[논문]전자식 점화안전장치 회로부 설계 및 검증

김학성; 황정민; 장승교; 김재훈; 황대규

doi:10.9766/kimst.2018.21.6.857

전자식 점화안전장치 회로부 설계 및 검증
The Design and Test of the Electronic Arm Fire Device Circuit 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.6, 2018년, pp.857 - 864

김학성 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 황정민 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 장승교 (국방과학연구소 제4기술연구본부) , 김재훈 ((주)한화 구미사업장 개발 1팀) , 황대규 ((주)한화 구미사업장 개발 1팀)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes about the circuit design and test of the electronic Arm Fire Device. Electronic arm fire device consists of igniter, circuit and housing case and it operates without the actuator such as torque motor or solenoid. A high-voltage DC-DC converter was used to generate the voltage for initiating the LEEFI(Low Energy Exploding Foil Initiator). The MEMS switch was used to detect the acceleration that occurs when missile is launched, and the circuit was designed considering the size, performance, and specification of the electronic devices. The performance test was conducted to verify the designed circuit and we confirmed that it operates well.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Electronic arm fire device diagram
그림 Fig. 2. Electronic operation sequence
표 Table 1. Arm fire device specification
그림 Fig. 3. Circuit diagram
그림 Fig. 4. Signal timing chart
그림 Fig. 5. MEMS switch model
그림 Fig. 6. Arm/Fire test diagram
그림 Fig. 7. MEMS switch test diagram
그림 Fig. 8. EMC test diagram
그림 Fig. 9. Arm/Fire test result(High voltage)
표 Table 2. EMC test requirements
그림 Fig. 10. Arm/Fire test result(Current)
그림 Fig. 11. MEMS switch test result
그림 Fig. 12. EMC test result

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 전자식 점화안전장치의 전반적인 구성 및 작동개념과 점화안전장치를 구성하는 회로부의 설계 내용을 기술하였고 장전/출력 시험, MEMS 스위치 성능 시험, EMC 시험을 통해 성능을 검증하였다.
본 논문에서는 전자식 점화안전장치의 회로부 설계와 장전/출력 성능시험, MEMS 스위치 성능시험, EMC 시험을 통한 점화안전장치의 전반적인 성능검증에 관하여 기술하였다. 시험 항목에서 목표 성능치를 만족하는 결과를 보였으며 추가 환경시험으로 안정성을 보증하며 CBT(Closed Bomb Test)를 통한 점화성능을 확인할 예정이다.
EMC 시험은 전자기 간섭과 전자기 내성 시험이 포함되며 전자기 노이즈의 방출량이 규격에서 정한 기준 이하인지, 외부의 전자기 노이즈 환경에서 성능을 유지할 수 있는지를 검증한다. 점화안전장치가 운용될 환경을 고려한 MIL-STD-416F의 Ground, Army에 규정된 항목에 관하여 시험을 진행하였다. 해당 규정에서 명시한 특성 요구조건은 다음과 같다.

제안 방법

4) 오실로스코프 및 디지털미터를 이용하여 장전회로 및 기폭회로 각 부위를 측정한다.
전자식 점화안전장치는 전자회로를 포함하고 있어 전자기 노이즈에 대한 안정성을 확보해야 하며 노이즈에 대한 점화안전장치의 정상작동을 검증하기 위하여 EMC(Electro Magnetic Compatibility) 시험을 수행하였다. EMC 시험은 전자기 간섭과 전자기 내성 시험이 포함되며 전자기 노이즈의 방출량이 규격에서 정한 기준 이하인지, 외부의 전자기 노이즈 환경에서 성능을 유지할 수 있는지를 검증한다. 점화안전장치가 운용될 환경을 고려한 MIL-STD-416F의 Ground, Army에 규정된 항목에 관하여 시험을 진행하였다.
전자파 간섭에 대한 회로의 안정성 확보를 위하여 전원회로 입력단에 LC 필터를 설계하여 고주파노이즈를 제거하였다. LC 필터 설계 시 L(Inductance),C(Capacitance) 값에 따른 Cut-off frequency는 다음 식과 같고 회로에 영향을 주는 주파수 영역을 파악하여 필터를 설계하였다.
7과 같다. 가속도 테이블에 MEMS 스위치를 설치하고 정확한 가속도 측정을 위해 MEMS 스위치 위치에 모니터링용 가속도 센서를 장착하였다.
점화안전장치의 목표성능, 크기, 설계조건을 만족하기 위해 전자소자들의 정격전압, 성능, 크기 등을 고려하여 회로를 설계하였고 FPCB(Flexible Printed Circuits Board)를 사용하여 공간의 활용성을 높였다. 각 부품을 전기적으로 제어하기 위해 마이크로컨트롤러를 사용하였고 제어 코드를 설계하여 탑재하였다. 마이크로컨트롤러에서 처리하는 신호들의 타이밍 차트는 Fig.
장전회로는 유도탄이 발사관으로부터 사출될 때 발생하는 가속도를 감지하고 점화안전장치의 작동 여부를 판단하여 고전압 충전 신호와 Trigger 신호를 생성하는 역할을 한다. 기존의 상용 가속도 센서는 점화 안전장치에 적용하기에는 크기 제한이 있고 별도의 동작 전원이 필요하기 때문에 점화안전장치 소형화에 적합하지 않아 MEMS 가속도 스위치를 적용하였다^[8]. MEMS 가속도 스위치의 개념도는 Fig.
마이크로착화기는 고전압을 에너지원으로 사용하는 방전포일 착화기 형태로 제작하였고 격벽 착화기를 추가 설계하여 두 개의 착화기가 차례로 기폭 될 때만점화기가 점화된다. 회로부는 전원회로, 장전회로, 기폭회로로 구성되며 각각 점화안전장치 작동을 위한 전압 생성, 신호 유효성 판단, 장전회로 작동 신호 생성,고전압 생성 및 착화기 기폭 역할을 한다.
기폭회로는 점화안전장치의 최종 동작 단계를 담당하며 오작동 발생 시 우발점화 혹은 미점화를 일으킨다. 이를 방지하기 위해 고전압을 견딜 수 있는 고전압용 스위치(MCT : MOS Controlled Thyristor)를 커패시터와 마이크로착화기 사이에 설계하였고 추가적인 스위칭소자를 배치하여 신호가 여러 단계를 거쳐 전달되도록 안정성을 강화하였다.
장전/출력성능 시험으로 고전압 충전시간, 충전전압,기폭출력크기, 펄스폭을 측정한다. 시험 결과를 통해 회로부 내의 마이크로컨트롤러 정상작동 여부와 고전압 발생 신호, Trigger 신호 정상 출력 여부 등 회로부의 전반적인 출력 성능을 확인할 수 있다.
장전/출력성능 시험은 점화안전장치 조립 전 회로부 성능 검증이 목적이며 시험 결과 이상이 없으면 회로부, 착화기, 하우징 조립체를 조립한다. 구성도는 Fig.
장전회로와 기폭회로는 필요한 전원이 다르기 때문에 다수의 레귤레이터를 사용하여 각 회로에 필요한 전원을 생성하여 공급하도록 하였다.
전자식 점화안전장치는 전자회로를 포함하고 있어 전자기 노이즈에 대한 안정성을 확보해야 하며 노이즈에 대한 점화안전장치의 정상작동을 검증하기 위하여 EMC(Electro Magnetic Compatibility) 시험을 수행하였다. EMC 시험은 전자기 간섭과 전자기 내성 시험이 포함되며 전자기 노이즈의 방출량이 규격에서 정한 기준 이하인지, 외부의 전자기 노이즈 환경에서 성능을 유지할 수 있는지를 검증한다.
전원회로는 장전신호를 입력받아 장전회로와 기폭회로를 동작하기 위한 안정적인 전원 생성 역할을 한다. 전자파 간섭에 대한 회로의 안정성 확보를 위하여 전원회로 입력단에 LC 필터를 설계하여 고주파노이즈를 제거하였다. LC 필터 설계 시 L(Inductance),C(Capacitance) 값에 따른 Cut-off frequency는 다음 식과 같고 회로에 영향을 주는 주파수 영역을 파악하여 필터를 설계하였다.
점화안전장치에 시험 조건들을 인가하며 점검장비와 오실로스코프를 통해 정상적으로 고전압을 충전하는지 확인한다. 방사시험(CE, RE)의 경우 점화안전장치가 전자파를 최대로 방사하는 장전상태에서 전자파 방사량이 시험 한계치를 만족하지 못할 때, 내성시험(CS, RS)은 커패시터에 충전된 전압이 비정상적으로 떨어질 때를 불합격 판정 기준으로 한다.
점화안전장치의 목표성능, 크기, 설계조건을 만족하기 위해 전자소자들의 정격전압, 성능, 크기 등을 고려하여 회로를 설계하였고 FPCB(Flexible Printed Circuits Board)를 사용하여 공간의 활용성을 높였다. 각 부품을 전기적으로 제어하기 위해 마이크로컨트롤러를 사용하였고 제어 코드를 설계하여 탑재하였다.

이론/모형

X축은 시간(µs), Y축은 전압(V)을 나타내며 측정한 전압은 옴의법칙을 이용하여 전류로 변환하였다.

성능/효과

9는 HV DC-DC 컨버터에서 생성한 고전압을 측정한 결과이며 X축은 시간(ms), Y축은 전압(V)을 나타낸다. 고전압의 출력값과 생성 시간을 측정한 결과는 목표 성능을 충족 하였고 고전압 발생 신호가 정상적으로 출력하는 것을 확인하였다.
X축은 시간(µs), Y축은 전압(V)을 나타내며 측정한 전압은 옴의법칙을 이용하여 전류로 변환하였다. 그 결과 착화기기폭이 가능한 정도로 전류가 흐르는 것을 확인하였고 펄스폭 dt도 설계 조건을 만족하였다. Trigger 신호출력 여부와 고전압용 스위치(MCT)의 정상 작동 여부또한 확인하였다.
장전/출력성능 시험으로 고전압 충전시간, 충전전압,기폭출력크기, 펄스폭을 측정한다. 시험 결과를 통해 회로부 내의 마이크로컨트롤러 정상작동 여부와 고전압 발생 신호, Trigger 신호 정상 출력 여부 등 회로부의 전반적인 출력 성능을 확인할 수 있다. 시험결과는 Fig.
11과 같다. 실선은 레이트 테이블이 회전할 때 발생하는 가속도를 나타내며 점선은 적정 가속도가 발생하였을 때 MEMS 스위치에 흐르는 신호를 나타낸다, 가속도가 증가할 때 특정 가속도 구간에 MEMS 스위치가 작동하는 것을 볼 수 있으며 이 때 MEMS 스위치 내부의 매스와스위치 접점이 도통되어 전류가 흘러 계단 형태의 파장이 나타났다.
12와 같이 정상적으로 고전압을 충전하며 전압 강하 없이 충전상태를 유지하였다. 이를 통하여 전자식 점화안전장치가 전자파 간섭 환경에서 정상작동이 가능한 것을 확인하였다.

후속연구

본 논문에서는 전자식 점화안전장치의 회로부 설계와 장전/출력 성능시험, MEMS 스위치 성능시험, EMC 시험을 통한 점화안전장치의 전반적인 성능검증에 관하여 기술하였다. 시험 항목에서 목표 성능치를 만족하는 결과를 보였으며 추가 환경시험으로 안정성을 보증하며 CBT(Closed Bomb Test)를 통한 점화성능을 확인할 예정이다.
전자식 점화안전장치는 구동부를 전자회로 기판으로 대체하기 때문에 형상을 다양화할 수 있어 공간 활용성이 우수하고 회로부를 구성하는 부품을 소형화한다면 지금보다 더 소형화된 점화안전장치 개발이 가능하고 다양한 추진기관에 활용 할 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고체 추진기 내의 점화장치가 안고 있는 위험성은 무엇인가?	고체 추진기관은 액체 및 하이브리드 추진기관에 비해 구조가 간단하고 저장성과 취급 안정성이 우수하여 주로 유도무기에 사용된다[1]. 고체 추진기관에 충전된 추진제를 점화하는 장치를 점화장치라 하며 적정량의 전기에너지가 인가되면 즉시 점화하는 장점과 전장 환경에서 발생하는 전자기파 간섭 및 표류전압, 정전기 등의 영향으로 우발점화할 수 있다는 위험성을 내재하고 있다[2].
	점화안전장치의 역할은 무엇인가?	점화안전장치(Arm Fire Device)는 위 사례와 같이 전기적 오작동, 정전기, 전자기파 간섭 등의 위협으로부터 추진기관의 우발점화를 방지하고 점화장치의 동작을 정밀하게 제어하는 장치이며[4-6] 장전 기능 수행방식에 따라 기계식, 전기기계식, 전자기계식, 전자식 등으로 분류할 수 있다[6].
	전자식 점화안전장치 설계 시 고려해야 할 요소는 무엇인가?	전자식 점화안전장치는 구동부가 전자부품들로 구성되어 있어 전자기파 및 노이즈신호에 대한 안정성을 마련해야 한다. 특히 특정 입력 조건이 충족될 때만 작동할 수 있도록 회로부를 설계해야 하며 착화기를 기폭 시키기 위한 조건, MEMS 스위치 작동 조건,입력신호 처리 방법 등이 설계 시 고려되어야 한다.

참고문헌 (14)

Hwang J. M., Jang S. G., "Review on the Technical Development of Arm Fire Device," The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences 2016 Spring Conference, pp. 200-203, 2016.
Jang S. G., Lee H. N., Oh J. Y. and Oh S. J., “Design and Output Characteristic Analysis of Electro-Mechanical Ignition Safety Device,” Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 39, No. 12, pp. 1166-1173, 2011.
https://en.wikipedia.org/wiki/1967_USS_Forrestal_fire
"NASA Space Vehicle Design Criteria, Solid Rocket Motor Igniters," National Technical Information Service, Springfield, Virginia, NASA SP-8051, Mar. p. 51, 1971.
Sipes W. J., "Reliable Safe and Arm Devices," AIAA 34th Joint Propulsion Conference, AIAA98-3627, July, 1988.
Jang S. G., Jung J. S. and Kim I. S., "Development of Arm Fire Device for Solid Rocket," The Korean Society of Propulsion Engineers 2005 Fall Conference, pp. 169-172, 2005.
Hwang D. G., Kim J. H., Lee C. I. and Jang S. G., "Study for Miniaturization Technology of Arm Fire Device," The Society of Propulsion Engineers 2016 Fall Conference, pp. 1118-1121, 2016.
Hwang J. M., Jang S. G., "The Design and Development of the Arm Fire Device Without Actuator," The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences 2017 Spring Conference, pp. 146-147, 2017.
Jang J. S., Gil Y. B., Hwang Y. S., Park C. H., Kim J. I. and Jang S. G., "MEMS(Micro Electromechanical Systems) Switch for Ignition SAU(Safe Arm Unit)", The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, pp. 1017-1021, 2012.
Hwang J. K., Ryu D. H., Park C. H., Jang S. G., Lee C. I., and Kim Y, K., "Design and Fabrication of a Silicon-based MEMS Acceleration Switch Working Lower Than 10 g", Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 27, No. 6, 2017.

상세보기
Kim K. J., Kim K. H. and Jang S. G., "Prediction Model and Verification of Explosive Ignition in Exploding foil Initiator System," Proceedings of the 2nd Thermal and Fluid Engineering Conference, TFEC2017, 2017.
Kim K. J., Kim K. H. and Jang S. G., "Prediction and Analysis of Threshold Charging Voltage for Exploding Foil Initiator in Explosive Charge Detonation System," The 2016 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology O, 2016.
https://www.orbitalatk.com/.../propulsion.../orbital_atk_motor_catalog_(2012).pdf
https://www.e2v.com/resources/account/download-literature/124

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표제어: PCR

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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