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문제 정의
- 저장탄약 신뢰성평가는 탄약의 신뢰성 확보를 통하여 항상 불출 및 사용이 가능하며 탄약을 안전하게 저장 · 관리할 수 있고 장기 저장 탄약의 악작용을 해소시킬 수 있다. 따라서 사용이 불가능한 탄약을 사전에 색출하고, 성능이 저하되고 있는 탄을 조기에 사용하도록 유도함으로써 군 전투력 지수를 향상시킬 수 있는 중요한 연구이다.
- 본 논문에서는 자색 연막수류탄(KM18)을 대상으로 장기 저장 시 연막 방출시간이 증가하는 현상에 대한 연구를 수행하였다. 기존 연구결과 조사를 통하여 연막 방출시간이 증가하는 원인에 대한 가설을 수립하고 이를 재현할 수 있는 가속열화시험을 수행하였다.
가설 설정
- 본 연구에서는 항온항습 저장조건을 온도 20℃, 상대습도 60%로 가정하였으며 이러한 저장조건에서의 저장수명(B10수명)을 예측하고자 한다. 따라서 3가지 가속열화시험 조건과 추정한 각 조건에서의 B10수명인 293일, 121일, 75일을 이용하여 다중회귀분석을 수행하였으며 식 (10)의 상수 A는 0.
제안 방법
- 예비시험의 조건은 고온, 온습도 cycle, 고온고습으로 세 가지이며 1차와 2차로 나누어 수행하였다. 1차와 2차의 시험조건은 수준을 달리하여 각 시험/차수 당 10발 씩 시료를 이용하였으며, 1차 시험조건으로 15일 시험 후 2차 시험을 15일간 실시하였다. 표기를 간단히 하기위해 총 6가지의 시험조건을 1차 시험 부터 순서대로 A, B, C, D, E, F로 표기하였으며 시험조건을 Table 3에 나타내었다.
- 최종적으로 정상조건인 임의 온도 T와 상대습도 RH에서의 수명은 식 (10)과 추정된 상수값을 이용하여 추정한다. 가속시험조건의 수가 많을수록 상수값 추정의 정확성이 높아지지만 제한된 시험기간과 시험 시료수를 고려하여 본 연구에서는 3가지 가속열화시험을 수행한 결과만을 이용하여 상수값들을 추정하였다.
- 따라서 가속열화시험조건을 3조건, A - (80℃, 85%), B - (80℃, 70%), C - (65℃, 70%)로 수립하였다. 관측 주기는 초기 2주로 고정하여 계획을 수립하였으며 최초 3차 및 이후의 관측 결과에 따라 추가 관측 주기를 조정하는 방식으로 진행하였다. 가속열화시험 결과 연막 방출시간은 Fig.
- 군 보유 탄약 분석은 저장기간이 용제형 10년, 14년, 20년, 26년, 무용제형 2년, 3년, 4년, 5년인 연막탄을 이용하였으며 저장기간 별 연막 방출시간에 대한 구간 그래프를 Fig. 3에 나타내었다. 군 보유 탄약 저장기간 별 연막 방출시간 데이터는 열화분포모델을 적용하여 분석하였으며, 이를 통해 규격을 만족하지 못하는 누적고장확률을 평가하여 저장수명을 예측하였다.
- 3에 나타내었다. 군 보유 탄약 저장기간 별 연막 방출시간 데이터는 열화분포모델을 적용하여 분석하였으며, 이를 통해 규격을 만족하지 못하는 누적고장확률을 평가하여 저장수명을 예측하였다. 누적고장확률 값으로 부터 수명분포의 적합도를 알아보았으며, 수명분포로는 와이블분포와 대수정규분포를 고려하였다.
- 본 논문에서는 자색 연막수류탄(KM18)을 대상으로 장기 저장 시 연막 방출시간이 증가하는 현상에 대한 연구를 수행하였다. 기존 연구결과 조사를 통하여 연막 방출시간이 증가하는 원인에 대한 가설을 수립하고 이를 재현할 수 있는 가속열화시험을 수행하였다. 열화분포모델을 적용하여 가속열화시험 결과를 분석하여 가속조건에서의 수명을 평가하였다.
- 군 보유 탄약 저장기간 별 연막 방출시간 데이터는 열화분포모델을 적용하여 분석하였으며, 이를 통해 규격을 만족하지 못하는 누적고장확률을 평가하여 저장수명을 예측하였다. 누적고장확률 값으로 부터 수명분포의 적합도를 알아보았으며, 수명분포로는 와이블분포와 대수정규분포를 고려하였다. 누적고장확률 값과 고려한 수명분포로부터 추정된 누적고장확률 값은 Fig.
- 수명)을 예측하고자 한다. 따라서 3가지 가속열화시험 조건과 추정한 각 조건에서의 B10수명인 293일, 121일, 75일을 이용하여 다중회귀분석을 수행하였으며 식 (10)의 상수 A는 0.0054, Ea/k는 7035, n은 2.3로 추정하였다. 고려한 항온항습 저장조건과 추정한 상수값들을 식 (10)에 적용한 결과, 항온항습 저장조건(온도 20℃, 상대습도 60%)에서의 저장수명은 25.
- 따라서 3가지 이상의 가속조건에서 추정된 각각의 수명을 이용하여 스트레스를 반응변수로, 수명을 종속변수로 하는 다중회귀분석을 적용하여 상수값인 A와 n, 그리고 Ea를 추정한다. 최종적으로 정상조건인 임의 온도 T와 상대습도 RH에서의 수명은 식 (10)과 추정된 상수값을 이용하여 추정한다.
- 그러나 예비시험 2차 조건이었던 90℃, 85% 시험을 15일간 수행한 결과 일부 시료에서 탄체내부 압력이 급격히 상승하였다고 판단할 수 있는 테이프 부위 부풀어 오름이 관찰되었다. 따라서 가속열화시험조건을 3조건, A - (80℃, 85%), B - (80℃, 70%), C - (65℃, 70%)로 수립하였다. 관측 주기는 초기 2주로 고정하여 계획을 수립하였으며 최초 3차 및 이후의 관측 결과에 따라 추가 관측 주기를 조정하는 방식으로 진행하였다.
- 예비시험을 토대로 선정한 가속열화조건을 이용, 가속열화시험을 수행하였으며, 열화된 데이터 분석을 통하여 항온 항습(20℃, 60%) 조건에서의 저장수명을 예측하고자 하였다. 또한 예측된 저장수명을 검증하기 위하여 군보유 탄약의 연막 방출시간 데이터와 비교하였다.
- t-test 결과로부터 어느 시험조건에서 초기데이터 대비 연막 방출시간이 증가하였는지 알 수 있었다. 또한, 어느 조건에서 가장 큰 변화를 나타냈는지 확인해보기 위해 차분을 이용하였다. 차분은 Minitab을 이용한 t-test 수행 시 알 수 있는 값으로 Table 5에 나타내었다.
- 본 논문의 연구대상인 자색 연막수류탄(KM18)의 저장수명 예측은 원샷 시스템의 연막 방출시간에 열화데이터를 이용하였으며 연막 방출시간에 대한 효율적인 가속열화조건을 설정하기 위하여 예비시험을 수행하였다. 예비시험을 토대로 선정한 가속열화조건을 이용, 가속열화시험을 수행하였으며, 열화된 데이터 분석을 통하여 항온 항습(20℃, 60%) 조건에서의 저장수명을 예측하고자 하였다.
- 기존 연구결과 조사를 통하여 연막 방출시간이 증가하는 원인에 대한 가설을 수립하고 이를 재현할 수 있는 가속열화시험을 수행하였다. 열화분포모델을 적용하여 가속열화시험 결과를 분석하여 가속조건에서의 수명을 평가하였다. Peck 모델에 각각의 가속조건에서 평가된 수명값들을 적용하여 항온항습 조건에서의 저장수명을 예측하였다.
- 본 논문의 연구대상인 자색 연막수류탄(KM18)의 저장수명 예측은 원샷 시스템의 연막 방출시간에 열화데이터를 이용하였으며 연막 방출시간에 대한 효율적인 가속열화조건을 설정하기 위하여 예비시험을 수행하였다. 예비시험을 토대로 선정한 가속열화조건을 이용, 가속열화시험을 수행하였으며, 열화된 데이터 분석을 통하여 항온 항습(20℃, 60%) 조건에서의 저장수명을 예측하고자 하였다. 또한 예측된 저장수명을 검증하기 위하여 군보유 탄약의 연막 방출시간 데이터와 비교하였다.
- 시험에 사용된 연막수류탄은 무용제형 제조방식으로 생산된 것을 이용하였다. 예비시험의 조건은 고온, 온습도 cycle, 고온고습으로 세 가지이며 1차와 2차로 나누어 수행하였다. 1차와 2차의 시험조건은 수준을 달리하여 각 시험/차수 당 10발 씩 시료를 이용하였으며, 1차 시험조건으로 15일 시험 후 2차 시험을 15일간 실시하였다.
- 우도함수를 이용하여 구한 변수를 식 (7)과 (8)에 대입하여 시험조건 별 평균과 편차에 관한 식을 구하였다. 이를 이용하여 연막 방출시간이 규격을 만족시키지 못하는 누적고장확률(#)을 평가하였으며, Fig.
- 유색 연막수류탄에 대한 내부의 화학적 경시변화에 대한 조사와 병행하여 그간 연막수류탄에 대하여 수행한 환경시험과 가속열화시험의 조건들을 조사하였다. M18 연막수류탄 개발 당시 12주간 155℉(68.
- 장기 저장 후 연막 방출시간이 증가하는 현상을 재현하는 시험조건을 수립하기 위하여 예비시험을 실시하였으며, 이를 통해 수립한 시험조건으로 가속열화시험을 수행하였다. 시험에 사용된 연막수류탄은 무용제형 제조방식으로 생산된 것을 이용하였다.
대상 데이터
- 유색 연막수류탄은 규격에 규정된 일정 시간 동안 유색의 연막을 형성하여 신호의 목적으로 사용되는 탄약이다. 본 연구의 대상인 유색 연막수류탄의 외관 형상 및 구조를 Fig. 1에 나타내었으며, 연막수류탄 내부에 충진 되어 있는 화공품인 연막제와 착화제의 조성을 Table 1에 나타내었다. 또한 연막제의 주요 성분 및 기능을 Table 2에 나타내었다.
- 장기 저장 후 연막 방출시간이 증가하는 현상을 재현하는 시험조건을 수립하기 위하여 예비시험을 실시하였으며, 이를 통해 수립한 시험조건으로 가속열화시험을 수행하였다. 시험에 사용된 연막수류탄은 무용제형 제조방식으로 생산된 것을 이용하였다. 예비시험의 조건은 고온, 온습도 cycle, 고온고습으로 세 가지이며 1차와 2차로 나누어 수행하였다.
- Peck 모델에 각각의 가속조건에서 평가된 수명값들을 적용하여 항온항습 조건에서의 저장수명을 예측하였다. 예측한 항온항습 저장수명은 25.99년이며, 군 보유 탄약의 저장기간에 따른 연막방출시간에 대한 분석결과로 부터 추정한 저장수명은 18년이다. 항온 항습으로 가속열화시킨 시험과 군에서 보유한 실질적인 저장 수명이 약 8년 정도 차이를 보이고 있는데 이는 사계절이 뚜렷한 국내 저장조건의 계절적 온도 충격, 또는 일교차 등 다양한 인자에 변동될 수 있음을 의미한다.
- 유색 연막수류탄(colored smoke hand grenade)은 녹색(green), 적색(red), 자색(violet), 황색(yellow)의 4종류가 있으며, 본 연구에서는 자색 연막수류탄(KM18)을 대상으로 한다. 유색 연막수류탄은 규격에 규정된 일정 시간 동안 유색의 연막을 형성하여 신호의 목적으로 사용되는 탄약이다.
데이터처리
- 가속열화시험 결과분석은 열화분포모델을 적용하여 분석하기 때문에 각 시점 별 연막 방출시간 데이터에 대한 분포 적합도 검정을 Anderson-Darling test를 이용하여 수행하였다. Anderson-Darling test는 Minitab을 이용하며, 분포 적합도 검정 결과 AD값을 얻을 수 있다. 이때 AD는 Anderson-Darling test의 결과 값으로 데이터가 해당분포에 가까울수록 작은 값을 갖는다.
- . t-test는 Minitab을 이용하여 95% 신뢰수준으로 수행하였으며 연막 방출시간의 증가 여부에 대한 검정이므로 단측 검정을 수행하였다. 또한 t-test는 초기데이터를 이용하여 초기데이터 대비 1차 시험, 1차 시험 대비 2차 시험, 초기데이터 대비 2차 시험 결과에 대해 수행하였다.
- 적합도 검정 결과 중 80℃, 70%에 대한 결과를 Table 6에 나타내었으며, 시점 별 분포 적합도 검정 결과로부터 대부분 대수정규분포에 적합한 것을 알 수 있다. 가속열화시험 결과 각 시점에서의 연막 방출시간 데이터는 대수정규분포를 따르므로 연막 방출시간 데이터(D(t))에 자연로그를 취한 값 d(t) = loge(D(t))를 이용하여 반응비율을 추정하였다. 따라서 D(t)를 d(t) = loge(D(t))로 변환한 후, 식 (6)으로부터 열화분포의 시간에 따른 평균 및 표준편차를 식 (7)과 (8)로 표현하였다.
- 가속열화시험 결과분석은 열화분포모델을 적용하여 분석하기 때문에 각 시점 별 연막 방출시간 데이터에 대한 분포 적합도 검정을 Anderson-Darling test를 이용하여 수행하였다. Anderson-Darling test는 Minitab을 이용하며, 분포 적합도 검정 결과 AD값을 얻을 수 있다.
- 구간그래프를 통해 확인한 결과들이 얼마나 통계적으로 유의한지 알아보기 위해 t-test와 차분(differenc)을 이용하였다[8]. t-test는 Minitab을 이용하여 95% 신뢰수준으로 수행하였으며 연막 방출시간의 증가 여부에 대한 검정이므로 단측 검정을 수행하였다.
- t-test는 Minitab을 이용하여 95% 신뢰수준으로 수행하였으며 연막 방출시간의 증가 여부에 대한 검정이므로 단측 검정을 수행하였다. 또한 t-test는 초기데이터를 이용하여 초기데이터 대비 1차 시험, 1차 시험 대비 2차 시험, 초기데이터 대비 2차 시험 결과에 대해 수행하였다. 검정 결과는 Table 4에 나타내었으며 p-value가 0.
이론/모형
- 열화분포모델을 적용하여 가속열화시험 결과를 분석하여 가속조건에서의 수명을 평가하였다. Peck 모델에 각각의 가속조건에서 평가된 수명값들을 적용하여 항온항습 조건에서의 저장수명을 예측하였다. 예측한 항온항습 저장수명은 25.
- 가속된 스트레스 조건에서 추정한 수명을 이용하여 정상 조건에서의 수명을 예측하는데 수명과 스트레스의 관계식을 나타내는 가속수명모델식이 사용된다. 이러한 가속수명모델식 중, 2가지 스트레스인 온도와 습도에 대한 수명과의 관계식을 나타내는 모델식이 식 (10)으로 표현되는 펙(Peck) 모델[9]이다.
성능/효과
- 구간그래프를 통해 초기 값 대비 A, B, C, E, F의 연막 방출시간이 증가했다고 할 수 있으며 D는 거의 차이가 없음을 알 수 있다. 1차와 2차 시험의 결과를 비교해 보면, A-D 조건은 연막 방출시간이 감소했으며 B-E, C-F 조건은 연막 방출시간이 증가했음을 알 수 있다.
- 예비시험 결과를 통계적으로 분석한 결과 고온고습 조건에서 연막 방출시간이 가장 크게 증가하였음을 알 수 있었다. 그러나 예비시험 2차 조건이었던 90℃, 85% 시험을 15일간 수행한 결과 일부 시료에서 탄체내부 압력이 급격히 상승하였다고 판단할 수 있는 테이프 부위 부풀어 오름이 관찰되었다. 따라서 가속열화시험조건을 3조건, A - (80℃, 85%), B - (80℃, 70%), C - (65℃, 70%)로 수립하였다.
- 따라서 stress 범위는 기존 시험 결과 자료를 참조하여 온도는 -50℉(-45.5℃) ∼ 160℉(71℃), 습도는 10 ∼ 85% 수준으로 적용 가능하다.
- 이와 유사한 내용으로 비금속 연료로써 황을 사용할 경우 특히, 산화제로 염소계열을 사용하는 경우 수분 침투에 의해 자체 분해가 지속적으로 발생할 수 있다고 밝히고 있다[5]. 따라서 연료물질의 분해현상이 연막 방출시간 증가 현상의 원인으로 판단되었으나 중화제를 사용하는 경우 이를 방지할 수 있다고 언급되어 있어 이후에 개선되었을 가능성이 높다고 판단하였다.
- 예비시험 결과를 통계적으로 분석한 결과 고온고습 조건에서 연막 방출시간이 가장 크게 증가하였음을 알 수 있었다. 그러나 예비시험 2차 조건이었던 90℃, 85% 시험을 15일간 수행한 결과 일부 시료에서 탄체내부 압력이 급격히 상승하였다고 판단할 수 있는 테이프 부위 부풀어 오름이 관찰되었다.
- 온도 cycle(-54℃∼ 21℃ ∼ 71℃) 시험조건은 무용제형 제조방식 검토 시 환경 시험조건을 참조하였으며 24일 열화시험 후 연막 방출시간 +2.9초를 확인할 수 있었다.
- 유색 연막수류탄에 대하여 다양한 문헌조사를 실시하였고 그 결과 연막탄이 장기 저장됨에 따라 연막 방출시간이 증가될 수 있는 내부의 화학적 변화에 대한 가설을 수립할 수 있었다.
- 초기데이터 대비 1차 시험의 t-test 결과 초기데이터-온습도 cycle(1)의 p-value가 0.05이상으로 초기데이터와 차이가 없으며 고온(1), 고온고습(1)의 연막 방출시간은 초기데이터 보다 증가하였다. 1차 시험 대비 2차 시험의 t-test 결과 p-value가 모두 0.
- 초기데이터 대비 2차 시험의 t-test 결과 초기데이터 대비 1차 시험의 t-test 결과와는 다른 경향을 나타내며, 초기데이터 대비 온습도 cycle(1) & 고온고습(2), 고온고습(2)의 연막 방출시간이 증가했음을 알 수 있다.
후속연구
- 항온 항습으로 가속열화시킨 시험과 군에서 보유한 실질적인 저장 수명이 약 8년 정도 차이를 보이고 있는데 이는 사계절이 뚜렷한 국내 저장조건의 계절적 온도 충격, 또는 일교차 등 다양한 인자에 변동될 수 있음을 의미한다. 실험실적 수명과 실질적인 저장수명과의 차이를 줄이기 위해서는 실험방법의 조건 설정 및 환경 인자의 변동을 고려한 수명 추정방법 등에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
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