[논문]81미리 조명탄용 신관 KM84A1E1 지연제의 저장수명 예측 연구

장일호; 김지훈; 이우철; 백승준; 손영갑

doi:10.7469/jksqm.2012.40.3.270

문제 정의

따라서 본 연구에서는 10년 이상 장기 저장된 81MM조명탄용 신관 KM84A1E1에서 설정된 지연 시간 초과로 원하는 목표지점에서 조명기능이 발휘되지 못하는 문제점이 발생되고 있는 텅스텐계 지연제를 대상으로 발생 원인을 추정하고 저장수명을 예측하여 효율적인 탄약관리 방안의 기초자료로 활용하고자 한다.
따라서 실제로 연소속도 저하에 가장 영향도가 큰 시험 조건을 우선적으로 확인해 보고자 Table 2 와 같은 Pre-test를 수행하였다. 본 Pre-test 결과를 분석하고 그 결과를 바탕으로 향후 본격적인 가속노화시험 조건을 수립하고자 하였다.
텅스텐계 지연제가 적용된 지연링을 대상으로 장기 저장 시, 신관 작동 시간 범위 이탈 에 따른 지연시간이 규격을 벗어나는 현상에 대해 연구를 수행하였다. 문헌조사 및 분석을 바탕으로 Pre-Test 조건을 수립하고 시험 후 결과를 분석하여, 신관 작동 시간 범위 이탈 현상을 재현할 수 있는 가속노화시험 조건을 선정하였다.

가설 설정

이 결과를 바탕으로 실제 저장조건에서의 수명을 예측하기 위해 식 (9)~(11)의 모델식과 Table 5 에 나타낸 각 모델식의 변형식을 적용하였다[5]. 실제 저장 조건은 20℃, 60%로 가정하였으며 이는 이글루 탄약고 온습도 관리 목표치를 기준으로 설정하였다. 각 모델식 및 변형식을 적용하여 예측한 저장 수명을 Table 5 에 제시하였다.

제안 방법

총 시험기간은 40일이며 1차 시험조건은 고온 110℃, 고온고습 85℃ 95%, 온습도 Cycle -54 ~ 71℃ 95% 이다. 2차 시험조건은 1차 시험 결과를 확인 후 지연초시에 변화가 없는 110℃ 조건 고온시험을 160℃로 온도를 높였으며, 온습도 Cycle 시험도 Table 2 와 같이 온도 조건을 높여 시험하였다. 실제 저장 조건과 동일한 조건에서 노화시험을 수행하기 위하여 조명탄의 신관재질과 오링사양을 참조하여 방수구조를 모사한 밀폐용기를 제작하여 시험에 적용하였다.
4가지 시험 조건 모두 시험이 진행됨에 따라 지연초시가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 50℃, 50% 조건의 경우 초기 시점 이후로 노화 속도가 저하되어 관측 주기를 늘려가며 지연초시를 측정하였다.
Pre-test 조건은 고온, 고온고습, 온습도 Cycle로 세 가지이며 1차와 2차로 나누어 시험하였다. 1차와 2차의 시험조건은 수준을 달리하여 총 78발의 시료를 이용하였으며, 1차 시험조건으로 20일 시험 후 39발을 이용하여 9발은 화학분석, 30발은 지연초시 측정 기술시험을 수행하였고 나머지 39발은 20일간 2차 시험에 이용하였다.
각 시점 별 데이터가 어떤 분포에 더 적합한지 식별하기위해 Minitab을 이용하여 분포식별을 수행하였다. 분포 식별 결과 AD값을 얻을 수 있으며, 이때 AD는 Anderson-Darling test의 결과 값으로 데이터가 해당분포에 가까울수록 작은 값을 갖는다.
텅스텐계 지연제가 적용된 지연링을 대상으로 장기 저장 시, 신관 작동 시간 범위 이탈 에 따른 지연시간이 규격을 벗어나는 현상에 대해 연구를 수행하였다. 문헌조사 및 분석을 바탕으로 Pre-Test 조건을 수립하고 시험 후 결과를 분석하여, 신관 작동 시간 범위 이탈 현상을 재현할 수 있는 가속노화시험 조건을 선정하였다. 선정된 온습도 복합 가속 조건을 기반으로 4수준의 가속노화시험을 수행하였다.
문헌조사 및 분석을 바탕으로 Pre-Test 조건을 수립하고 시험 후 결과를 분석하여, 신관 작동 시간 범위 이탈 현상을 재현할 수 있는 가속노화시험 조건을 선정하였다. 선정된 온습도 복합 가속 조건을 기반으로 4수준의 가속노화시험을 수행하였다. 시험 결과 지연시간의 증가 추이는 모델별 적합성 검정 결과 열화비율모델을 적용하여 분석하였으며 지연초시 측정 데이터는 대수정규분포를 따른다.
2차 시험조건은 1차 시험 결과를 확인 후 지연초시에 변화가 없는 110℃ 조건 고온시험을 160℃로 온도를 높였으며, 온습도 Cycle 시험도 Table 2 와 같이 온도 조건을 높여 시험하였다. 실제 저장 조건과 동일한 조건에서 노화시험을 수행하기 위하여 조명탄의 신관재질과 오링사양을 참조하여 방수구조를 모사한 밀폐용기를 제작하여 시험에 적용하였다.
이러한 현상은 텅스텐계 지연제가 장기 보관 시 화학적 또는 물리적으로 노화됨으로써 연소속도가 느려지는 현상으로 판단되어 문헌 조사를 통한 노화메커니즘 가설을 수립하고 고온, 고온고습 및 온습도 cycle 조건의 검증 시험을 수행하였다.
시험 결과 지연시간의 증가 추이는 모델별 적합성 검정 결과 열화비율모델을 적용하여 분석하였으며 지연초시 측정 데이터는 대수정규분포를 따른다. 지연초시 규격을 초과하는 확률이 10%인 시점을 기준으로 각 가속조건에서의 B₁₀ 수명을 계산하였고 이를 바탕으로 다양한 수명-스트레스 모델식을 적용하여 실제 저장조건에서의 B₁₀수명을 예측하였다. 저장수명 예측결과는 모델식별로 최소 11.
이러한 열화 시험의 데이터를 분석하기 위해서 시험 대상 부품의 특성에 따라 통상적으로 비파괴시험의 경우에는 열화 경로모델(Degradation Path Model)을 적용하고, 파괴시험의 경우에는 열화 분포모델(Degradation Distribution Model)을 적용한다. 화공품과 같은 One Shot System(일회성 시스템)의 경우는 파괴시험이며 본 연구의 경우 관측 시점별로 분산이 변화 하므로 열화 분포모델을 적용하여 데이터 분석을 수행하고자 한다[6].

대상 데이터

Pre-test 조건은 고온, 고온고습, 온습도 Cycle로 세 가지이며 1차와 2차로 나누어 시험하였다. 1차와 2차의 시험조건은 수준을 달리하여 총 78발의 시료를 이용하였으며, 1차 시험조건으로 20일 시험 후 39발을 이용하여 9발은 화학분석, 30발은 지연초시 측정 기술시험을 수행하였고 나머지 39발은 20일간 2차 시험에 이용하였다. 총 시험기간은 40일이며 1차 시험조건은 고온 110℃, 고온고습 85℃ 95%, 온습도 Cycle -54 ~ 71℃ 95% 이다.
본 연구의 대상인 텅스텐계 지연제는 81MM 조명탄 KM301A3에 사용되는 시한신관 KM84A1E1에 적용되는 화공품이다. 시한신관 KM84A1E1의 형상을 Fig.
본 연구의 대상인 텅스텐계 지연제는 81MM 조명탄 KM301A3에 사용되는 시한신관 KM84A1E1에 적용되는 화공품이다. 시한신관 KM84A1E1의 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 조명탄이 발사되는 순간의 관성 후퇴력으로 플랜저 결합체(공이)가 뇌관을 타격하게 되고 뇌관의 화염이 뇌관 홀더결합체 내부의 틈새를 통하여 헤드펠릿(Head Pellet)을 점화시킨다.
연구 결과를 실제 저장 조건에서의 수명과 비교 검증하기 위하여 그간 군에서 시험한 결과를 입수하고 저장 기간 27년인 84년도 생산 시료를 추가로 시험하여 데이터를 분석하였다. 군에서 보유한 데이터는 지연초시의 규격만족 여부만을 확인한 Pass/Fail 데이타이므로 원샷 시스템의 가부반응 데이터 해석법[1] 중 모수추정법을 적용하였다.

데이터처리

Pre-test 결과 미니탭을 이용하여 30초 세팅 시의 지연초시 측정 결과를 평균에대한 95% 신뢰구간으로써 Fig. 3 에 비교하여 나타내었다. 공동 연구수행 기관에서는 각 시험 조건별 시료에 대해 화학분석을 실시하였고 고온고습 시험 후 텅스텐 입자의 표면에 산화막이 생성되어 초기대비 텅스텐 유효함량이 적어짐으로써 연소속도가 느려진다는 가설이 노화 메커니즘이었음을 확인할 수 있었다.
가속 조건에서 실험한 결과의 수명을 바탕으로 실제 저장조건에서의 수명을 예측하는 방법론으로는 인가한 스트레스의 종류에 따라 다양한 모델식이 사용된다. 본 연구에서는 온습도 복합 스트레스를 인가하였으므로 이에 해당하는 다음의 식(9) ~ (11) 모델식과 그 변형식을 사용하여 실 저장조건에서의 수명을 예측하고 그 결과를 Field 자료와 비교, 검증하였다.
선정된 온습도 복합 가속 조건을 기반으로 4수준의 가속노화시험을 수행하였다. 시험 결과 지연시간의 증가 추이는 모델별 적합성 검정 결과 열화비율모델을 적용하여 분석하였으며 지연초시 측정 데이터는 대수정규분포를 따른다. 지연초시 규격을 초과하는 확률이 10%인 시점을 기준으로 각 가속조건에서의 B₁₀ 수명을 계산하였고 이를 바탕으로 다양한 수명-스트레스 모델식을 적용하여 실제 저장조건에서의 B₁₀수명을 예측하였다.

이론/모형

연구 결과를 실제 저장 조건에서의 수명과 비교 검증하기 위하여 그간 군에서 시험한 결과를 입수하고 저장 기간 27년인 84년도 생산 시료를 추가로 시험하여 데이터를 분석하였다. 군에서 보유한 데이터는 지연초시의 규격만족 여부만을 확인한 Pass/Fail 데이타이므로 원샷 시스템의 가부반응 데이터 해석법[1] 중 모수추정법을 적용하였다. Table 6 에 군에서 시험한 데이터와 본 연구에서 추가로 시험한 결과를 나타내었으며 모수추정법 적용 결과 저장 수명은 B₁₀ 수명 기준 11.
가속열화시험은 제품이나 부품의 고장발생 시점까지 시험을 하지 않고도 해당 제품이나 부품이 고장에 이르게 하는 기능/성능적 특성치 또는 대용 특성치를 수명시험 중 관측주기별로 측정하여 이러한 특성치의 변화 추이를 통계 분석하여 고장에 이르는 시점을 추정하는 방법이다. 이러한 열화 시험의 데이터를 분석하기 위해서 시험 대상 부품의 특성에 따라 통상적으로 비파괴시험의 경우에는 열화 경로모델(Degradation Path Model)을 적용하고, 파괴시험의 경우에는 열화 분포모델(Degradation Distribution Model)을 적용한다. 화공품과 같은 One Shot System(일회성 시스템)의 경우는 파괴시험이며 본 연구의 경우 관측 시점별로 분산이 변화 하므로 열화 분포모델을 적용하여 데이터 분석을 수행하고자 한다[6].

성능/효과

4 에 나타내었다. 4가지 시험 조건 모두 시험이 진행됨에 따라 지연초시가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 50℃, 50% 조건의 경우 초기 시점 이후로 노화 속도가 저하되어 관측 주기를 늘려가며 지연초시를 측정하였다.
각 모델식 및 변형식을 적용하여 예측한 저장 수명을 Table 5 에 제시하였다. 각 모델식에 따라 지연초시가 규격을 만족하지 못할 확률이 10%에 이르는 저장 수명은최소 11.8년에서 최대 17.6년으로 예측되었다.
3 에 비교하여 나타내었다. 공동 연구수행 기관에서는 각 시험 조건별 시료에 대해 화학분석을 실시하였고 고온고습 시험 후 텅스텐 입자의 표면에 산화막이 생성되어 초기대비 텅스텐 유효함량이 적어짐으로써 연소속도가 느려진다는 가설이 노화 메커니즘이었음을 확인할 수 있었다.
시험조건별로 기울기가 유사함을 확인할 수 있으나 초기 이후 노화속도가 감소한 50℃, 50% 조건의 경우 기울기가 약간 다르게 보인다. 그러나 카이제곱 검정 결과 유의수준 5%에서 다른 시험 조건과 기울기가 다르다고 볼 수 없으므로 가속성이 성립함을 통계적으로 확인할 수 있었다.
2년으로 추정되었다. 따라서 온습도 복합인자를 고려한 변형식(수명: 11.8년)이 가장 적합한 것으로 평가되었다.
분포식별 결과 시험조건 모두 대수정규분포에 더 적합한 것을 확인할 수 있었다. 또한 열화분포모델 적용에 앞서 Minitab을 이용하여 등분산 검정을 수행하였으며 검정 결과 네 시험조건 모두 등분산이라고 할 수 없었다. 따라서 데이터 분석 시 시간에 따라 분산에 변화가 있기 때문에 분산을 시간의 함수로 고려하였다.
Comyn의 연구에서는 또한 74℃ 조건에서 4주간 시험 시 연소속도의 변화는 없지만 116℃ 조건에서 2시간 시험 시 변화가 발생하는 것으로 기술하고 있어 고온조건도 연소속도를 저하시킬 수 있을 것으로 사료되었다. 문헌 조사를 통하여 텅스텐계 지연제의 연소속도 저하를 유발할 수 있는 가장 유력한 환경조건은 고온고습조건이며 100℃ 이상의 고온조건도 연소속도 저하에 영향을 줄 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 따라서 실제로 연소속도 저하에 가장 영향도가 큰 시험 조건을 우선적으로 확인해 보고자 Table 2 와 같은 Pre-test를 수행하였다.
각 시점 별 데이터가 어떤 분포에 더 적합한지 식별하기위해 Minitab을 이용하여 분포식별을 수행하였다. 분포 식별 결과 AD값을 얻을 수 있으며, 이때 AD는 Anderson-Darling test의 결과 값으로 데이터가 해당분포에 가까울수록 작은 값을 갖는다. 분포식별 결과 시험조건 모두 대수정규분포에 더 적합한 것을 확인할 수 있었다.
분포 식별 결과 AD값을 얻을 수 있으며, 이때 AD는 Anderson-Darling test의 결과 값으로 데이터가 해당분포에 가까울수록 작은 값을 갖는다. 분포식별 결과 시험조건 모두 대수정규분포에 더 적합한 것을 확인할 수 있었다. 또한 열화분포모델 적용에 앞서 Minitab을 이용하여 등분산 검정을 수행하였으며 검정 결과 네 시험조건 모두 등분산이라고 할 수 없었다.
시험 결과 고온고습 조건에서 지연초시의 증가가 뚜렷이 관측되었고 다른 조건의 시험에서는 t-test 확인 시 통계적으로도 유의한 변화가 없었다.
5 에 나타내었다. 시험 데이터와 각 모형을 이용하여 추정한 값과의 차이를 나타내는 오차의 제곱합을 비교 시, 시간이 경과함에 따라 지연시간의 증가속도가 감소하는 열화비율모형이 시험 결과를 가장 잘 묘사한다고 할 수 있었다.
지연초시 규격을 초과하는 확률이 10%인 시점을 기준으로 각 가속조건에서의 B₁₀ 수명을 계산하였고 이를 바탕으로 다양한 수명-스트레스 모델식을 적용하여 실제 저장조건에서의 B₁₀수명을 예측하였다. 저장수명 예측결과는 모델식별로 최소 11.8년에서 최대 17.6년으로 예측되었고 실제 필드데이터에 모수추정법을 적용하여 분석한 결과 저장 수명은 11.2년으로 추정되었다. 따라서 온습도 복합인자를 고려한 변형식(수명: 11.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 가속열화시험이 새로운 수명평가 기법으로 도입되는 사례가 늘고 있는 이유는?	열화 모델(Degradation Model)이란 제품이나 부품의 초기 기능 또는 성능이 변화되어 정의된 고장판단 기준에 이르기까지의 과정을 해석하는 방법론이다. 최근에는 가속수명 시험 중 제한된 시험 기간 동안에 관측되는 고장의 수가 적어지는 문제점이 있어 새로운 수명평가 기법으로서 가속열화시험을 도입하는 사례가 늘고 있다. 가속열화시험은 제품이나 부품의 고장발생 시점까지 시험을 하지 않고도 해당 제품이나 부품이 고장에 이르게 하는 기능/성능적 특성치 또는 대용 특성치를 수명시험 중 관측주기별로 측정하여 이러한 특성치의 변화 추이를 통계 분석하여 고장에 이르는 시점을 추정하는 방법이다.
	열화 모델이란 무엇인가?	열화 모델(Degradation Model)이란 제품이나 부품의 초기 기능 또는 성능이 변화되어 정의된 고장판단 기준에 이르기까지의 과정을 해석하는 방법론이다. 최근에는 가속수명 시험 중 제한된 시험 기간 동안에 관측되는 고장의 수가 적어지는 문제점이 있어 새로운 수명평가 기법으로서 가속열화시험을 도입하는 사례가 늘고 있다.
	탄약을 장기 저장할 시 텅스텐이 표면 산화 등으로 인하여 비활성화 되면 지연제의 연소속도가 늦어진다는 가설을 세울 수 있는 근거는?	텅스텐이 주성분이며 Table 1과 유사한 조성을 가지는 지연제의 연소 특성에 대하여 조사 하였다. Raymond H. Comyn의 연구[4]에 따르면 혼합물 내의 텅스텐 함량이 줄어들면 연소 속도가 늦어지는 것으로 알려져있다. 따라서 장기 저장 중 텅스텐이 표면 산화 등으로 인하여 비활성화 되면 혼합물 내의 함량이 감소하는 효과로 인하여 연소속도가 늦어진다는 가설을 세울 수 있다.

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