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- 96 MJ/kg(P = 135 MPa)이 된다. 강내에 존재하는 연소가스의 내부에너지와 압력은 약실쪽이 최대, 탄저부가 최소로 되는 선형적 분포를 가정하고 포열 주위의 압력해석에 사용하였다.
- 따라서 진지와 감압실로 이루어진 사격진지의 3차원 해석을 위하여, 감압실과 진지 사이에는 200 mm의 틈새가 있고, 포신은 감암실로부터 2,000 mm 전진한 상태에서 지면에서 1,500 mm 높이에서 발사된다고 가정하였다. 전절 2.
- 성형장약탄착지의 개념설계안은 반지름 3 m, 길이 20 m이며, 한쪽이 밀폐되는 구조로 성형작약탄은 중심부에서 기폭된다고 가정하였다. 기폭에 의한 압력분포만을 해석하기 위하여 탄체가 없는 순수 COMP-B만을 모델링(Bare Charge)하였으며, 해석의 효율과 정밀성을 향상시키기 위하여 Fig.
- 실내시험장 내 터널구간 압력전파에 대한 최악의 조건 설정을 위해 사격진지는 120 mm 날개안정철갑탄으로, 탄착지는 Comp-B 화약을 사용하는 120 mm 대전차고폭탄 대한 해석결과를 이용하여 압력전파 해석을 수행하였다. Fig. 13과 같이 612,000개의 Euler 3차원 요소를 사용하여 감압실로부터 터널을 포함한 성형작약탄착지까지 모델링을 실시하였으며 양 끝단(감암실과 성형작약탄착지)은 닫혀있다고 가정하였다. 2장의 사격 진지 해석 결과를 1차로 Mapping한 후, 해석이 진행되면서 탄 발사 후 탄착지 도착까지의 비행시간을 고려하여 107.
제안 방법
- 본 연구에서는 국내 최초로 건설되는 대구경 전차포탄 사격이 가능한 실내시험장 설계의 신뢰성 확보를 위해서 AutoDyne을 사용하여 전산모사를 이용한 압력분포 해석을 수행하였으며, 해석 조건은 실내시험장 예상 시험 품목 중 포 발사 속도 및 압력이 가장 높은 120 mm 전차포탄 사격하중을 적용하였다.
- 콘크리트 터널구조로 이루어진 실내시험장은 밀폐된 구조 특성으로 사격진지에서의 포 발사 압력과 탄착지역에서의 고폭탄 폭발로 발생된 압력들이 터널 구간을 따라 함께 전파하게 된다. 따라서 본 논문에서는 실내시험장 내에서 전차포 발사 시 사격진지의 압력분포 및 탄착지역에서 폭발 시의 압력분포 해석을 먼저 수행한 후, 이 결과를 이용하여 포 발사와 탄 폭발 시 터널 내부에 가해지는 총 압력을 해석하였으며, 마지막으로 탄도 초기 구간에 설계된 이탈피 멈춤장치에 대한 강도 해석을 수행하는 순으로 실내시험장 압력분포 해석 및 개념 설계를 수행하였다.
- 상기 해석 결과를 야외시험 계측결과와 비교분석을 통하여 타당성을 확인하였으며, 결과 분석을 통하여 사격진지 주위의 압력분포를 제시하였다.
- 이 조건을 적용하여 포구 이탈시의 추진가스의 상태를 분석하기 위하여 강내탄도 프로그램인 PRODAS(Projectile Rocket Ordnance Design & Analysis System)를 사용하여 해석하였다. 추진제의 완전연소를 가정하고 탄약과 포열의 기하학적 모델링으로부터 강내 최고압과 포구속도를 구현할 수 있도록 추진제의 웹(Web)크기, 연소율 지수 등 각종 변수를 조절하여 해석을 수행하였다. Fig.
- 압력파가 실내시험장 벽면에 도달하기 전(포구 중심으로부터 2 m)까지의 과정을 2차원 축대칭으로 AutoDyne 코드를 사용하여 해석을 수행하였다. 전절 2.
- 압력파가 실내시험장 벽면에 도달하기 전(포구 중심으로부터 2 m)까지의 과정을 2차원 축대칭으로 AutoDyne 코드를 사용하여 해석을 수행하였다. 전절 2.1의 해석결과를 이용하여 포열과 함께 탄두가 포신의 끝에 도달할 때의 압력과 속도(1,794.7 m/sec)를 초기값으로 포신 해석을 진행하였으며, 약 40만개의 오일러(Euler) 요소와 25개의 라그랑지(Lagrange) 요소를 커플링[7]하여 Fig. 3과 같이 모델링하였다.
- 해석 결과를 시험 계측 결과와 비교하기 위하여 폭압 센서(PCB-137A23, 50 psi)를 포구 측면으로부터 2 m(1 m 지점은 센서 파손 가능성으로 삭제) 지점에 설치한 후, 120 mm 대전차고폭탄을 사격하여 폭압을 계측하였다. 해석과 시험에 의한 게이지압(Over Pressure)은Table 1과 같다.
- 실내시험장의 사격진지는 사격준비 및 장전 등의 업무를 수행하는 진지 부분과 실제 포가 발사되는 감압실로 이루어져 있으며, 사격 시 안전 확보를 위하여 진지와 감압실 사이는 포열이 지나갈 수 있는 정도의 공간만을 확보한 후 방폭문으로 차단하여 사격을 진행하도록 설계되었다.
- 따라서 진지와 감압실로 이루어진 사격진지의 3차원 해석을 위하여, 감압실과 진지 사이에는 200 mm의 틈새가 있고, 포신은 감암실로부터 2,000 mm 전진한 상태에서 지면에서 1,500 mm 높이에서 발사된다고 가정하였다. 전절 2.2의 2차원 해석 결과로부터 이를 3차원 공간상에 Mapping기법을 적용하여 Fig. 6과 같이 3차원 오일러리안 메쉬(약 384,000개)를 사용하여 해석을 진행하였으며, 오일러의 Void 영역으로의 공기 유출을 막기 위하여 12,279개의 더미 라그랑지 요소를 사용하였다.
- 시간의 경과에 따른 각종 변수를 관측하기 위하여 진지 및 방폭문 감압실에 일정한 간격으로 Gauge Point를 설치하였으며, 해석 결과 감압실에서 압력이 가장 높게 작용하는 부분은 방폭문의 모서리(Fig. 6의 원표시 지점)로 Fig. 7과 같이 최대 절대압 168 kPa이 작용하였으며, 압력파는 시간에 따라 반사와 간섭에 의한 진동 및 감쇄과정을 거처 일정한 수준으로 수렴하였다.
- 위와 같은 방법으로 사격 진지 내의 위치에 따른 압력분포를 확인할 수 있으며, 이를 적용하여 진지, 감압실, 방폭문의 요구조건을 설계에 반영하였다.
- 8과 같은 방호 구조(성형작약탄착지)가 설계에 적용되어야 한다. 이러한 구조 설계를 위하여 대전차고폭탄에 의한 폭발현상 전산모사를 실시하여 실내시험장에서 대전차고폭탄의 폭발에 의한 압력분포를 예측, 성형작약탄착지의 개념 설계에 활용되었다.
- 전산모사에 의한 해석의 폭압 조건은 실내 시험장 운용예상 품목 중 폭발 압력이 가장 높은 Comp-B 화약이 2.1 kg 충전된 120 mm OOO용 대전차고폭탄을 기준으로, 성형작약탄착지와 폭발현상이 축대칭임을 고려하여 2차원 축대칭으로 Eulerian 연산자를 사용하여 해석하였다. 해석의 효율과 정밀성을 향상시키기 위하여 아래와 같은 기법을 포함하여 해석을 수행하였다.
- 성형장약탄착지의 개념설계안은 반지름 3 m, 길이 20 m이며, 한쪽이 밀폐되는 구조로 성형작약탄은 중심부에서 기폭된다고 가정하였다. 기폭에 의한 압력분포만을 해석하기 위하여 탄체가 없는 순수 COMP-B만을 모델링(Bare Charge)하였으며, 해석의 효율과 정밀성을 향상시키기 위하여 Fig. 9와 같이 우선적으로 제한적 공간(반경 1.5 m, 길이 3 m 구간)에 500,000개의 Eulerian Cell을 사용하였다.
- 3.1절의 초기 폭발해석 결과로부터 성형작약탄착지 공간상에 Mapping기법을 적용하여 오일러리안 메쉬(약 172,000개)로 연결 후 해석을 계속 진행하였다. Fig.
- 실내시험장 내 터널구간 압력전파에 대한 최악의 조건 설정을 위해 사격진지는 120 mm 날개안정철갑탄으로, 탄착지는 Comp-B 화약을 사용하는 120 mm 대전차고폭탄 대한 해석결과를 이용하여 압력전파 해석을 수행하였다. Fig.
- 13과 같이 612,000개의 Euler 3차원 요소를 사용하여 감압실로부터 터널을 포함한 성형작약탄착지까지 모델링을 실시하였으며 양 끝단(감암실과 성형작약탄착지)은 닫혀있다고 가정하였다. 2장의 사격 진지 해석 결과를 1차로 Mapping한 후, 해석이 진행되면서 탄 발사 후 탄착지 도착까지의 비행시간을 고려하여 107.61 ms 경과 후에 3장의 탄착지에서의 탄 폭발시의 압력 해석결과를 Mapping하여 전체 터널구간에 대한 압력 계산을 수행하였다.
- 이탈피 멈춤장치(Sabot Stop)는 실내시험장에서 날개 안정철갑탄을 발사할 때 수반되는 이탈피의 고속 분산으로부터 콘크리트 구조물을 보호하여 시험장의 구조적 안전성을 확보하기 위해 포구 전방에 설치하는 강철 소재의 구조물로써, 충분한 내충격성을 보장할 수 있도록 설계되어야 한다. 이를 위해서, AutoDyne으로 80,926개의 Solid Lagrangian 요소와 180,061개의 Shell Lagrangian 요소를 사용하여 Fig. 15와 같이 모델링하여, 이탈피 충돌장치에 대한 관통해석을 수행하였다. 해석조건은 가장 악조건인 경우를 고려하여 120 mm 날개안정철갑탄의 이탈피가 1,800 m/s속도로 각각 두께 100 mm, 150 mm, 200 mm 이탈피 멈춤장치에 수직으로 충돌하는 것을 가정하였으며, 이탈피와 함께 폭압(감압실에서 계산된 최대폭압 168 kPa)이 작용되도록 경계조건을 부여하였다.
- 15와 같이 모델링하여, 이탈피 충돌장치에 대한 관통해석을 수행하였다. 해석조건은 가장 악조건인 경우를 고려하여 120 mm 날개안정철갑탄의 이탈피가 1,800 m/s속도로 각각 두께 100 mm, 150 mm, 200 mm 이탈피 멈춤장치에 수직으로 충돌하는 것을 가정하였으며, 이탈피와 함께 폭압(감압실에서 계산된 최대폭압 168 kPa)이 작용되도록 경계조건을 부여하였다.
- 해석결과, 두께 100 mm, 150 mm 이탈피멈춤장치는 이탈피가 관통하였으나, 200 mm 멈춤장치는 관통되지 않았다. 그러나 이탈피 멈춤장치의 안전성, 경량화, 유지보수 등을 위하여 두께 100 mm의 강판을 이용하되 Fig. 15와 같이 원통형의 돌기를 적용하여 상당두께(접촉면 돌기부분)가 200 mm가 되도록 충돌판을 보강해 주는 개념을 설계에 적용하였다.
- (1) 120 mm 날개안정철갑탄과 대전차고폭탄을 이용하여 사격진지와 탄착지역에서의 전산모사를 수행하였으며, 실제 시험결과와 비교하여 해석 결과의 타당성을 검증하였다. 또한, 사격진지와 탄착지에 대한 각각의 압력 해석결과를 이용하여 실내시험장 터널 내의 압력전파 특성을 분석을 위한 데이터로 활용하였다.
- (1) 120 mm 날개안정철갑탄과 대전차고폭탄을 이용하여 사격진지와 탄착지역에서의 전산모사를 수행하였으며, 실제 시험결과와 비교하여 해석 결과의 타당성을 검증하였다. 또한, 사격진지와 탄착지에 대한 각각의 압력 해석결과를 이용하여 실내시험장 터널 내의 압력전파 특성을 분석을 위한 데이터로 활용하였다.
- (4) 날개안정철갑탄을 고려한 이탈피 멈춤장치(Sabot Stop) 해석 결과, 200 mm 두께의 강판에서만 관통이 되지 않는 것으로 나타났다. 하지만, 장치의 안전성, 경량화, 유지보수 성능확보를 위해 충돌면의 상당두께(접촉면 돌기부분)를 200 mm로 되도록 보강하는 설계를 적용하여, 실내시험장 구조물 파손을 방지할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 120 mm 전차포탄은 날개안정철갑탄(APFSDS-T :Armour Piercing, Fin Stabilized, Discarding Sabot-Tracer)과 대전차고폭탄(HEAT-T : High Explosive Anti TankTracer), 두 종류에 사용한다. 날개안정철갑탄은 운동에너지에 비례하여 관통력이 증가함으로 추진압력과 포구속도가 상대적으로 높으며, 사격진지에 대한 압력해석과 이탈피 멈춤장치(Sabot Stop)에 대한 강도 해석모델로 날개안정철갑탄을 사용하였다.
- 의 다양한 기능을 부여하기 위하여 실시설계 단계에서는 안전계수 10을 적용하였다. 따라서 탄착지 내부에 설치되는 성형작약탄착지는 반지름 3 m, 길이 20m, 그리고 두께 50 mm의 원통형 고탄소강으로 제작되도록 설계하였다.
데이터처리
- 이 조건을 적용하여 포구 이탈시의 추진가스의 상태를 분석하기 위하여 강내탄도 프로그램인 PRODAS(Projectile Rocket Ordnance Design & Analysis System)를 사용하여 해석하였다.
- 해석 결과의 타당성을 분석하기 위하여 실제 시험계측결과[8]와 비교하였다. 폭풍형 화약 Tritonal 2 kg의 내폭풍압시험(Internal Blast) 결과로부터, 3.
이론/모형
- 대표적인 폭발압력 해석 프로그램으로는 유체동력학(Hydrodynamics) 코드로 알려진 LS-DYNA와 AutoDyne 등이 있다. 이 중 AutoDyne은 유한요소법(Finite Element Method)을 사용하여 4가지의 지배방정식(질량, 운동량, 에너지 보전법칙 및 상태방정식)을 외연적 시간적분법(Explicit Time Integration)으로 계산한다. 또한, 폭발압력 해석에 요구되는 다양한 재료 물성 데이터베이스를 제공하므로 방호 구조물, 철근 콘크리트 구조 및 부재에 대한 폭발 효과와 거동, 폭발 저항 성능에 대한 수치 해석등의 연구 논문에서도 활발히 사용되고 있다[3-6].
- 120 mm 전차포탄은 날개안정철갑탄(APFSDS-T :Armour Piercing, Fin Stabilized, Discarding Sabot-Tracer)과 대전차고폭탄(HEAT-T : High Explosive Anti TankTracer), 두 종류에 사용한다. 날개안정철갑탄은 운동에너지에 비례하여 관통력이 증가함으로 추진압력과 포구속도가 상대적으로 높으며, 사격진지에 대한 압력해석과 이탈피 멈춤장치(Sabot Stop)에 대한 강도 해석모델로 날개안정철갑탄을 사용하였다. 대전차고폭탄(성형작약탄)은 표적에 탄착하는 순간 고온, 고압의 폭발에너지를 이용하여 관통력이 생성되므로, 탄착지역에서 고폭탄 폭발 시 발생하는 폭발압력을 해석하기 위한 모델로 사용하였다.
- 날개안정철갑탄은 운동에너지에 비례하여 관통력이 증가함으로 추진압력과 포구속도가 상대적으로 높으며, 사격진지에 대한 압력해석과 이탈피 멈춤장치(Sabot Stop)에 대한 강도 해석모델로 날개안정철갑탄을 사용하였다. 대전차고폭탄(성형작약탄)은 표적에 탄착하는 순간 고온, 고압의 폭발에너지를 이용하여 관통력이 생성되므로, 탄착지역에서 고폭탄 폭발 시 발생하는 폭발압력을 해석하기 위한 모델로 사용하였다.
- ② 압력전파가 실내시험장 벽체에 도달시점부터 상기 해석 결과를 Mapping 기법을 사용하여 전체(Coarse Mesh) 해석.
성능/효과
- 전산 해석은 날개안정철갑탄, 실 사격 계측은 대전차고폭탄으로 수행하였지만, 포구 전방에서의 압력파와 거동 및 분포, 포구 이격거리 2 m 지점에서의 압력수치 비교로부터 본 해석의 타당성을 평가할 수 있다. 또한, 실 사격 계측시 포구 측면 3 m, 5 m 지점에 대한 압력측정을 실시한 결과 25.5 kPa 및 13.4 kPa로 나타나, 포구 주변에 대한 압력은 거리에 따라 급격히 감소함을 알 수 있다.
- 해석 결과, 탄착지 내에서의 폭발압력(파)은 약 3,000 m/s의 속도로 전파되어 기폭지점 원주방향 지점(기폭지점으로부터 3 m 지점)에서 최대 절대압 445 kPa의 압력이 작용하였으며, 이후로는 반사의 영향으로 진동과 감쇄를 나타내었다.
- 와 비교하였다. 폭풍형 화약 Tritonal 2 kg의 내폭풍압시험(Internal Blast) 결과로부터, 3.6 m 이격된 위치에서 최대압력은 715 kPa으로 계측되었으며, 해석 결과와 비교하였을 때, 38%의 오차가 존재하지만 해석 결과는 충분히 타당성이 있는 것으로 판단된다.
- 3.2절의 해석 결과로부터 성형작약탄착지에 작용되는 최대 내압은 445 kPa임을 확인하였다. 항복강도 300 MPa의 일반탄소강을 소재를 사용하면 내압 용기 응력공식(t = p ․ r/σ)에 따라 최소 두께는 4.
- 사격진지에서 탄 발사 후 약 2.7초까지 압력 해석을 수행하였으며 해석 결과, 양단 위치(감암실과 성형작약탄착지)에서 발생된 압력파는 음속의 속도(331.5m/s)의 속도로 각각 터널 구간을 진행하였으며, 진지에서 125 m 지점에서 두 개의 압력파가 중첩하면서 114 kPa(과압으로는 0.13 bar)의 가장 높은 압력이 발생되었다.
- 터널내의 공기의 속도는 탄 폭발 직후 최대 20 m/s였으나, 진지에서 발생되는 공기속도 성분과 중첩 및 반사과정을 거치면서 2.7초 후에는 최대 6 m/s의 속도로 감쇄되었다. 이는 사격 직후, 터널 내에 다소의 공기 유동이 유지될 것이 예상된다.
- 해석결과, 두께 100 mm, 150 mm 이탈피멈춤장치는 이탈피가 관통하였으나, 200 mm 멈춤장치는 관통되지 않았다. 그러나 이탈피 멈춤장치의 안전성, 경량화, 유지보수 등을 위하여 두께 100 mm의 강판을 이용하되 Fig.
- (2) 대전차고폭탄(성형작약탄)을 적용한 성형작약탄착지에서의 고폭탄 폭발 시 발생하는 폭발압력을 해석한 결과, 탄착치내 폭발압력은 최대 445 kPa로 나타났으며, 실제 시험 계측결과와 비교하였을 때 해석 결과의 타당성이 있다고 판단된다. 따라서 성형작약탄착지는 안전계수와 안전율등을 고려하여 반지름 3 m, 길이 20 m, 두께 50 mm의 원통형 고 탄소강으로 제작해야 하는 것으로 나타났다.
- (2) 대전차고폭탄(성형작약탄)을 적용한 성형작약탄착지에서의 고폭탄 폭발 시 발생하는 폭발압력을 해석한 결과, 탄착치내 폭발압력은 최대 445 kPa로 나타났으며, 실제 시험 계측결과와 비교하였을 때 해석 결과의 타당성이 있다고 판단된다. 따라서 성형작약탄착지는 안전계수와 안전율등을 고려하여 반지름 3 m, 길이 20 m, 두께 50 mm의 원통형 고 탄소강으로 제작해야 하는 것으로 나타났다.
- (3) 대전차고폭탄(성형작약탄)을 고려한 터널구간 압력전파 해석 결과, 탄 발사 후 양단 위치(감압실 및 성약작약탄착지)에서 발생된 압력파가 발사진지로부터 125 m 지점에서 중첩되며 114 kPa의 압력이 발생되었으며, 0.6초를 주기로 중첩/반사가 이루어졌다. 또한 터널 내 공기의 속도는 탄 폭발 직후 20m/s에서 2.
- (4) 날개안정철갑탄을 고려한 이탈피 멈춤장치(Sabot Stop) 해석 결과, 200 mm 두께의 강판에서만 관통이 되지 않는 것으로 나타났다. 하지만, 장치의 안전성, 경량화, 유지보수 성능확보를 위해 충돌면의 상당두께(접촉면 돌기부분)를 200 mm로 되도록 보강하는 설계를 적용하여, 실내시험장 구조물 파손을 방지할 수 있도록 하였다.
후속연구
- 모든 해석결과는 실내시험장 설계, 건설에 반영되었으며 완공 후 운용 시 적극적으로 활용될 것이다.
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