[논문]포신 길이와 탄약 압력에 따른 포신 내부 유동 특성 연구

정희철; 김경록; 강요한; 반영우; 정덕형

doi:10.5762/kais.2018.19.11.513

초록
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본 논문은 포신의 길이 및 발사되는 탄약의 압력에 따른 포신 내부 및 배연기의 유동 특성에 대한 연구 내용이다. 탄약 설계 전 포신길이 및 탄약 압력에 따른 배연기의 유동 특성을 분석함으로서 탄약 운용 간 발생할 수 있는 Flareback 현상을 사전에 예방 할 수 있으며, 기존 탄약의 설계 요소인 속도, 정확도, 관통성능, 사거리 외에 운용성 향상을 위한 포신과 탄약의 호환성이 탄약 설계의 주요 요소임을 추가로 도출하였다. 유동 해석 수행 결과 포신 길이가 길고, 사격되는 탄약의 압력이 낮을수록 포신의 배연기 작동시간이 느려져 전투차량 내부로 추진제 가스가 들어올 확률이 높아짐을 확인하였다. 따라서, 본 연구를 통해 확인 된 포신 길이 및 탄약 압력에 의한 배연기 유동 특성 상관관계 해석 기법은 신규 탄약 설계 시 운용성 향상을 위한 주요 요소로 고려되어 탄약의 무게 결정과 추진제 압력 선택에 활용이 가능 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research concerns the characteristics of tank barrel inner flow according to the barrel length and the pressure of ammunition when fired. By analyzing the flow characteristics of the bore evacuator according to barrel length and ammunition pressure regarding ammunition design, it is possible to...

This research concerns the characteristics of tank barrel inner flow according to the barrel length and the pressure of ammunition when fired. By analyzing the flow characteristics of the bore evacuator according to barrel length and ammunition pressure regarding ammunition design, it is possible to prevent the flareback phenomenon that may occur during ammunition operation. Through bore evacuator flow analysis by barrel length and ammunition pressure, we identified key design factors concerning barrel and ammunition compatibility including speed, accuracy, penetration performance and range. Test results found if barrel length is long and ammunition pressure is low, bore evacuator operation time is slow. Therefore, there is a high probability that propellant gas will enter the battle vehicle. Therefore, the correlation analysis method of bore evacuator flow characteristics based on barrel length and ammunition pressure is considered as a primary method to improve operational performance. When designing new ammunition, the correlation analysis method will be used to determine ammunition weight and select the propellant pressure.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Bore Evacuator
그림 Fig. 2. Bore Evacuator Mechanism and Flareback Phenomenon
그림 Fig. 3. Barrel Two Dimensional Axisymmetric Simplification
그림 Fig. 4. Barrel Node Modeling
그림 Fig. 5. Geometries of Gun Barrel and Boundary Conditions
그림 Fig. 6. Barrel P-T Graph
그림 Fig. 7. High/Low Pressure Ammunition P-T Graph
그림 Fig. 8. Pressure Contours Comparison between 44 Caliber Length and 55 Caliber Length per time
그림 Fig. 9. Bore Evacuator Pressure Contours Comparison between 44 Caliber Length and 55 Caliber Length per time
그림 Fig. 10. Pressure in Gun Barrel and Evacuator with the Variation of Time
그림 Fig. 10. Pressure Contours Comparison between Low and High Pressure Ammo per time
그림 Fig. 11. Bore Evacuator Pressure Contours Comparison between Low and High Pressure Ammo per time
그림 Fig. 12. Pressure in Gun Barrel and Evacuator with the Variation of Time

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 시간 변화를 고려한 포신 길이 및 사격 되는 탄약의 압력 차이별 강내 유동특성을 분석하였다. 포신 길이 및 사격되는 탄약의 압력에 따라 탄약의 이탈 시점, 배연기의 충진 압력 및 작동시간에 영향이 있는 것을 확인하였다.

가설 설정

포신 길이 및 사격되는 탄약의 압력에 따라 탄약의 이탈 시점, 배연기의 충진 압력 및 작동시간에 영향이 있는 것을 확인하였다. 포신길이가 짧고 탄약의 압력이 높을수록 배연기 작동시간은 빠르다. 또한, 동일포신의 경우 탄약의 압력이 높을 경우 배연기의 압력도 높아 포신 배연 성능이 향상됨을 확인되었다.

제안 방법

이러한 사유로 포신과 탄약의 호환성 분석을 효과적으로 수행하기 위해 유동 해석 시뮬레이션을 통한 검토 방법을 적용하였다. 본 연구에서는 포신길이 및 탄약 압력에 따른 배연 특성 분석을 위해 시간 변화를 고려한 1자유도 강체 동역학 및 전산유체해석의 연성해석을 수행하였다. 해석 된 결과를 통해 포신 길이 및 탄약의 압력 차이에 따른 포신 내부와 배연기의 작동특성에 미치는 영향을 분석하였다.
7과 같이 고압탄(60,000psi) /저압탄(45,000psi)의 실제 사격 시 측정된 탄약의 약실 내 압력 선도를 적용하였다. 연소가스의 온도(3,054.1K), 비열비(1.2425), 분자량(23.326 kg/mol)은 CEA코드의 결과 값을 적용하였고 포탄은 실제 사용하는 탄의 질량 물성을 고려하여 해석하였다.
이러한 호환성 분석은 실제 사격을 통해 가능하나 배연기 및 포신 강내 특성 데이터 확보를 위한 계측장비 설치 및 분석이 매우 어렵고 많은 비용과 시간이 소요되며 폭발물 취급으로 인해 안전사고의 우려가 크다. 이러한 사유로 포신과 탄약의 호환성 분석을 효과적으로 수행하기 위해 유동 해석 시뮬레이션을 통한 검토 방법을 적용하였다. 본 연구에서는 포신길이 및 탄약 압력에 따른 배연 특성 분석을 위해 시간 변화를 고려한 1자유도 강체 동역학 및 전산유체해석의 연성해석을 수행하였다.
본 연구에서는 포신길이 및 탄약 압력에 따른 배연 특성 분석을 위해 시간 변화를 고려한 1자유도 강체 동역학 및 전산유체해석의 연성해석을 수행하였다. 해석 된 결과를 통해 포신 길이 및 탄약의 압력 차이에 따른 포신 내부와 배연기의 작동특성에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

해석에 사용한 격자는 Fig. 5와 같이 정렬격자 로 사용하였고 격자수는 151,259개로 구성하였다. 탄은 중첩격자(Overset grid)를 사용하여 포신 내부와 자유류 부분에서 1자유도 거동이 가능할 수 있도록 구성하였다.
4와 같이 포신 내부, 배연기 및 외부의 자유류 영역을 포함하였다. 모델은 포신 길이별 유동 특성 및 탄의 거동 특성을 비교하기 위해 44구경장과 55구경장 두 가지로 구성하였다. 해석 모델에서 노즐의 면적은 실제 포신의 배연기 노즐 면적을 적용 하였으나 2차원 축대칭 해석이기 때문에 기하학적 상사는 불가능하다.

데이터처리

점성 유속 벡터를 계산하기 위해 Roe의 상류 차분기법을 적용하였으며, 시간은 국소시간전진 기법을 사용하여 해석을 수행하였다. 사용프로그램은 전처리(CFD-GEOM), 계산(CFD-FASTRAN 압축성 기반 솔버), 후처리(CFD-VIEW)를 적용하였다.

이론/모형

또한, 상대운동이 있는 비정상상태 유동장 해석을 위해 아래와 같이 적분형태인 오일러(Euler)방정식을 사용 하였다.
또한 V 는 체적을 나타내고, S는 제어표면, #은 바깥방향으로의 법선벡터, V_g는 격자의 속도를 나타낸다. 점성 유속 벡터를 계산하기 위해 Roe의 상류 차분기법을 적용하였으며, 시간은 국소시간전진 기법을 사용하여 해석을 수행하였다. 사용프로그램은 전처리(CFD-GEOM), 계산(CFD-FASTRAN 압축성 기반 솔버), 후처리(CFD-VIEW)를 적용하였다.
해석에서 사용한 방정식은 연속방정식, 상태방정식, 운동량 방정식, 에너지방정식을 고려하였으며 그 수식은 다음과 같다.

성능/효과

동일 압력의 탄약이 사격 될 경우(탄약 속도 동일) 포신 길이가 짧은 44구경에서 탄약의 포신 이탈이 빠르며, 동일 시간 포신 내부 압력은 55구경 포신 압력이 높은 것을 확인 할 수 있다. 시간별 44구경장 및 55 구경장 배연기 내부의 압력에 대한 해석결과는 Fig.
포신길이가 짧고 탄약의 압력이 높을수록 배연기 작동시간은 빠르다. 또한, 동일포신의 경우 탄약의 압력이 높을 경우 배연기의 압력도 높아 포신 배연 성능이 향상됨을 확인되었다. 이러한 해석 결과는 기존 탄약 개발 시 속도, 정확도, 관통성능, 비행성능에 국한된 탄약의 기본적 설계요소에서 포신 배연기 작동 성능에 대한 장비와 탄약의 호환성 측면이 주요 설계 요소로서 추가 검토 되어야 한다는 것을 의미한다.
본 연구에서는 시간 변화를 고려한 포신 길이 및 사격 되는 탄약의 압력 차이별 강내 유동특성을 분석하였다. 포신 길이 및 사격되는 탄약의 압력에 따라 탄약의 이탈 시점, 배연기의 충진 압력 및 작동시간에 영향이 있는 것을 확인하였다. 포신길이가 짧고 탄약의 압력이 높을수록 배연기 작동시간은 빠르다.
10은 포신 길이 차이에 따른 배연기의 평균 압력 (점선)과 배연기 내부 압력(실선)을 나타낸 결과이다. 포신 길이 차이로 포신 내부의 압력은 55구경 포신이 44구경 포신에 비해 높게 형성되고 배연기 내부 평균 압력도 55구경장이 높음을 확인 할 수 있다. 이때 배연기의 압력은 탄약의 포신 이탈 이후에도 포신 내부에 잔류하는 압력이 계속 유입되어 배연기의 압력이 지속적으로 증가 한다.

후속연구

하지만 전투차량의 운용 측면에서는 포신의 길이 증가는 곧 포신 내부의 체적 증가로 이어져 포신 내부 압력 및 배연기 작동 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 사격되는 탄약 종류에 따른 압력 차이로 배연기의 동작 특성의 차이가 발생되어 추진제 가스가 전투차량 내부로 유입되어 전투차량 운용상 문제가 발생 할 수 있다. 국외 연구 자료 확인 결과 탄약 사격 후 포신 약실 내 초기 압력이 배연기 성능에 미치는 영향 및 배연기의 작동 특성 연구[1-3], 배연기 조립 조건에 따른 배연기 특성 연구[4]에 대한 자료는 존재하나, 포신길이와 탄약 압력에 따른 운용 호환성에 대한 연구 부족으로 운용 호환성 측면의 기술적 검토가 요구된다. 전투차량 포신의 배연기(Bore Evacuator)란 사격 후 포신 내부에 남아 있는 탄약 추진제 가스를 외부로 배출시켜 주는 장치로 Fig.
본 연구를 통해 탄약 설계 시 강내 유동 특성을 고려한 포신-탄약 호환성 설계 요소 추가 도출로 국내 개발 탄약에 대한 개발 품질 향상에 도움이 될 것으로 판단되며, 신규 탄약 설계 시 강내 유동 특성을 고려한 탄의 무게 결정 및 추진제 압력 결정 등에 효과적인 활용이 가능 할 것으로 판단된다.
본 논문에서 수행한 해석방법은 2차원 기준으로 실제 포신 및 배연기 유동특성과는 차이가 있을 수 있으나, 탄약 개발 시 배연기 및 포신 강내 유동해석 기법 적용을 통해 기존 양산 되어 운용되고 있는 탄약과 신규 개발 탄약의 유동 특성을 설계 단계에서 비교 할 수 있다. 현재 군에서 운용중인 강내 유동에 특이사항이 발생하지 않은 기존 탄약의 충분한 실사격 운용 데이터를 바탕으로, 신규 개발 탄약의 유동해석을 비교를 통해 개발 탄약이 실제 전투차량 운용 시 나타날 수 있는 배연 특성을 예측하고, 보완 및개선을 통해 Flareback과 같은 현상을 미연에 방지하는 방안으로 활용 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전투차량 탄약 개발 시 고려되는 요소는 무엇이 있는가?	전투차량은 단일 포신에서 사용 목적에 따라 여러 종류의 탄약을 발사하게 되는데, 전투차량 탄약 설계 시 포신이 견딜 수 있는 허용압력 내에서 군의 요구 성능을 만족 시킬 수 있도록 탄약의 속도, 압력, 정확도, 관통 특성 등의 주요 요소가 검토되어 개발된다. 하지만 실제 전투차량의 운용 간 발생 할 수 있는 배연기 작동 성능 및강내 유동 특성과 같이 포신과 탄약의 호환성 부분에 대한 요소는 탄약 개발 시 충분히 반영되지 않는다.
	전투차량의 탄약 개발 시 반영되지 않는 요소는 무엇이 있는가?	전투차량은 단일 포신에서 사용 목적에 따라 여러 종류의 탄약을 발사하게 되는데, 전투차량 탄약 설계 시 포신이 견딜 수 있는 허용압력 내에서 군의 요구 성능을 만족 시킬 수 있도록 탄약의 속도, 압력, 정확도, 관통 특성 등의 주요 요소가 검토되어 개발된다. 하지만 실제 전투차량의 운용 간 발생 할 수 있는 배연기 작동 성능 및강내 유동 특성과 같이 포신과 탄약의 호환성 부분에 대한 요소는 탄약 개발 시 충분히 반영되지 않는다. 예를 들어 탄약 설계 측면에서 전투차량의 포신 길이가 길어 지면 사격 후 추진제 연소 압력이 포탄에 전달되는 시간이 늘어 운동에너지가 증가하게 되고, 이는 탄약의 비행 사거리와 관통성능을 높이는 효과가 있다.
	포신길이 및 탄약 압력에 따른 배연기의 유동 특성을 분석해 얻는 효과는 무엇이 있는가?	본 논문은 포신의 길이 및 발사되는 탄약의 압력에 따른 포신 내부 및 배연기의 유동 특성에 대한 연구 내용이다. 탄약 설계 전 포신길이 및 탄약 압력에 따른 배연기의 유동 특성을 분석함으로서 탄약 운용 간 발생할 수 있는 Flareback 현상을 사전에 예방 할 수 있으며, 기존 탄약의 설계 요소인 속도, 정확도, 관통성능, 사거리 외에 운용성 향상을 위한 포신과 탄약의 호환성이 탄약 설계의 주요 요소임을 추가로 도출하였다. 유동 해석 수행 결과 포신 길이가 길고, 사격되는 탄약의 압력이 낮을수록 포신의 배연기 작동시간이 느려져 전투차량 내부로 추진제 가스가 들어올 확률이 높아짐을 확인하였다.

참고문헌 (5)

Pei and Foo, "Modeling and Simulation of the Gas Charging and Discharging Process on Gun Bore Evacuator", IBS, Vol.7-11, pp.281-286, 2001.
C.A. Andrade, et al, "Theoretical Compressible Flow in Generic Bore Evacuators and Experimental Verification", AIAA, pp. 89-0652, 1989.
C.A. Andrade, et al, "Cannon Bore Evacuator Flow Theory,CFD, and Experimental Verification", AIAA, pp. 92-0832, 1992.
David A. Porter, "Characterization of M256 Bore Evacuator Performance, Technical Report". ARCCB-TR-91023, U.S.Army ARDEC, Benet Laboratories, 1991.
US Army, "PS Magazine The Preventive Maintenance Monthly", TB 43-PS-682, pp.2-3, 2009.

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