[논문]가속수명시험을 이용한 다련장 발사대 신뢰도 성장 연구

이용준; 류정민; 손권일; 송석봉; 김상부; 박우재

doi:10.9766/kimst.2019.22.2.241

가속수명시험을 이용한 다련장 발사대 신뢰도 성장 연구
A Study on the Reliability Growth of Multiple Launch Rocket System Using Accelerated Life Testing 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.2, 2019년, pp.241 - 248

이용준 (국방기술품질원 기동화력센터) , 류정민 (국방기술품질원 기동화력센터) , 손권일 (국방기술품질원 기동화력센터) , 송석봉 (국방기술품질원 기동화력센터) , 김상부 (창원대학교 산업조선해양공학부) , 박우재 (창원대학교 산업조선해양공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we aim to check the reliability growth of multiple launch rocket components by the life evaluation. We apply the Crow-AMSAA model to the sets of test data obtained from the development phase. The result of the data analysis shows that the reliability of some components needs to be improved. In order to improve their reliability, we analyze the failure mechanism and change their designs. The verification of the reliability growth for those components is done by analyzing the data sets obtained by the accelerated life tests. As a result, we show that the MTBF of those components is increased and also their reliabilities improved.

주제어

표/그림 (16)

표 Table 1. Summary of failure data
그림 Fig. 1. Estimated MTBF based on OT failure data
그림 Fig. 2. Failure intensity functions based on OT failure data
그림 Fig. 3. Estimated MTBF based on FT failure data
표 Table 2. Results of launcher system OT failure data analysis
그림 Fig. 4. Failure intensity functions based on FT failure data
그림 Fig. 5. Diaphragm damage area
표 Table 3. Results of launcher system FT failure data analysis
그림 Fig. 6. Relay circuit on the fire control computer
그림 Fig. 7. The circuit with the diode connections
그림 Fig. 8. The test configuration for the pressure switch
표 Table 4. The result of the accelerated life test for the hydraulic motor(Cycles)
그림 Fig. 9. Parameter(ƞ, β) estimation for accelerated life data of the hydaulic motor
그림 Fig. 10. The test configuration for the relay circuit
그림 Fig. 11. Parameter(ƞ, β) estimation for accelerated life data of the fire control computer
표 Table 5. The result of the accelerated life test for the fire control computer(Cycles)

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 개발 시험평가 단계 신뢰도 분석을 통하여 신뢰도 개선이 필요한 대상을 선정하고 설계 개선 후 가속수명시험을 수행하여 신뢰도 성장을 검증하는 절차를 보였다. 고장데이터를 분석하여 체계 구성 품목 중 개선이 필요한 핵심 품목을 선정하고, 고장메커니즘 분석 및 설계개선을 수행하였다.
본 연구에서는 개발시험 단계 고장데이터 분석으로부터 체계와 주요 구성품의 신뢰도를 분석하였다. 신뢰도가 낮은 구동유니트와 발사통제장치를 설계개선 대상으로 선정하여 설계를 개선하고 가속수명시험을 활용하여 신뢰도 성장을 확인하였다.
가속수명시험은 시험 대상품목의 신뢰도에 따라 상당한 시험비용, 시료수, 시험기간이 요구될 수 있는 현실적인 문제를 극복하기 위해 가혹한 조건에서 스트레스를 인가하여 시험 대상품목의 수명을 추정하는 시험방식이다. 본 연구에서는 설계를 개선한 구동 유니트의 압력스위치와 전투제어시스템의 릴레이 회로에 대해 가속수명시험을 수행하여 수명 향상 여부를 확인하고자 하였다.
설계개선 대상품목인 구동 유니트의 신뢰도를 향상 시키기 위해 구동 유니트(Level 2)의 하위부품 중 고장이 빈번히 발생하는 유압 전동기(Level 3)를 개선하고자 하였다.

제안 방법

OT와 FT 고장데이터를 분석한 결과, 다련장 발사대 체계의 MTBF가 목표값을 만족하지 못하여 성장 관리가 필요하며, m(T)이 낮은 품목 중 구동유니트와 전투제어시스템에 대하여 고장분석, 설계개선 및 가속수명시험을 수행하였다.
릴레이 접점이 소착되어 제 기능을 발휘하지 못하는 상태를 고장상태로 보았다. 가속인자는 릴레이 스위치에 흐르는 정격 전류의 2, 3, 4배 수준인 4, 6, 8 A를 가속수준으로 설정하였고, 작동온도는 모든 전류조건에서 110 ℃의 온도를 가하여 시험을 수행하였다. 이에 대한 가속수명시험 결과는 Table 5에 나타내었다.
본 연구에서는 개발 시험평가 단계 신뢰도 분석을 통하여 신뢰도 개선이 필요한 대상을 선정하고 설계 개선 후 가속수명시험을 수행하여 신뢰도 성장을 검증하는 절차를 보였다. 고장데이터를 분석하여 체계 구성 품목 중 개선이 필요한 핵심 품목을 선정하고, 고장메커니즘 분석 및 설계개선을 수행하였다. 고장모드 분석으로 가속인자 및 가속수준을 결정하고 가속 수명시험을 수행하였다.
고장데이터를 분석하여 체계 구성 품목 중 개선이 필요한 핵심 품목을 선정하고, 고장메커니즘 분석 및 설계개선을 수행하였다. 고장모드 분석으로 가속인자 및 가속수준을 결정하고 가속 수명시험을 수행하였다. 수명시험 데이터로부터 수명 분포를 분석하고 개선 된 신뢰도를 확인하였다.
에 적용하여 각 시험 단계별 다련장 발사대 체계의 신뢰도를 추정할 수 있었다. 다련장 발사대의 시험 데이터 분석은 E-BOM을 기준으로 체계단위(Level 1)에서 분석 가능한 하위단위까지 품목별로 분류된 고장 데이터를 활용하였고, 추정된 고장간 평균시간 간격을 나타내는 MTBF(Mean Time Between Failures) (m(T)) 를 기준으로 체계의 신뢰도 성장 여부를 확인하였다. 고장데이터 분석은 ReliaSoft사의 신뢰도 성장 분석 프로그램인 RGA(Reliability Growth Analysis)를 이용하였다.
구동 유니트의 고장 분석결과 유압전동기 압력스위치 누유현상에 의한 것으로 고장모드는 압력으로 확인되었고, 고장메커니즘은 다이어프램 손상으로 확인되었다. 따라서 다이어프램 손상 방지를 위해 강구한 개선방안의 효과성을 검증하기 위해 가속수명시험을 수행하였다.
사격과 같은 실제 운용특성을 고려하여 온도 조건을 부여하였으며 릴레이 동작여부를 확인할 수 있도록 신호 계측용 레코더를 활용하였다. 또한, 여러 시험조건에서 확인하기 위해 부하용 가변저항을 연결하였다.
발사통제장치의 고장모드인 인양기를 작동 시 발생 되는 서지 전압을 제거하기 위해 Fig. 7과 같이 회로도에 다이오드를 추가하여 설계를 개선하였다.
고장모드 분석으로 가속인자 및 가속수준을 결정하고 가속 수명시험을 수행하였다. 수명시험 데이터로부터 수명 분포를 분석하고 개선 된 신뢰도를 확인하였다.
본 연구에서는 개발시험 단계 고장데이터 분석으로부터 체계와 주요 구성품의 신뢰도를 분석하였다. 신뢰도가 낮은 구동유니트와 발사통제장치를 설계개선 대상으로 선정하여 설계를 개선하고 가속수명시험을 활용하여 신뢰도 성장을 확인하였다.
우선적으로 구동유니트의 압력스위치 누유 문제에 대한 고장메커니즘 분석을 통하여 압력스위치에 인가되는 압력를 가속인자로 설정하고 가속수명시험을 수행하였다. 전투제어시스템에 대해서는 릴레이 소착 현상 해소를 위해 회로도에 릴레이를 추가하여 설계 개선하였고, 개선 후 수명을 평가하기 위해 릴레이 스위치에 흐르는 전류의 크기를 가속인자로 설정하여 수명을 평가하였다.
유압전동기의 압력스위치 신호가 발생하지 않는 상태를 고장상태로 보았다. 가속인자는 압력으로 가속수준은 정상압력의 1.
5와 같이 전동기에 압력이 인가될 때 내부 압력스위치의 다이어프램이 반복적인 모서리 접촉에 의해 손상되고 압력이 정상적으로 전달되지 못하여 누유가 발생하게 되었다. 이를 통해 유압 전동기의 고장모드는 다이어프램의 손상으로 추정할 수 있으며, 피스톤과 얇은 막으로 이루어진 다이어프램의 접촉부인 모서리 R을 크게 하고 모서리부 미세 burr 제거 공정 추가를 통하여 개선하였다.
전투제어시스템에 대한 고장모드는 발사통제장치 내부 릴레이에서 발생하는 서지 전압이며, 고장메커니즘은 릴레이 소착으로 확인되었다. 이에 대한 개선방안이 적용된 제품의 개선효과를 검증하기 위하여 가속 수명시험을 추진하였다.
우선적으로 구동유니트의 압력스위치 누유 문제에 대한 고장메커니즘 분석을 통하여 압력스위치에 인가되는 압력를 가속인자로 설정하고 가속수명시험을 수행하였다. 전투제어시스템에 대해서는 릴레이 소착 현상 해소를 위해 회로도에 릴레이를 추가하여 설계 개선하였고, 개선 후 수명을 평가하기 위해 릴레이 스위치에 흐르는 전류의 크기를 가속인자로 설정하여 수명을 평가하였다. 개선 후 신뢰도 개선 대상 두 품목의 MTBF는 개선 전 대비 약 45배, 11배로서 신뢰도 성장이 충분함을 알 수 있었다.
전투제어시스템의 신뢰도 성장을 위해 전투제어시스템(Level 2)을 구성하는 하위부품 중 고장 발생의 주요 원인이 되는 발사통제장치(Level 3)를 개선하였다.

대상 데이터

다련장 발사대 체계에 대한 신뢰도 분석을 위하여 개발시험 단계부터 야전시험 단계까지 고장데이터를 수집하였다. 개발단계 신뢰도 추정을 위해 고장데이터를 수집 및 검증하였고, Table 1과 같이 신뢰도 분석을 수행할 수 있는 수준의 고장데이터를 획득할 수 있었다. 개발단계 시험평가는 개발시험인 DT (Development Test), 운용시험인 OT(Operation Test), 야전시험인 FT(Field Test)로 구성되며, 신뢰도 분석을 위하여 DT 단계에서의 가용한 고장 데이터는 획득할수 없었다.
다련장 발사대 체계(Level 1)는 구동유니트, 전투제어시스템 등 총 10개의 부체계(Level 2)로 구성되어 있다. 다련장 발사대 체계에 대한 신뢰도 분석을 위하여 개발시험 단계부터 야전시험 단계까지 고장데이터를 수집하였다. 개발단계 신뢰도 추정을 위해 고장데이터를 수집 및 검증하였고, Table 1과 같이 신뢰도 분석을 수행할 수 있는 수준의 고장데이터를 획득할 수 있었다.
10과 같다. 사격과 같은 실제 운용특성을 고려하여 온도 조건을 부여하였으며 릴레이 동작여부를 확인할 수 있도록 신호 계측용 레코더를 활용하였다. 또한, 여러 시험조건에서 확인하기 위해 부하용 가변저항을 연결하였다.

이론/모형

데이터들이 직선에 가깝게 타점되어 있고 수명분포 추정선이 서로 평행하게 나타나는 것을 알 수 있다. 가속수명과 가속 인자의 관계를 나타내는 식은 역승모형(Inverse Power Law Model)을 적용하였다.
다련장 발사대의 시험 데이터 분석은 E-BOM을 기준으로 체계단위(Level 1)에서 분석 가능한 하위단위까지 품목별로 분류된 고장 데이터를 활용하였고, 추정된 고장간 평균시간 간격을 나타내는 MTBF(Mean Time Between Failures) (m(T)) 를 기준으로 체계의 신뢰도 성장 여부를 확인하였다. 고장데이터 분석은 ReliaSoft사의 신뢰도 성장 분석 프로그램인 RGA(Reliability Growth Analysis)를 이용하였다. 시간 t에서 고장 강도 함수(Failure Intensity Function) ρ(t)는 아래의 식 (1)과 같이 2개의 모수를 가지는 와이블 고장률 함수로 근사시켜 나타낸다.
고장데이터를 Crow-AMSAA 신뢰도 성장 추적 모형^[4]에 적용하여 각 시험 단계별 다련장 발사대 체계의 신뢰도를 추정할 수 있었다. 다련장 발사대의 시험 데이터 분석은 E-BOM을 기준으로 체계단위(Level 1)에서 분석 가능한 하위단위까지 품목별로 분류된 고장 데이터를 활용하였고, 추정된 고장간 평균시간 간격을 나타내는 MTBF(Mean Time Between Failures) (m(T)) 를 기준으로 체계의 신뢰도 성장 여부를 확인하였다.
다련장 발사대 체계의 OT에서 수집한 31개의 고장 데이터에 Crow-AMSAA 신뢰도 성장 추적 모형을 적용하여 분석하였다.

성능/효과

Level 2 단위 기준에서 ‘구동유니트, 전기유압식’, ‘전투제어시스템’, ‘케이지, 무기방호용’ 순으로 MTBF가 낮은 것으로 추정되었으며, 다련장 발사대 MTBF 추정 값이 목표 값 (MTBF = 100 hrs)을 만족하지 못함을 확인할 수 있다.
가속수명 데이터에 대한 수명분포를 추정한 결과, 와이블(Weibull) 분포가 적합한 것을 확인하였으며, Fig. 11과 같이 수명분포를 산출하였다. 데이터들이 직선에 가깝게 타점되어 있고 수명분포 추정선이 서로 평행하게 나타나는 것을 알 수 있다.
전투제어시스템에 대해서는 릴레이 소착 현상 해소를 위해 회로도에 릴레이를 추가하여 설계 개선하였고, 개선 후 수명을 평가하기 위해 릴레이 스위치에 흐르는 전류의 크기를 가속인자로 설정하여 수명을 평가하였다. 개선 후 신뢰도 개선 대상 두 품목의 MTBF는 개선 전 대비 약 45배, 11배로서 신뢰도 성장이 충분함을 알 수 있었다.
그래프를 보면 m(T)는 시간에 따라 증가하고 있고, ρ(t)은 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 결과적으로, OT단계의 체계 MTBF의 추정 값은 53.4 hrs로 산출되었고, 체계고장강도 추정 값은 0.0187로 산출되었다.
구동 유니트의 고장 분석결과 유압전동기 압력스위치 누유현상에 의한 것으로 고장모드는 압력으로 확인되었고, 고장메커니즘은 다이어프램 손상으로 확인되었다. 따라서 다이어프램 손상 방지를 위해 강구한 개선방안의 효과성을 검증하기 위해 가속수명시험을 수행하였다.
다련장 발사대의 운용시험 고장 데이터 분석과 마찬가지로 FT에서 수집한 고장데이터 22개를 품목 및 단위별로 분류하여 Crow-AMSAA 신뢰도 성장 추적 모형을 적용한 결과, 다련장 발사대 체계의 최종 MTBF 추정 값은 57.1 hrs으로 산출되었고, 최종 고장강도 추정 값은 0.0175로 산출되었다. FT 기간 동안 다련장 발사대 체계의 시간에 따른 MTBF 추정 값 m(T)를 Fig.
마찬가지로 발사통제장치의 MTBF와 B₁₀ 수명의 단위를 시간으로 변경하면 각각 7,679 hrs, 5,914 hrs가 된다. 발사통제장치의 개선 전 MTBF는 고장데이터 부족으로 OT와 FT 고장 데이터를 종합하여 추정하였으며 개선 전(OT, FT) 발사통제장치의 MTBF(687 hrs) 대비 약 11배 증가된 것을 알 수 있었다.
유압 전동기의 가속수명 데이터에 대한 수명분포를 추정한 결과 Anderson-Darling(AD) 값이 1.856으로 와 이블(Weibull) 분포가 적합한 것으로 판단하였으며 각각의 수명분포 추정선이 서로 평행하게 나타나고 형상모수 β값이 2.61586으로 동일하므로 가속성이 성립한다는 것을 알 수 있다.
전투제어시스템에 대한 고장모드는 발사통제장치 내부 릴레이에서 발생하는 서지 전압이며, 고장메커니즘은 릴레이 소착으로 확인되었다. 이에 대한 개선방안이 적용된 제품의 개선효과를 검증하기 위하여 가속 수명시험을 추진하였다.

후속연구

개발 단계부터 양산운용 단계에 이르기까지 신뢰성 지표를 중심으로 예방적 품질관리 활동 강화가 중요 하다. 개발과 양산운용 단계 사이에 핵심 품목에 대한 수명 검증 절차를 수행함으로서 양산운용 단계의 체계 신뢰도를 효과적으로 확보할 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무기체계의 신뢰성 검증의 필요성이 높게 요구되는 이유는 무엇인가?	무기체계는 장기간의 수명주기를 갖는 군수품으로 유사시 극한 환경에서 임무를 반드시 완수해야 하는 미션 크리티컬(Mission-Critical) 장비로서 잠재결함 발생의 최소화를 위한 신뢰성 검증의 필요성이 높게 요구되고 있다. 또한 무기체계는 군수사업 구조특성 상민수사업 대비 높은 생산비용, 소량생산 등의 특수한 생산요건 때문에 설계단계에서 충분한 내구성 검증이 부족하여 예측된 신뢰도와 실제 야전 운용 신뢰도 사이에 큰 차이가 존재하는 경우가 많다.
	무기체계 특성상 발생하는 문제는 무엇인가?	무기체계는 장기간의 수명주기를 갖는 군수품으로 유사시 극한 환경에서 임무를 반드시 완수해야 하는 미션 크리티컬(Mission-Critical) 장비로서 잠재결함 발생의 최소화를 위한 신뢰성 검증의 필요성이 높게 요구되고 있다. 또한 무기체계는 군수사업 구조특성 상민수사업 대비 높은 생산비용, 소량생산 등의 특수한 생산요건 때문에 설계단계에서 충분한 내구성 검증이 부족하여 예측된 신뢰도와 실제 야전 운용 신뢰도 사이에 큰 차이가 존재하는 경우가 많다. 이러한 문제를 효과적으로 해소시키기 위한 방안으로 신뢰도 성장관리 기법이 활용되고 있다[1].
	무기체계의 신뢰도 오차 문제를 해결하기 위해 사용되는 방법은 무엇이 있는가?	또한 무기체계는 군수사업 구조특성 상민수사업 대비 높은 생산비용, 소량생산 등의 특수한 생산요건 때문에 설계단계에서 충분한 내구성 검증이 부족하여 예측된 신뢰도와 실제 야전 운용 신뢰도 사이에 큰 차이가 존재하는 경우가 많다. 이러한 문제를 효과적으로 해소시키기 위한 방안으로 신뢰도 성장관리 기법이 활용되고 있다[1]. 신뢰도 성장 프로세스란 특정 시스템 및 제품에 대해 설정된 신뢰도 목표를 효과적으로 달성하기 위하여 신뢰성 시험을 통해 잠재 고장모드와 원인을 발견하고 시험 중 발견된 고장을 분석하여 개선방안을 수립하고 수행하는 일련의 프로세스를 의미한다[2].

저자의 다른 논문 :

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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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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