[논문]ESAF의 기폭 신뢰성 향상을 위한 충격감지장치 연구

조세영

doi:10.9766/kimst.2015.18.5.525

문제 정의

본 논문에서 연구한 충격감지장치 및 충격감지신호를 사용하는 ESAF는 목표물과의 충격을 감지하여 관통자를 통해 목표물을 타격하는 성형작약탄두(Shaped charge warhead)를 기폭 시키기 위하여 개발하였다. 성형작약탄두는 목표물과의 거리(Stand-off distance)에 따른 위력의 편차가 크기 때문에 신관과 충격감지장치의 충격감지 및 충격감지신호의 처리지연시간이 짧을수록 유리하며, 이에 따라 충격감지방식에 따른 설계를 진행하여 시험을 통해 최적 충격감지방식을 선정하였다.
본 논문에서는 목표물과의 충격을 감지하여 무기체계의 탄두를 기폭 시키기 위한 충격감지장치 설계에 대해 다루었다.
신관의 안전장전 및 기폭기능 신뢰성 향상을 위한 연구는 무기체계를 운용하는 아군의 안전을 보장하고 목적에 따른 정확한 탄두 기폭으로 무기체계 효과를 극대화하기 위한 핵심이라 할 수 있으며, 본 논문에서는 충격식 신관과 함께 무기체계에 적용되어 목표물과의 충격을 인식, 신호를 인가하는 충격감지장치의 설계에 대해 기술하였다.

제안 방법

본 연구에서는 Fig. 7-(a)와 같이 시험물을 고압가스건(Gas-gun)의 구경에 맞도록 버드 조립체 내부에 조립하여 표적에 부딪힐 경우의 생존성을 확인하는 가스건 시험 장비를 사용하였다. 본 연구에서 적용된 무기체계의 목표물 조우상황과 유사하게 버드 조립체의 제질 및 형상을 설정한 후, Fig.
본 연구에서 적용된 무기체계의 목표물 조우상황과 유사하게 버드 조립체의 제질 및 형상을 설정한 후, Fig. 7-(b)와 같이 기존 표적 위치에 충격감지장치를 설치하여 버드 조립체와의 충돌 시 충격감지장치의 작동 및 지연시간을 확인하였다. 버드 조립체의 속도를 약 40 m/s로 설정하여 단락형과 접촉형 각각 2회 시험한 결과는 Table 2와 같다.
16 ms 더 빠른 것을 확인할 수 있었으며, 버드 조립체의 속도를 약 70 m/s로 시험한 경우(Table 3 참조) 40 m/s 조건에 비해 지연시간이 감소한 접촉형에 비해 단락형의 지연시간이 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 단락형의 지연시간이 긴 원인은 단자 구조물의 절단이 버드 조립체와의 충돌 이후 탄체 파손 상황에서 불균일하게 일어나기 때문인 것으로 판단하였으며, 이와 같은 시험결과를 토대로 접촉형 방식을 적용하여 설계를 구체화하였다.
단자 간 및 탄체와의 절연을 위하여 수십 µm 수준의 절연시트 및 본딩시트를 적층하여 사용하였으며 A 부분의 설계 구성은 Fig. 9와 같이 단자와 단자 사이의 절연층에 접촉홀을 내어 충격이 인가되면 접촉홀을 통해 단자간 도통이 되도록 하였다.
성형작약탄두는 목표물과의 거리(Stand-off distance)에 따른 위력의 편차가 크기 때문에 신관과 충격감지장치의 충격감지 및 충격감지신호의 처리지연시간이 짧을수록 유리하며, 이에 따라 충격감지방식에 따른 설계를 진행하여 시험을 통해 최적 충격감지방식을 선정하였다. 또한 기존 충격감지장치 분석을 통해 기존 장치들의 단점이었던 크기와 적용성을 향상시키기 위한 설계를 진행하였다.
분석한 결과를 바탕으로 본 연구의 적용 무기체계 적용여부를 판단하기 위하여 적용 조건을 고려하여 단락형 및 접촉형 방식에 대해 Fig. 6과 같이 1차 형상설계 후 시험을 통해 각 방식의 충격감지 지연시간에 대해 검증하였다.
본 논문에서 연구한 충격감지장치 및 충격감지신호를 사용하는 ESAF는 목표물과의 충격을 감지하여 관통자를 통해 목표물을 타격하는 성형작약탄두(Shaped charge warhead)를 기폭 시키기 위하여 개발하였다. 성형작약탄두는 목표물과의 거리(Stand-off distance)에 따른 위력의 편차가 크기 때문에 신관과 충격감지장치의 충격감지 및 충격감지신호의 처리지연시간이 짧을수록 유리하며, 이에 따라 충격감지방식에 따른 설계를 진행하여 시험을 통해 최적 충격감지방식을 선정하였다. 또한 기존 충격감지장치 분석을 통해 기존 장치들의 단점이었던 크기와 적용성을 향상시키기 위한 설계를 진행하였다.
위와 같은 설계개념을 토대로 본 연구에서 적용된 무기체계의 요구조건에 부합하도록 역탄도 시험을 통하여 설계 최적화를 진행하였다. 작동 충격값 및 지연 시간이 Fig.
초기 설계 후 역탄도 시험을 통해 두 가지 충격감지방식 중 접촉형 충격감지방식을 적용하였으며, FPCB와 절연시트를 이용하여 적용 공간을 줄이고 다양한 무기체계에 적용 가능하도록 설계하였다. 작동 충격값 및 지연시간에 따라 접촉홀과 시트의 두께를 조절하여 역탄도 시험을 통해 최적화하였으며, 단자별 각 2개씩의 도선을 연결하여 기존 충격감지장치의 단점이었던 조립 후 점검 문제를 보완하였다.
0, 총 두께는 약 500 µm이다. 절연의 신뢰성을 높이기 위하여 탄체와 충격감지장치 사이에 Polycarbonate 소재의 절연링을 추가하였으며, 각종 환경조건에서의 생존성을 높이기 위하여 유격 공간을 몰딩 처리하였다.
접촉형(Fig. 6-a)의 경우 동박과 동박 사이의 절연시트에 원형의 홀을 내어 충격에 의해 접촉되도록 설계하였고, 단락형(Fig. 6-b)은 도선을 장착위치에 삽입 후 몰딩하여 충격에 의해 절단되도록 하였으며 충격감지 지연시간 검증을 위하여 Fig. 7의 역탄도 시험을 진행하였다.
초기 설계 후 역탄도 시험을 통해 두 가지 충격감지방식 중 접촉형 충격감지방식을 적용하였으며, FPCB와 절연시트를 이용하여 적용 공간을 줄이고 다양한 무기체계에 적용 가능하도록 설계하였다. 작동 충격값 및 지연시간에 따라 접촉홀과 시트의 두께를 조절하여 역탄도 시험을 통해 최적화하였으며, 단자별 각 2개씩의 도선을 연결하여 기존 충격감지장치의 단점이었던 조립 후 점검 문제를 보완하였다.

대상 데이터

접촉홀의 크기를 조절하며 시험을 진행하였으며, 최적화된 충격감지장치 및 장착 형상은 Fig. 10과 같고 접촉홀의 크기는 ⏀ 4.0, ⏀ 3.0, 총 두께는 약 500 µm이다.

성능/효과

버드 조립체의 속도를 약 40 m/s로 설정하여 단락형과 접촉형 각각 2회 시험한 결과는 Table 2와 같다. 4회 모두 작동하였음을 확인하였으나 접촉형의 지연시간이 최대 2.16 ms 더 빠른 것을 확인할 수 있었으며, 버드 조립체의 속도를 약 70 m/s로 시험한 경우(Table 3 참조) 40 m/s 조건에 비해 지연시간이 감소한 접촉형에 비해 단락형의 지연시간이 큰 폭으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 단락형의 지연시간이 긴 원인은 단자 구조물의 절단이 버드 조립체와의 충돌 이후 탄체 파손 상황에서 불균일하게 일어나기 때문인 것으로 판단하였으며, 이와 같은 시험결과를 토대로 접촉형 방식을 적용하여 설계를 구체화하였다.
Fig. 13의 비행시험은 실제 운용환경에서의 기능을 확인하는 시험으로, 충격감지장치의 기능을 확인할 수 있는 시험을 총 39차례 실시하였으며, 탄의 비정상 비행으로 인해 기능 확인이 불가능했던 2회의 시험을 제외한 총 37차례의 시험에서 충격감지장치가 정상적으로 작동함을 확인하였다.
총 7차례 시험한 결과, 30 ~ 68 µs의 작동 지연시간이 계측되어 적용 무기체계 및 탄두기폭을 위한 조건을 만족함을 확인하였다. 또한 Fig. 11의 SLED 시험 및 Fig. 12의 비행시험을 통해 실제 무기체계 환경에서의 검증을 진행하였으며, Table 5의 항목에 대한 환경시험을 진행하여 무기체계 적용을 위해 요구되는 환경조건을 만족함을 확인하였다.
11의 SLED 시험은 실제 운용환경과 유사한 종말속도 및 표적조건을 모사하여 탄두와 신관의 기능을 확인하는 시험으로 비행시험에 비하여 저렴하게 진행 가능하다. 실제 무기체계와 동일한 형상으로 제작한 탄체를 레일위의 슬레드에 거치한 후 로켓모터의 추진력으로 진행하여 레일 종말단의 탄을 고정하는 밴드가 절단부에서 절단되면 탄이 진행속도를 유지하며 표적에 탄착하게 되며, 총 15차례 시험한 결과 탄두의 관통 성능확인 및 영상계측을 통해 Fig. 12와 같이 정상적으로 작동하여 탄두가 기폭 됨을 확인하였다.
위와 같은 설계개념을 토대로 본 연구에서 적용된 무기체계의 요구조건에 부합하도록 역탄도 시험을 통하여 설계 최적화를 진행하였다. 작동 충격값 및 지연 시간이 Fig. 9의 구성요소 중 절연시트와 본딩시트부에 단자(동박)의 접촉을 위해 만든 접촉홀의 크기에 가장 큰 영향을 받는 것을 확인하였으며, 각 적층구조의 두께 및 접촉홀의 크기를 조절하여 다양한 작동 충격값에 맞춰 구현할 수 있음을 확인하였다. 접촉홀의 크기를 조절하며 시험을 진행하였으며, 최적화된 충격감지장치 및 장착 형상은 Fig.
총 7차례 시험한 결과, 30 ~ 68 µs의 작동 지연시간이 계측되어 적용 무기체계 및 탄두기폭을 위한 조건을 만족함을 확인하였다.

후속연구

본 논문의 충격감지장치는 각종 환경시험과 SLED 시험 및 비행시험 등을 통하여 일정수준의 작동 신뢰성이 검증되었으나, 추후 타 무기체계 적용 및 충분히 많은 시험을 진행할 수 있는 시료수량을 확보하여 더욱 검증해야할 필요가 있다고 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격감지장치는 어떤 기능을 수행하는가?	충격감지장치는 목표물과의 조우를 충격으로 감지하여 기폭 트리거부에 신호를 전달하는 기능을 수행한다. 충격감지장치는 감지 방식에 따라 단락형과 접촉형으로 분류할 수 있으며, 각 방식의 특징은 다음과 같다.
	기계식 신관을 장전하는 방법은 무엇인가?	Fig. 1-(a)의 기계식 신관(Out-of-Line type)은 신관의 기폭부와 폭발계열 사이에 위치한 기폭관을 기구적으로 분리하여 안전을 확보하며 운용환경에서 조우하는 힘들을 이용하여 장전하며, Fig. 1-(b)의 전자식 안전장전신관(In-Line type)은 둔감화약으로 조성된 기폭관을 사용하며 기폭부, 기폭관, 폭발계열이 정렬된 상태에서 운용환경에서 수집한 신호들을 이용한 정밀 안전장전 알고리즘을 통해 장전, 기폭기능을 수행한다.
	탄두를 기폭시키는 기능을 하는 기계식 신관은 무엇으로 대체되고 있는가?	신관은 무기체계에 탑재되어 탄두의 안전을 보장하고 목적에 따라 특정된 조건에서만 탄두를 기폭 시키는 기능을 수행하게 된다. 기존의 신관은 정밀기계기술을 이용한 기계식 신관이 주로 이용되어 왔으나 최근에는 보다 정밀한 제어가 가능하고 점검에 용이한 전자식 안전장전신관(ESAF : Electric Safe and Arming Fuze)으로 대체되고 있으며 부가적인 기능이 추가되며 점차 지능화되고 있다[1].

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