는 것으로 알려져 있으며, 산화아연 또한, 연막 방출시간에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[2].
- 가로축에 나타낸 A, B, C, D, E, F는 1차와 2차 시험에서의 6가지 시험조건을 나타내며, 세로축은 연막 방출시간을 나타낸다. 초기 값 대비 A, C, E 조건의 연막 방출시간이 증가하였으며 B, F 조건은 초기 값과 차이가 없고 D 조건은 연막 방출시간이 감소했음을 알 수 있다. 1차와 2차 시험의 결과를 비교해 보면 B-E 조건은 연막 방출시간이 증가하였으며 A-D, C-F 조건은 연막 방출시간이 오히려 감소하였다.
- 초기 값 대비 A, C, E 조건의 연막 방출시간이 증가하였으며 B, F 조건은 초기 값과 차이가 없고 D 조건은 연막 방출시간이 감소했음을 알 수 있다. 1차와 2차 시험의 결과를 비교해 보면 B-E 조건은 연막 방출시간이 증가하였으며 A-D, C-F 조건은 연막 방출시간이 오히려 감소하였다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 2차 시험 시의 가혹한 온도 조건에 의해 비정상 연소가 발생한 것으로 판단하였다.
- 또한 (1)과 (2)는 각각 1차와 2차 시험을 나타낸다. 초기데이터 대비 1차 시험의 t-test 결과, 초기데이터-온습도 cycle(1)의 p-value가 0.05이상으로 연막 방출시간의 차이는 없으며 고온(1), 고온고습(1) 실험의 연막 방출시간이 초기데이터 보다 증가하였다. 1차 시험 대비 2차 시험의 t-test 시행결과 온습도 cycle(1)-고온고습(2)의 p-value 만이 0.
- 예비시험 결과를 토대로 가속열화시험의 조건은 고온고습 조건으로 수립하였으며 시료 수의 제한으로 시험 수준은 한 수준으로 하였다. 예비시험 결과, 2차 조건이었던 90℃/85% 시험을 15일간 수행한 결과 일부 시료에서 탄체내부 압력이 급격히 상승하였다고 판단할 수 있는 테이프 부위가 부풀어 오름이 관찰되었기 때문에 시험 수준은 65℃/70%로 수립하였다. 가속열화시험의 열화량 관측 주기는 초기 2주로 고정하여 계획을 수립하였으며 최초 3차 및 이후의 관측 결과에 따라 추가 관측 주기를 조정하는 방식으로 진행하였다.
- 일반적으로 AD는 Anderson-Darling test의 결과 값으로 데이터가 해당분포에 가까울수록 작은 값을 갖는다. 시점 별 분포 적합도 검정 결과, 대수정규분포와 와이블분포에 적합한 것을 알 수 있었다. 따라서 대수정규분포를 이용하여 각 시점에서의 연막 방출시간(D(t)) 데이터에 자연로그를 취한 값, 즉 d(t) = loge(D(t))를 이용하여 반응비율을 추정하였다.
- 이 결과를 토대로 공정관리 규격이 ±3초, ±5초로 변경된다 하더라도 사용주기와 비교하여 긴 저장수명 및 품질보증 연한을 가지는 것으로 판단된다.
- 즉, 국방규격 연막 방출시간 135초는 만족하지 못하더라도 완전연소 가능한 품질보증 연한은 최소 15년 이상이며 공정관리 규격을 ±5초로 변경하여도 최소 14년 이상의 품질보증 연한을 가지는 것으로 판단할 수 있다.
후속연구
- 따라서 선입선출관리가 잘 시행된다면 2년 이내로 모두 사용 가능하므로 공정관리 규격을 ±5초 수준으로 변경하는 경우 완전연소 가능한 품질보증 연한은 큰 차이가 없지만, 관리 규격 하한이 국방 규격 하한에 근접하기 때문에 추가 로트 분석을 통한 불량율을 감안한 공정관리 규격 설정이 필요하다.
- 본 연구결과를 토대로 순환 주기가 빠른 연막수류탄 등의 군수물자는 선입선출에 의한 재고관리를 효율적으로 시행하여 저장탄약에 대한 성능신뢰성을 확보하고 공정관리 규격을 최적화함으로써 공정관리 효율화를 할 수 있을 것으로 사료된다.
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