[논문]강내탄도의 성능 영향 요소 분석

성형건; 유승령; 이상복; 최동환; 노태성

doi:10.6108/kspe.2013.17.4.016

강내탄도의 성능 영향 요소 분석
Analysis of Elements Influencing on Performance of Interior Ballistics 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.4, 2013년, pp.16 - 24

성형건 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) , 유승령 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) , 이상복 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) , 최동환 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) , 노태성 (Department of Aerospace Engineering, Inha University)

초록
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강내탄도의 다양한 해석 모델에 따른 성능 및 내부 유동을 분석하였다. 항력 모델은 내부 유동에 주된 영향을 미치며 고체추진제의 항력 감소는 차압의 진동을 감소시키는 것으로 나타났다. Nusselt 수 모델은 강내탄도의 주요 성능에 영향을 미치지 않으며 고체추진제의 열전달을 고려하지 않는 경우에는 역압력이 발생하지 않았다.

The analysis of performance and internal flow according to various numerical models for interior ballistics has been conducted. The initial flow has been mainly affected by the drag model of propellants and their drag degradation reduces oscillations of differential pressure between the breech and the shot base. Models of Nusselt number haven't influenced the major performance of interior ballistics. The negative differential pressure isn't generated in the case without the heat transfer of propellants.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 상간의 전달에 대한 다양한 식들이 개발되어 있지만, 이들에 대한 비교 연구는 거의 수행되지 않았다. 이에 본 연구에서, 이들 모델이 강내탄도의 내부 압력에 미치는 영향을 비교분석하였다.

가설 설정

이에 관한 실험 식은 다양한 모델이 개발되어 사용되고 있는데, 이중 Table 1과 같은 모델을 사용하여 강내탄도에 미치는 영향을 비교 연구하였다[9-11]. Model D-N의 경우 기체의 항력으로 인한 에너지 손실은 고려하나 고체추진제는 고정층(Fixed Bed)이라 가정하였다.
Model Nu-A는 미국의 강내탄도 해석 코드인 NGEN에서 사용한 Nu 수가 정지 유체에서 2가 되도록 수정한 것이다[1-3,8]. Model Nu-N은 고체추진제가 열전달을 받지 않고 바로 점화되는 것으로 가정한 것이다.

제안 방법

다상유동을 해석하기 위해서는 하나의 격자가 많은 수의 입자를 포함하고 있어야 하므로 초기 약실의 격자는 50×6 개로 구성하였다. 각 격자당등간격으로 x방향 5개, y 방향 5개로 총 25개의 추진제 입자 그룹(Parcel)을 배치하였고 총 7500개의 추진제 입자 그룹을 계산하였다. 포구까지 탄자의 이동 거리는 5 m이고, 강내탄도의 초기기공률은 0.
강내탄도 해석에 사용되는 여러 수학 모델에 따른 강내탄도의 성능 및 내부 유동을 분석하였다. 항력 모델의 경우 모델에 따라 초기의 내부 유동 특성에 차이가 나타났으며 고체추진제의 항력을 작게 예측할수록 점화기에 의한 차압과 역압력을 감소시켰다.
고채추진제 열전달에 사용하는 열전달 계수는누셀트수(Nu)로 계산하며 Table 2와 같이 Nu 수는 레이놀즈수(Re)와 프란틀수(Pr)로 계산된다. 이 모델을 사용하여 강내탄도에 미치는 영향을 비교하였다[8,15]. Model Nu-A는 미국의 강내탄도 해석 코드인 NGEN에서 사용한 Nu 수가 정지 유체에서 2가 되도록 수정한 것이다[1-3,8].
여기서 항력은 관내 고체입자에 의한 압력 손실을 측정한 실험식을 일반적으로 사용한다. 이에 관한 실험 식은 다양한 모델이 개발되어 사용되고 있는데, 이중 Table 1과 같은 모델을 사용하여 강내탄도에 미치는 영향을 비교 연구하였다[9-11]. Model D-N의 경우 기체의 항력으로 인한 에너지 손실은 고려하나 고체추진제는 고정층(Fixed Bed)이라 가정하였다.
장약인 고체추진제의 이동과 가스상의 압력손실에 사용되는 항력식이 강내탄도에 미치는 영향을 비교하였다. 초기 조건은 Table 3, 4와 같으며 Nusselt 수는 Table 2의 Model Nu-A를 사용하였다.

대상 데이터

다상유동을 해석하기 위해서는 하나의 격자가 많은 수의 입자를 포함하고 있어야 하므로 초기 약실의 격자는 50×6 개로 구성하였다.

이론/모형

5와 같다. Intergranular stress는 Gough 등이 개발한 식을 사용하였다[1-3]. 여기서 항력은 관내 고체입자에 의한 압력 손실을 측정한 실험식을 일반적으로 사용한다.
이에 본 연구에서는 LSHUS (Low-dissipation Simple High-resolution Upwind Scheme) 기법을 사용 하였다[17]. 공간차분법으로 MUSCL과 Minmod 제한자를 사용하였고 시간차분법은 비정상상태 강내탄도를 해석하므로 외재적기법을 사용하였다.
강내탄도의 약실 내 고체추진제 연소와 이동 현상은 기체-고체의 이상유동에 포함된다. 다분산 이상유동을 해석할 수 있는 Eulerian-Lagrangian 접근법을 사용하여 기체-고체 유동을 해석하였다[12,13].
본 연구에서는 Baer&Nunziato가 사용한 지배방정식을 이용하였으며 다음과 같다[14].
이를 위해 분무 연소 해석에서보간법으로 주로 사용하는 PSIC(Particle Source in Cell) 모델을 이용하여 각 상의 계산에 필요한 물리량을 계산하였다[12]. 약실로 주입되는 점화가스를 모사하기 위해 Lumped parameter model에 오리피스의 이론식을 결합한 점화기 해석 모델을 사용하여 점화가스의 질유량을 계산 하였다[16].
연소율은 압력의 함수로 표현되는 Saint Robert's Law를 이용하였고 Eq.
Eulerian-Lagrangian 접근법에서 각 상의 지배 방정식을 계산하기 위해서는 다른 상의 물리량을 필요로 한다. 이를 위해 분무 연소 해석에서보간법으로 주로 사용하는 PSIC(Particle Source in Cell) 모델을 이용하여 각 상의 계산에 필요한 물리량을 계산하였다[12]. 약실로 주입되는 점화가스를 모사하기 위해 Lumped parameter model에 오리피스의 이론식을 결합한 점화기 해석 모델을 사용하여 점화가스의 질유량을 계산 하였다[16].
강내탄도 내의 유동장의 속도는 정지 상태에서부터 최대 초속 수천 미터까지 증가하므로 이를 해석하기 위해서는 모든 속도 영역을 해석할수 있는 전산해석 기법이 필요하다. 이에 본 연구에서는 LSHUS (Low-dissipation Simple High-resolution Upwind Scheme) 기법을 사용 하였다[17]. 공간차분법으로 MUSCL과 Minmod 제한자를 사용하였고 시간차분법은 비정상상태 강내탄도를 해석하므로 외재적기법을 사용하였다.
축대칭 2차원으로 해석을 수행하였고, 상태방정식은 이상기체 상태방정식을 사용하였다. 강내 탄도 해석 모델의 형상은 Fig.
이에 탄자의 이동에 따른 이동경계면을 해석하는 수치해석 기법이 필요하다. 탄자의 단면 형상이 평면이므로 계산량을 감소시킬 수 있고 Cut cell method와 유사한 Ghost cell extrapolation method를 사용하였다[12,18].
고체-기체의 이상유동에서는 상간 항력(interphase drag)과 고체간의 충돌(intergranular stress)에 관한 해석 모델링이 필요하고 고체추진제의 연소에서는 열전달에 의한 점화와 연소율 모델이 필요하다. 탄자의 이동은 제어체적의 증가에 따른 이동경계면 해석 모델을 사용한다. 이들 중 고체의 항력, 고체간의 충돌, 추진제의 열전달에 관한 다양한 식이 석탄가스화나 입자 비산 연구 등에서 개발하여 사용하고 있다[9-11].

성능/효과

항력 모델의 경우 모델에 따라 초기의 내부 유동 특성에 차이가 나타났으며 고체추진제의 항력을 작게 예측할수록 점화기에 의한 차압과 역압력을 감소시켰다. Nusselt 수 모델들은 내부 유동장과 성능에 영향을 주지 않는 것으로 나타났고 열전달 고려 여부는 차압의 특성에만 영향을 주는 것으로 나타났다.
8과 같이 항력에 의해 가속된 고체추진제의 운동에너지가 연소로 인해 유동장의 에너지로 다시 흡수되기 때문이다. 반면에, 항력을 통한 압력 손실만 있고 고체추진제가 움직이는 않는 Model D-N의 경우는 3 가지 성능 모두에서 상당한 차이가 나타났으며 탄자탈출속도는 감소하였다. 이들 해석 결과로부터 화포의 안전성을 향상시키기 위해서는 고체추진제의 이동은 필요하나 항력은 최소화되어야 한다는 사실을 알 수 있었다.
열전달 모델에 따른 강내탄도의 주요 성능 인자를 Table 7에서 비교하였다. 열전달은 강내탄도의 주요 성능인 탄자탈출속도, 탄자탈출시간, 약실 내 최대 압력에는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
반면에, 항력을 통한 압력 손실만 있고 고체추진제가 움직이는 않는 Model D-N의 경우는 3 가지 성능 모두에서 상당한 차이가 나타났으며 탄자탈출속도는 감소하였다. 이들 해석 결과로부터 화포의 안전성을 향상시키기 위해서는 고체추진제의 이동은 필요하나 항력은 최소화되어야 한다는 사실을 알 수 있었다.
고체추진제가 열전달을 고려하지 않고 바로 연소하는 경우에는 차압에서 역압력이 나타나지 않았고 최대 압력차도 작게 예측되었다. 이러한 점을 볼 때 열전달에 의한 고체추진제의 점화 지연 현상이 나타나지 않도록 하는 것이 화포의 안전성을 향상시키는 요소라는 사실을 알 수 있었다. 열전달 모델에 따른 강내탄도의 주요 성능 인자를 Table 7에서 비교하였다.
이를 통해 화포의 안전성을 향상시키기 위해서는 고체추진제의 항력과 열전달에 의한 점화 지연을 최소화 시켜야 한다는 결론을 얻었다.
강내탄도의 주요 성능 인자인 약실 최대 압력, 탄자탈출속도, 탄자탈출시간을 Table 6에서 비교 하였다. 항력을 통해 고체추진제가 움직이는 경우에는 항력에 상관없이 거의 유사한 성능을 예측하는 것으로 나타났다. 이는 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강내탄도 현상 중 고체-기체의 이상유동은 어떤 해석 모델링이 필요한가?	강내탄도 현상은 크게 고체-기체(gas-solid)의 이상유동, 장약인 고체추진제의 연소, 탄자의 이동으로 구분할 수 있다. 고체-기체의 이상유동에서는 상간 항력(interphase drag)과 고체간의 충돌(intergranular stress)에 관한 해석 모델링이 필요하고 고체추진제의 연소에서는 열전달에 의한 점화와 연소율 모델이 필요하다. 탄자의 이동은 제어체적의 증가에 따른 이동경계면 해석 모델을 사용한다.
	강내탄도 현상은 무엇으로 구분가능한가?	강내탄도 현상은 크게 고체-기체(gas-solid)의 이상유동, 장약인 고체추진제의 연소, 탄자의 이동으로 구분할 수 있다. 고체-기체의 이상유동에서는 상간 항력(interphase drag)과 고체간의 충돌(intergranular stress)에 관한 해석 모델링이 필요하고 고체추진제의 연소에서는 열전달에 의한 점화와 연소율 모델이 필요하다.
	강내탄도란 무엇인가?	탄약의 설계, 새로운 화포 추진제의 개발, 또는 화포나 포신의 설계를 위해서는 강내탄도 (Interior Ballistics)에서 일어나는 물리 현상에 대한 연구가 필요하다. 강내탄도는 수십 ms 동안에 장약의 연소 및 이동, 고온·고압의 연소가스에 의한 탄자의 가속이 일어나는 일련의 과정으로 실험 연구에는 계측 장비의 한계와 안전성 문제로 인한 제약이 있다. 이에 미국, 프랑스, 일본, 호주 등에서는 다차원 다상 유동을 해석하는 강내탄도 코드를 개발하였고 이를 사용하여 다양한 연구를 수행하였다[1-8].

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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