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문제 정의
- 이 방법에는 장전 시 코일이 끊어지는 문제와 함께 계측의 균일성과 연속성 확보에 어려움이 있어 왔다. 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 다양한 센서 간 비교 분석 및 별도의 발사 장치고안을 통해 action time 계측을 품질보증 시스템으로 활용하고자 하였다. 본 연구를 통해서 40㎜ 고속유탄 action time 이론적 기반 검토 후 측정 장치를 고안하였다.
- 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 다양한 형태의 센서를 적용한 계측 시스템을 구성, 비교·분석하여 가장 적합한 시스템을 선정하였다.
제안 방법
- 1과 같이 K4 고속유탄 기관총을 모사한 action time 계측용 발사 장치를 고안하였다. K4 기관총과 동일 장전 방식을 기본으로 공이가 뇌관을 타격하는 순간을 감지하기 위한 센서를 장착하고 총구에는 와전류 탐촉자를 장착하였다. 또한 총기는 탄 장전부 분리가 용이하도록 레일을 장착하여 단발사격으로도 손쉽게 장전 및 계측이 가능하도록 설계되었다.
- 광학 센서에 의해 공이부분에서 TTL(Transistor -Transistor Logic) 신호가 발생하면 MCU 인터럽트 0에서 그 시점을 시작 시간으로 하여, 자기 센서의 TTL 신호가 발생될 때까지의 시간을 MCU 내부 클락(Clock)으로 계수(count)한다. Labview를 사용하여 측정된 시간을 표시하고, 측정결과를 Excel 파일 형태로 저장하기 위하여 가상계측기 (Virtual Instrument)를 구성하였다.
- 2는 본 시스템의 구조도를 개략화한 것으로 ①번이 광학적으로 감지하는 부분, ②번이 와전류로 감지하는 부분이다. ③번 MCU(Micro Controller Unit)부분에서 이 두 신호 간 시간차를 계산하고, ④번 PC에서는 Labview로 데이터를 표시하고 그 값은 Excel Sheet로 저장할 수 있게 시스템을 구축하였다.
- 결국 총열부분에는 화염 및 발사 충격에도 반영구적으로 사용 가능한 자기센서를 적용하는 것이 타당하다고 판단하였으며, 공이부분은 추진제의 화염과 발사충격에 영향이 없고 응답속도가 빨라 정밀한 측정이 가능한 광센서를 적용하였다.
- 공이가 뇌관을 타격하는 순간을 감지하는 방식은 광학 센서인 레이저 다이오드를 사용하였다. 이는 자기적인 방법인 와전류 탐촉자를 사용할 경우 공이의 움직임 감지 시 측정 오차가 광학 센서에 비해 상대적으로 커질 가능성이 있기 때문이다.
- 과거에는 뇌관에 에나멜 구리선을 부착하고 총구에 탄소 막대를 장착하여 공이가 뇌관을 타격했을 때 에나멜 구리선이 끊어지는 순간 트리거 신호를 인가하고 총구에서 탄소 막대가 끊어지는 시간을 측정하는 방법으로 action time을 측정하였다. 그러나 이 방법이 실제 탄약의 품질보증 수단으로 활용되기에는 많은 시간이 소요되고 원활한 계측에 어려움이 많아 뇌관의 품질보증 향상에 활용하기에는 불편함이 많았다
- K4 기관총과 동일 장전 방식을 기본으로 공이가 뇌관을 타격하는 순간을 감지하기 위한 센서를 장착하고 총구에는 와전류 탐촉자를 장착하였다. 또한 총기는 탄 장전부 분리가 용이하도록 레일을 장착하여 단발사격으로도 손쉽게 장전 및 계측이 가능하도록 설계되었다.
- 이러한 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 다양한 센서 간 비교 분석 및 별도의 발사 장치고안을 통해 action time 계측을 품질보증 시스템으로 활용하고자 하였다. 본 연구를 통해서 40㎜ 고속유탄 action time 이론적 기반 검토 후 측정 장치를 고안하였다.
- 본 연구에서는 action time 측정을 위한 이론적 근거를 검토하였고, 광학적/자기적 방법의 기술적 접근을 통해서 공이의 타격 순간은 광센서로, 탄이 총구를 이탈하는 순간은 자기센서로 계측되는 발사 장치를 고안하였으며, 단발 사격을 통해 장전이 용이하고 컴퓨터와 연동돼 실시간으로 데이터를 획득하는 계측 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 이용하여 앞으로 신규 개발 뇌관과 기존 양산 뇌관의 성능을 정확하게 비교·평가할 수가 있고 그 결과를 토대로 우수한 성능의 뇌관을 도입 할 수 있게 되어 제품의 품질보증과 뇌관 국산화에 커다란 도움이 될 수 있을 거라 판단된다.
- 본 연구에서는 와전류 탐촉자를 이용한 총구 탄속 계측 방법을 도입하였으며[2-5], Fig. 1과 같이 K4 고속유탄 기관총을 모사한 action time 계측용 발사 장치를 고안하였다. K4 기관총과 동일 장전 방식을 기본으로 공이가 뇌관을 타격하는 순간을 감지하기 위한 센서를 장착하고 총구에는 와전류 탐촉자를 장착하였다.
- 본 측정 장치는 탄 발사 시 노리쇠의 공이부분이 뇌관을 타격할 때 광학 센서가 감지하는 신호와 총열부분에서 탄이 빠져나갈 때 와전류의 변화를 인지하여 탐촉자에서 변환된 신호, 즉 이 두 신호 간 시간 차이(action time)를 측정한다.
- 앞 절에서 언급한 바와 같이 총열부분에서 광센서로 계측 시 문제점을 개선하기 위하여 공이 부분의 뇌관 타격순간은 광센서로 측정을 하고 총열부분에서는 자기센서로 측정하는 방법을 택하였다.
- 와전류 탐촉자(Eddy current probe)는 외부의 자기장이나 자성체에 의한 영향을 줄이기 위해 Mn-Zn 페라이트 재료인 코어를 이용하였고, 총열의 특성에 영향을 받지 않도록 스테인리스 스틸 재질의 케이스로 차폐하였다. 이를 통해 교류자기장이 오직 총열 내부로만 발생되게 하였으며, 총구를 이탈하는 순간의 자유 공간에서 측정하도록 설계되었다.
- 그리고 K4 기관총의 총구와 공이부분에는 빛이 통과할 수 있도록 구멍을 뚫게 되는데, 특히 공이 부분은 뇌관 타격 시 구조강성 유지를 위해 2㎜ 이하의 작은 관통을 내야 한다. 이때 빛이 통과되는 순간의 신호 인식률을 높이기 위해 LED 대신 가시광선영역의 레이저 다이오드를 적용 하였다.
- 광학적인 방법은 발광부와 반대편의 수광부를 통해 빛이 통과하거나 차단되는 순간의 신호를 인식함으로써 공이 격발 및 탄의 총구 이탈을 감지, 이를 계측 시스템으로 활용하는 것이다. 이를 위해서 우선적으로 센서로 적합한 발광부와 수광부 재료들을 검토하였다. 실제 광학적 방법에 기반을 둔 데이터 송수신 예로서는 40㎜ ABM(Air Bursting Munition, Rheinmetall社)을 들 수 있다.
- 탄의 금속부분을 탐지하기 위해서 총구에 코일을 설치 할 경우 총구가 강자성체인 철로 되어있기 때문에 총구의 영향이 크다. 이를 줄이기 위하여 이전 연구에서는 U자형태의 페라이트 코어를 사용하였으나[5], 본 연구에서는 개선된 항아리형(Pot) 코어를 제작하였다. 코어는 2장에서 언급한 바와 같이 교류자기장의 주파수가 150 ㎑ 이상이 되어야 하므로 Mn-Zn 페라이트 코어를 가공하여 사용하였다.
- 와전류 탐촉자(Eddy current probe)는 외부의 자기장이나 자성체에 의한 영향을 줄이기 위해 Mn-Zn 페라이트 재료인 코어를 이용하였고, 총열의 특성에 영향을 받지 않도록 스테인리스 스틸 재질의 케이스로 차폐하였다. 이를 통해 교류자기장이 오직 총열 내부로만 발생되게 하였으며, 총구를 이탈하는 순간의 자유 공간에서 측정하도록 설계되었다. 탄속 계측을 위한 와전류 탐촉자의 주파수는 와전류 탐촉자를 지나는 탄의 속도로부터 구하였다.
- 첫 번째 계측 시스템 조합에서는 공이부분과 총열부분 모두 자기센서를 적용하였다. 이때 공이가 뇌관을 타격한 순간 반동에 의한 이동이 자기 센서에 의해 재 감지되어 신호(Pulse)가 2회 계측되는 문제가 발생하였고 이에 따라 계측 시스템에서 action time을 측정할 수 없었다(Fig.
- 최초에는 와전류 탐촉자를 이용한 자기센서를 적용하여 공이 타격에서 총구 탄의 이탈까지 모두 계측하고자 하였으나, 계측 정밀도 및 신뢰성 향상을 위하여 공이의 타격 순간은 광센서로 변경하였다.
대상 데이터
- 만약 vb=300㎧, la=2×10-2m로 가정하면 fe는 150 ㎑가 된다. 따라서 최소 이 주파수에서 자화가 가능한 탐촉자용 코어 재료를 상기와 같이 선정하였다[1].
- 본 계측시스템의 계측 정확도를 확보하기 위하여 공이부분과 총열부분의 신호를 오실로스코프(54624A, Agilent社)로 동시에 감지했다. 오실로스코프 창에서 Ch.
- 본 연구 재료인 탄은 알루미늄 재질의 신관과 주작약이 들어있는 철 재질의 탄체 그리고 구리 재질의 탄체 외측의 회전탄대로 구성되어 있다. 따라서 도체이면서 비자성체인 알루미늄과 구리는 자성체인 철과 와전류 효과가 다르므로 이를 구별하여 감지를 할 수 있다.
- 즉, 포토다이오드의 원리를 응용하여 빛의 세기를 증폭시킨 것이 포토트랜지스터이다. 본 연구에서는 감지 특성이 좋은 포토트랜지스터를 사용하였다.
- 시간차 측정을 위해 사용된 MCU(ATMEGA 08, Atmel社)는 2개의 인터럽트를 사용하였다.광학 센서에 의해 공이부분에서 TTL(Transistor -Transistor Logic) 신호가 발생하면 MCU 인터럽트 0에서 그 시점을 시작 시간으로 하여, 자기 센서의 TTL 신호가 발생될 때까지의 시간을 MCU 내부 클락(Clock)으로 계수(count)한다.
- LED의 경우 빔 발산(Beam Divergence)이 크므로 발광부와 수광부의 거리가 멀면 빛의 세기가 약해지고 탄이나 공이를 감지하는 시점의 오차를 발생시킬 수 있다. 이에 발광부는 레이저 다이오드를 선정했으며, 이 때 Beam Alignment의 용이성을 위해 파장이 650 nm인 레이저 다이오드를 선택하였다(출력 5 mW). 이는 다이오드의 가시성을 통해 시험자가 실시간으로 장비 작동을 파악하는 것이 유리하다고 판단했기 때문이다.
성능/효과
- 본 연구에서 고안된 시스템으로 action time을 측정한 결과 각 타입 별로 표준편차가 24 - 49 us 수준으로 측정되어 기존 양산중인 뇌관과 신규 개발된 뇌관의 측정 데이터가 특정시간 이내에서 매우 균일한 값을 얻을 수있었다.
후속연구
- 또한 본 시스템이 표본이 되어 40㎜ 고속유탄뿐만 아니라 action time 측정의 정확성이 떨어졌던 기타 고속 탄의 품질 보증이 더 용이하게 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 action time 측정을 위한 이론적 근거를 검토하였고, 광학적/자기적 방법의 기술적 접근을 통해서 공이의 타격 순간은 광센서로, 탄이 총구를 이탈하는 순간은 자기센서로 계측되는 발사 장치를 고안하였으며, 단발 사격을 통해 장전이 용이하고 컴퓨터와 연동돼 실시간으로 데이터를 획득하는 계측 시스템을 개발하였다. 이 시스템을 이용하여 앞으로 신규 개발 뇌관과 기존 양산 뇌관의 성능을 정확하게 비교·평가할 수가 있고 그 결과를 토대로 우수한 성능의 뇌관을 도입 할 수 있게 되어 제품의 품질보증과 뇌관 국산화에 커다란 도움이 될 수 있을 거라 판단된다.
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