[논문]시험용 탄약의 자동 이송 및 장전을 위한 탄약 운반시스템 개발

이정호; 김동희

doi:10.5762/kais.2019.20.8.156

시험용 탄약의 자동 이송 및 장전을 위한 탄약 운반시스템 개발
Development of The Transporting System for The Automatic Carrying and Arming of Test Ammunition 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.8, 2019년, pp.156 - 163

이정호 (국방기술품질원 국방신뢰성연구센터) , 김동희 (국방기술품질원 국방신뢰성연구센터)

초록
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본 논문은 탄약의 시험 평가를 위한 탄약 운반 시스템의 개발에 관한 연구이다. 국내 탄약 시험장에서 탄약 시험 평가를 수행할 때 탄약 장전 등의 대부분 시험 평가 과정이 시험원에 의해 수행되고 있다. 즉, 탄약의 성능을 평가하기 위해 수십 kg 무게가 나가는 탄약의 이송 및 장전, 사격의 과정이 시험원에 의해 반복적으로 이뤄진다. 이 과정에서 탄약 장전 작업의 경우 인력에 의한 작업은 시험 결과의 신뢰성 저하, 시험원의 근골격계 손상, 안전사고와 같은 문제들이 발생할 소지가 있다. 이러한 문제점들을 해소하기 위해 시험용 탄약의 안전한 이송, 자동 장전 등의 운용성 향상을 위한 탄약 운반 시스템을 개발하였다. 이 논문은 운반 시스템의 설계, 제조, 그리고 운영의 효용성 등을 다루고 있다. 또한 사람에 의한 운용과 비교하여 개발된 시스템의 효용성 평가를 수행하였다. 본 연구 결과는 국내 탄약 시험장에서 안전한 시험 평가를 위해 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we present the process of developing an automatic carrying and arming system for testing ammunition. When carrying out shooting tests at a domestic rifle range, most of the ammunition operations are carried out by human manpower The series of test processes, such as transporting, arming and firing of heavy munitions, is repeated by employing human. If the ammunition is loaded via manpower, then problems can occur such as loss of reliability of test results, musculoskeletal disorders of humans and also safety accidents can occur. To address these problems, an automated system was developed for the transport and operation of ammunition. This paper covers the design, manufacture and operation of the developed system. In addition, this study validated the effectiveness of the system as compared to the human operation. Our results show that the developed system can be easily adapted to testing ammunition at a domestic rifle range.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Characteristics diagram for muzzle velocity
그림 Fig. 2. Munition loading scheme
표 Table 1. Analysis of the influential factors for muzzle velocity
표 Table 2. Main improvements for system design
그림 Fig. 3. Loading unit applied by tilting
그림 Fig. 4. Applying to K9 artillery
그림 Fig. 5. Laser sensor for alignment
그림 Fig. 6. Counterforce by external friction
그림 Fig. 7. System concept diagram
그림 Fig. 8. Ammunition clamping
그림 Fig. 9. Height adjusting device
그림 Fig. 10. Developed loading unit for ammunition
그림 Fig. 11. Developed system
그림 Fig. 12. Test procedure chart
그림 Fig. 13. Verification of normality (a)by System (b) by Human
표 Table 3. The result of evaluation of operation
표 Table 4. The result of ammunition performance test
표 Table 5. Performance summary of the developed system

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 탄약 시험장에서 시험용 탄약의 이송 및 장전을 위한 탄약 운반 시스템의 개발을 기술하였다. 시스템의 설계 단계부터 시스템의 구성 및 제작, 운용 등에 대해 다루었다.
위와 같은 문제를 해소하고 탄약 시험 평가의 안정적 수행을 위해 시험 탄약의 자동 이송 및 장전을 위한 운반 시스템을 개발하였다. 본 논문은 탄약 운반 시스템의 설계 단계부터 시스템의 구성 및 제작, 운용 등에 대해 다루며, 인력에 의한 장전과의 비교 평가 등을 통해 탄약 운반 시스템의 안정성 및 효용성을 제시하였다.
본 시스템의 개발의 궁극적 지향점은 시험용 탄약의 안전하고 신속한 이송 및 자동 장전을 통해 탄약 시험 평가에서의 안전성과 효용성 확보이다. 기존의 시험 인원에 의한 인력식 장전 방식과 본 시스템을 통한 장전 방식을 비교, 평가함으로써, 안정성 및 효용성을 확인 하였다.
본 연구를 통해 국내 탄약 시험장에서 실 사격시험에서 적용 가능 한 탄약 자동 이송 및 장전을 위한 운반 시스템을 개발하였다. 시스템의 실물 제작 및 시험 운용 평가를 진행하였으며 이를 통해 개발된 시스템의 적용 가능성을 확인하였다.
본 절에서는 시험용 탄약의 안정적 이송을 위한 시스템 구성 및 설계, 제작 등에 대해 다룬다. 2절에서 개발한 장전 시스템과 결합하여 탄체를 이송하기 위한 이송 및 장전 시스템의 개념은 Fig.
본 절에서는 시험용 탄약의 자동 장전을 위한 시스템 구성 및 설계, 제작 등에 대해 다룬다. 먼저 시험 탄약의 포구 속도에 영향을 미치는 요인을 분석하고, 그 중 비제어 인자인 탄두 장전의 안정성 및 반복성, 재현성을 구현하기 위한 장전 시스템의 설계를 진행하였다.
불균일한 장전 힘으로 인한 포구 속도의 영향성을 줄이기 위해 본 장전 시스템에서는 5m/sec 이상의 장전 속도 구현을 목표로 하였다. 이를 위해 약 400kgf의 장전력이 발생하도록 시스템을 구현하였다.
포신수명, 추진제 온도 처리 등의 특성 요인은 시험 장비 관리 및 시험 숙련도(또는 절차서) 등에 의해 제어가 가능하나, 탄체 장전의 균일성, 추진제 온도 영향성 등의 특성 요인 제어(통제)를 위해서는 시험 탄약의 신속한 이송 및 균일한 힘에 의한 동일 장전의 프로세스가 필요하다. 이를 위해 본 논문에서는 탄약의 이송 및 장전의 자동화를 위해 자동 장전 시스템의 개념 설정 및 설계, 개발을 수행하였다.
4는 추진제의 성능 시험을 위해 탄체를 장전하는 형상을 이미지화한 그림이다. 이와 같이 본 장전 시스템은 KH-179 및 K9 무장 장치대 등과 연동되어 탄약 시험을 위한 탄체 장전에 적용될 수 있도록 설계, 개발하였다.

제안 방법

데이터 셋의 산포(표준편차)를 비교하기 위해 먼저 정규성 검정을 수행하였다. 샘플 수가 충분히 크지 않아(30개 미만) 데이터의 정규성을 검정할 필요가 있었다.
본 절에서는 시험용 탄약의 자동 장전을 위한 시스템 구성 및 설계, 제작 등에 대해 다룬다. 먼저 시험 탄약의 포구 속도에 영향을 미치는 요인을 분석하고, 그 중 비제어 인자인 탄두 장전의 안정성 및 반복성, 재현성을 구현하기 위한 장전 시스템의 설계를 진행하였다.
11에서 보는 바와 같다. 본 시스템은 K계열 전차 및 자주포 탄약 등 다목적으로 이송 및 자동/원격 장전이 가능하도록 설계 및 제작되었다. 본 시스템의 운용 중 시험 인원의 안전을 위해 PC(폴리카보네이트) 커버를 설치하였으며, 환경적인 측면(매연, 운용비용 등)을 고려하여 전기 배터리에 의한 전기 구동 시스템을 적용하였다.
본 시스템의 성능을 검증하기 위해 기존의 인력에 의한 장전 방식(이하 수동장전)과 시스템에 의한 장전 방식(이하 자동장전)을 Table 3과 같이 비교 분석하였다.
본 시스템은 K계열 전차 및 자주포 탄약 등 다목적으로 이송 및 자동/원격 장전이 가능하도록 설계 및 제작되었다. 본 시스템의 운용 중 시험 인원의 안전을 위해 PC(폴리카보네이트) 커버를 설치하였으며, 환경적인 측면(매연, 운용비용 등)을 고려하여 전기 배터리에 의한 전기 구동 시스템을 적용하였다. 1인의 시험 인원에 의해 시험용 탄약을 이송하며, 화포에 근접하면 레이저 센서에 의해 장전을 위한 좌우 위치 및 수평 거리가 자동 감지되어 운영자에게 피드백 하게 된다.
본 연구에서는 초기 개념 설계 단계에서 Table 2에서 보는 바와 같이 시스템의 안정성, 내구성, 운동 균일성 등을 고려하였으며, 이를 토대로 유압실린더에 의한 장전 시스템의 설계를 Fig. 2와 같이 구성하였다.
본 논문은 탄약 시험장에서 시험용 탄약의 이송 및 장전을 위한 탄약 운반 시스템의 개발을 기술하였다. 시스템의 설계 단계부터 시스템의 구성 및 제작, 운용 등에 대해 다루었다. 개발된 시스템의 주요 특징을 요약하면 다음과 같다.
즉, 탄약 온도 환경 처리실부터 사격을 위한 화포까지 낙하 및 폭발 등의 위험 요소를 최소화하여 안정적으로 이송하는 것이다. 시험 조건(5분 이내 사격)을 고려하여 탄약의 이동 간 고정, 이동 속도, 운용 안전성 등을 반영하였다.
위와 같은 문제를 해소하고 탄약 시험 평가의 안정적 수행을 위해 시험 탄약의 자동 이송 및 장전을 위한 운반 시스템을 개발하였다. 본 논문은 탄약 운반 시스템의 설계 단계부터 시스템의 구성 및 제작, 운용 등에 대해 다루며, 인력에 의한 장전과의 비교 평가 등을 통해 탄약 운반 시스템의 안정성 및 효용성을 제시하였다.
불균일한 장전 힘으로 인한 포구 속도의 영향성을 줄이기 위해 본 장전 시스템에서는 5m/sec 이상의 장전 속도 구현을 목표로 하였다. 이를 위해 약 400kgf의 장전력이 발생하도록 시스템을 구현하였다.
장전 깊이는 고정밀 레이저 거리 측정기를 이용하여 측정하였으며, 장전 힘은 인력의 경우 평균적인 사람의 힘을 적용하였다.
) 5m/sec, 충격시간(∆t) 1sec라고 가정할 경우, 식(2)에 의해서 총 장전력은 약 250kgf가 된다. 장전 속도 5m/sec 이상을 구현하기 위해 이론적인 장전력(250kgf)보다 큰 힘을 발생할 수 있도록 시스템을 설계하였으며, 최종적으로 약 400kgf의 힘이 발생할 수 있도록 운동부의 방식(유압 실린더)을 결정하였다.
탄약의 포구 속도에 영향을 주는 인자 파악을 위해 특성요인분석을 Fig. 1에서 보는 바와 같이 분류하였며, 이를 토대로 하여 Table 1에서 보는 바와 같이 각각의 요인별로 속도에 주는 영향성을 정리하였다. 추진제의 화학 성분 구성 특성 상 온도의 영향을 많이 받으므로, 시험 탄약 간 동일 조건을 맞추기 위해 일반적으로 사격 시험에서는 온도처리 후 10분 이내에 사격을 진행하고 있다.
탄체 장전 실린더는 K9, KH-179 등 다목적으로 사용 가능하도록 제작되었으며 약실과 장전기와의 정렬 오차를 보완하기 위해 실린더 부분에 Tilting 기능을 적용하였다. 얼라인 레이저 센서는 장전 과정에서 장전 장치와 화포 간의 수평 및 수직 정렬을 맞추기 위해 사용된다.
8과 같이 탄체 고정용 클램프를 설치하였다. 탄체 적제 후 수동 레버를 조작함으로써 탄체를 고정할 수 있으며, 탄두 형상에 따라 클램프의 위치를 조정하여 운용할 수 있도록 설계 및 제작하였다.
탄체를 장전하기 위한 장전 실린더의 기구부 설계에서 틸팅(tilting) 기능을 적용하였다. Fig.
탄체의 장전 방식에 따라 사격 후 포구속도가 어떻게 변화되는지 확인을 위해 다음과 같이 실험을 계획 하였으며, 동일 로트의 탄약, 동일 화포, 시험일자, 탄약 온도 등 포구속도에 영향을 크게 주는 주요 변수를 제거하여 시험을 실시하였다.

성능/효과

본 시스템의 개발의 궁극적 지향점은 시험용 탄약의 안전하고 신속한 이송 및 자동 장전을 통해 탄약 시험 평가에서의 안전성과 효용성 확보이다. 기존의 시험 인원에 의한 인력식 장전 방식과 본 시스템을 통한 장전 방식을 비교, 평가함으로써, 안정성 및 효용성을 확인 하였다. Fig.
둘째, 시험 진행 요원의 근골격계 질환과 안전사고를 유발할 수 있다. 탄약의 신뢰성 평가를 위한 사격 시험 진행 시 탄약 장전은 약 30 ~ 50kg의 탄약을 성인 남성 가슴위치 높이까지 올려 장전하므로, 많은 물량의 시험을 수행할 시 근골격계 질환이 발생할 가능성이 높아진다[1].
본 시스템을 실 시험 사격에 적용함으로써 포구 속도에 영향을 주는 인자 중의 하나인 장전 깊이를 균일하게 제어할 수 있었으며(장전 균일성 확보), 인력에 의한 장전과의 비교 평가 등을 통해 탄약 운반 시스템의 안정성 및 효용성을 확인하였다. 또한 사격시험 시간 단축, 반복 작업으로 인한 시험 인원의 근 골격계 질환 예방 등의 직접적 효과 또한 확인 할 수 있었다.
또한 시험 사격을 위한 준비 시간이 시험 탄약 1발당 약 1분정도 단축됨을 확인할 수 있다. 그러나 수십 발의 시험 사격을 진행할 경우 시험 인원이 받는 근골격계 피로도 등을 감안하면 시험 준비 시간의 평균 차이는 더 커질 수 있음을 미루어 짐작할 수 있다.
인력에 의한 수동 장전은 4명의 장전 호흡 및 장전 힘의 정도에 따라 장전 깊이의 편차가 크게 발생하였다. 반면에 시스템에 의한 자동 장전은 유압실린더를 통한 균일 힘의 장전 메커니즘 동작으로 인해 장전 깊이 편차가 인력에 비해 8배 이상 줄어듬을 확인할 수 있었다. 즉, 개발된 운반 시스템을 이용하여 포구 속도에 영향을 주는 인자 중의 하나인 탄체 장전 깊이를 통제할 수 있었다.
본 시스템을 실 시험 사격에 적용함으로써 포구 속도에 영향을 주는 인자 중의 하나인 장전 깊이를 균일하게 제어할 수 있었으며(장전 균일성 확보), 인력에 의한 장전과의 비교 평가 등을 통해 탄약 운반 시스템의 안정성 및 효용성을 확인하였다. 또한 사격시험 시간 단축, 반복 작업으로 인한 시험 인원의 근 골격계 질환 예방 등의 직접적 효과 또한 확인 할 수 있었다.
(b)수동 장전)에서 보는 바와 같다. 분석 결과 각 장전 방식의 p값은 자동 0.617, 수동 0.476으로서, 신뢰수준 95%(유의수준 5%)에서 모두 정규분포를 따른다고 가정할 수 있다. 즉, 실 사격시험을 위해 사용된 시험용 탄약은 정규분포를 따르는 모집단(로트)에서 샘플링되었다고 할 수 있다.
수동 장전과 자동 장전의 포구속도 데이터 비교 분석 결과 자동 장전의 표준편차는 1.843m/s, 수동 장전의 표준편차는 3.145m/s 이며, 자동장전에 의한 탄속의 표준편차가 적으므로 탄약 성능 평가를 위한 사격시험에서 자동 장전 시스템을 적용할 경우 신뢰성 있는 시험 데이터를 획득하는데 유리하다고 할 수 있다. 개발된 시스템의 주요 성능을 요약하면 Table 5와 같이 정리할 수 있다.
본 연구를 통해 국내 탄약 시험장에서 실 사격시험에서 적용 가능 한 탄약 자동 이송 및 장전을 위한 운반 시스템을 개발하였다. 시스템의 실물 제작 및 시험 운용 평가를 진행하였으며 이를 통해 개발된 시스템의 적용 가능성을 확인하였다.
첫째, 탄약의 사격 시험 결과의 신뢰성에 영향을 끼칠 수 있다. 시험 결과의 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 포신 수명, 탄약 온도 조건, 추진제 약량, 탄체 장전 깊이 등이 있다. 이러한 요인 중 인력에 의한 시험 탄체의 장전은 다른 요인과 달리 통제가 쉽지 않은 항목이라 할 수 있다.
즉, 개발된 운반 시스템을 이용하여 포구 속도에 영향을 주는 인자 중의 하나인 탄체 장전 깊이를 통제할 수 있었다.
첫째, 탄약의 사격 시험 결과의 신뢰성에 영향을 끼칠 수 있다. 시험 결과의 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 포신 수명, 탄약 온도 조건, 추진제 약량, 탄체 장전 깊이 등이 있다.

후속연구

이번 연구를 통해 개발된 시스템을 국내 탄약 시험장에 적용할 경우 시험요원의 작업 환경(위험물 취급, 중량물 운반, 반복 작업에 의한 신체 피로 등) 개선 및 시험 간 안전 확보 측면에서 큰 효과가 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄체의 장전 과정에서 포구속도에 영향을 줄 수 있는 요인은 무엇인가?	탄체의 장전 과정에서 탄체 장전 깊이, 탄체의 포강 내 안착 형태 등에 따라 포구 속도에 영향을 줄 수 있다. 포강 내에 탄체의 부적절한 안착(장전)은 추진제의 연소 과정에서 연소 가스의 일부가 탄체 회전대 주변으로 누출되어 발사 압의 형성에 영향을 끼치게 되고, 이로 인해 포구 속도 저하 또는 포구 속도의 반복성(균일성)을 떨어뜨리게 될 수 있다.
	장전 실린더의 기구부 설계에서 틸팅 기능의 적용으로 얻을 수 있는 효과는 무엇인가?	Fig. 3에서 보는 바와 같이 틸팅 기능의 적용은 화포의 약실과 탄체, 장전 실린더로 이어지는 일련의 부분을 정열시킴으로써 균일한 장 전력을 가지고서 탄체를 장전시킬 수 있게 된다. Fig.
	사격 시험에서 시험 인력에 의한 탄약 운반 및 장전이 유발하는 문제점은 무엇인가?	첫째, 탄약의 사격 시험 결과의 신뢰성에 영향을 끼칠 수 있다. 시험 결과의 신뢰성에 영향을 줄 수 있는 요인으로는 포신 수명, 탄약 온도 조건, 추진제 약량, 탄체 장전 깊이 등이 있다. 이러한 요인 중 인력에 의한 시험 탄체의 장전은 다른 요인과 달리 통제가 쉽지 않은 항목이라 할 수 있다. 둘째, 시험 진행 요원의 근골격계 질환과 안전사고를 유발할 수 있다. 탄약의 신뢰성 평가를 위한 사격 시험 진행 시 탄약 장전은 약 30 ~ 50kg의 탄약을 성인 남성 가슴위치 높이까지 올려 장전하므로, 많은 물량의 시험을 수행할 시 근골격계 질환이 발생할 가능성이 높아진다[1]. 또한 장전 깊이가 균일하지 않기 때문에 사격시험 시 근탄, 강내 폭발, 탄두 고착 등의 위험한 상황을 초래할 수 있다.

LOADING...

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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