[논문]야전운용제원을 이용한 5.56 mm 소총 신뢰도 분석

신태성; 서현수; 이호준; 최시영; 길현준

doi:10.5762/kais.2020.21.6.584

야전운용제원을 이용한 5.56 mm 소총 신뢰도 분석
Reliability Analysis Using Field-Data of 5.56 mm Rifle 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.6, 2020년, pp.584 - 591

신태성 (국방기술품질원) , 서현수 (국방기술품질원) , 이호준 (국방기술품질원) , 최시영 (국방기술품질원) , 길현준 (국방기술품질원)

초록
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무기체계에 있어서 신뢰도는 중요한 요소이다. 신뢰도가 낮으면 무기체계가 제대로 기능하지 못할 가능성이 높으며, 이는 우리군의 전투력 약화로 직결된다. 본 논문에서는 현재 우리 군이 개인화기로 사용하는 5.56 mm 소총의 구조를 총열, 윗총몸, 노리쇠집, 가스활대, 복좌용수철 및 밀대, 아랫총몸, 개머리 총 7개의 조립체로 분류하고, 소총이 정상작동하기 위한 8대 기능에 대하여 설명하였다. 또한 소총의 신뢰도의 개념을 고장 간 평균사격발수(MRBF: Mean Round Between Failure, 이하 MRBF)로 정의하고, 수리가능 시스템에 대한 신뢰도 분석 이론으로서 포아송 과정 모형과 이 모형에 대한 추세를 검정하기 위한 방법으로 TTT(Total Time on Test, 이하 TTT) 도시방법에 대하여 설명하였다. 다음으로 소총의 고장을 주기성 교환품목을 제외한 부품의 교환으로 정의하여 획득한 야전운용제원을 정제하였으며, 정제된 야전운용제원을 MINITAB 프로그램에 입력하여 신뢰도를 분석하였다. 그 결과 소총의 신뢰도는 251.73발로 분석되었으며, 소총의 조립체별 신뢰도 분석을 통해 개선이 필요한 조립체로 총열, 아랫총몸, 개머리 조립체를 식별하였고, 개선이 필요한 세부 부품 10가지를 식별하였다. 마지막으로 현재 획득 가능한 야전운용제원을 이용한 신뢰도 분석의 한계점에 대하여 고찰하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reliability is an important factor in weapons systems. Low reliability causes the weapons system to fail to function properly, which directly leads to the weakening of combat capability. This paper classifies the structure of the 5.56 mm rifle, which is currently used by the Korean army, into a total of seven assemblies and describes the eight functions necessary for the rifle to operate normally. In addition, the concept of reliability was defined as the MRBF, and the Poisson process model and TTT plot were explained as a reliability analysis theory for the repair function system. Next, the field-data obtained by defining failure as the replacement of parts other than periodic exchange of parts were refined, and the reliability was analyzed by entering the refined field operation specifications into the Minitab program. As a result, the reliability of the rifle was determined to be 251.73. The assembly parts that required improvement was identified as the barrel, lower body, and butt stock assembly, and 10 detailed parts needed to be improved. Finally, the limits of the reliability analysis using the field-data currently available for small caliber firearms were considered.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Structure of 5.56 mm Rifle
그림 Fig. 2. Research Procedure Diagram
그림 Fig. 3. Analysis Screen of Minitab
표 Table 1. Input Data on Minitab
그림 Fig. 4. TTT graph of 5.56mm Rifle
표 Table 2. Reliability Analysis Result of Group
표 Table 3. Top 10 Faulty part

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 운용단계에서는 각각의 총기에 대한 사격발수를 확인할 수 없다는 점, 고정사격대에서 사격하는 개발시험평가와는 다른 운용환경 등의 문제로 인하여 실사격에 의한 신뢰도 분석을 진행하는 것이 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 확률적 모형을 적용하여 운용단계에서의 소총에 대한 신뢰도 분석을 진행하였다.
그러나 실제 야전환경에서는 고정사격대에 총기를 거치하여 사격하는 개발시험평가 단계와 달리 위에서 언급한 다양한 환경이 존재한다. 때문에 본 연구에서는 이러한 야전환경 하에서 운용되는 소총의 야전운용제원을 수집하고, 데이터 정제를 위해 소총의 고장에 대하여 정의한다. 그리고 수리가 가능한 시스템에 대한 신뢰도 분석이론 중 하나인 모수적 포인트 과정 모형 중포아송 과정 모형을 적용하여 소총 전체의 신뢰도와 주요 기능부의 신뢰도를 통계분석 소프트웨어인 MINITAB을 이용하여 분석해 개선이 필요한 품목을 식별하고자한다.
그리고 수리가 가능한 시스템에 대한 신뢰도 분석이론 중 하나인 모수적 포인트 과정 모형 중포아송 과정 모형을 적용하여 소총 전체의 신뢰도와 주요 기능부의 신뢰도를 통계분석 소프트웨어인 MINITAB을 이용하여 분석해 개선이 필요한 품목을 식별하고자한다. 또한 소총의 야전운용제원 수집에의 한계점을 제시하고자 한다.
Table 3의 부품 중 사격충격이 아닌 외부충격에 직접적인 영향을 받는 부품은 단발자, 공이지지용 핀을 제외한 8개 부품이다. 이와 비교하기 위하여 현재 소총의 납품 전 수락검사 간 발생하는 고장부품을 확인해 보았다. 확인결과 격발과 연관된 공이, 점사기능과 연관된 치차스프링이 있었으며, 이 부품들은 야전운용제원 상 16번째,67번째로 많은 고장이 발생한 품목이다.

가설 설정

2) 획득한 야전운용제원은 수리가능한 시스템의 고장자료이다. 고장발생 시 고장의 원인이 된 부품을 교환하여 전체 소총 시스템을 수리하기 때문이다.
2. (a,b]에서 기대 고장 수는 µ(a,b)이며, (a,b]에서 단위시간당 기대 고장수는1/θ 로 일정하다.
2. 중첩되지 않는 시간구간에서 발생된 고장 수는 통계적으로 독립이다. 이러한 특성을 지는 과정을 “독립증분”성질을 가지고 있다고 말한다.
3. 고장간격 시간τj=tj-tj-1는 동일하고 독립인Exp(θ)분포를 따른다.
본 연구의 분석대상인 소총의 경우 다음 4장에서와 같이 고장을 주기성 교환품목을 제외한 부품의 교환으로 정의하였으므로 수리이후 초기상태로 돌아온다고 가정할 수 있다. 따라서 고장률이 일정한 HPP 모형을 적용하여 분석을 진행하였다.

제안 방법

1) 획득한 야전운용제원은 구간자료의 형태로 MINITAB에 입력하여 분석을 진행한다. 소총별 이력확인이 불가하므로 해당소총이 고장난 시점의 사격발수를 알 수 없기 때문에 구간자료의 형태로 데이터를 입력하였다.
3) 이러한 한계점에도 불구하고 본 연구에서는 현재 획득가능한 수준의 야전운용제원을 가지고 소총의 신뢰도를 분석하는 방법을 제시하였고, 국내 최초로 야전운용제원을 기반으로 소총에 대하여 신뢰도 분석을 진행하였으며, 야전환경에서 신뢰도 증진을 위해 개선이 필요한 부품을 식별하였다. 앞으로 지속적인 연구와 개선을 통하여 소총 및 기관총 등의 소구경화기에 대한 운용환경에서의 신뢰도를 향상시키는데 기여할 수 있으리라 생각된다.
또한 국방규격서에 정의된 주기성 교환품목인 탄알집 조립체, 야광유리관, 공이치기못을 제외한 나머지 부품의 교환이 발생한 경우를 고장으로 볼 수 있다. 그러나 획득한 정비데이터를 통하여 소총의 8대기능 고장여부는 확인이 불가하므로, 본 연구에서는 주기성 교환품목을 제외한 부품의 교환을 고장으로정의하였으며, 이에 해당되는 고장만을 데이터로 정제하였다.
때문에 본 연구에서는 이러한 야전환경 하에서 운용되는 소총의 야전운용제원을 수집하고, 데이터 정제를 위해 소총의 고장에 대하여 정의한다. 그리고 수리가 가능한 시스템에 대한 신뢰도 분석이론 중 하나인 모수적 포인트 과정 모형 중포아송 과정 모형을 적용하여 소총 전체의 신뢰도와 주요 기능부의 신뢰도를 통계분석 소프트웨어인 MINITAB을 이용하여 분석해 개선이 필요한 품목을 식별하고자한다. 또한 소총의 야전운용제원 수집에의 한계점을 제시하고자 한다.
소총의 경우 타 장비들과는 달리 DELIIS/A에 장비등록번호를 생성하지 않아 각 소총별로 별도의 운용이력이없으며, 정비이력의 경우 정비부대별 이력은 있으나, 각 소총별 정비이력 구분은 불가능한 상황이다. 때문에 00부대를 대상으로 설문조사를 수행하여 2010년부터 2018년까지 연도별 보유 소총 정수, 사격발수 등 운용현황을 파악하였으며, 00부대가 보유하고 있는 소총 전체에 대한 정비이력을 DELIIS/A를 통하여 획득하였다.
야전운용제원을 이용하여 소총의 신뢰도를 분석하기 위해서는 정비이력 및 운용이력 데이터를 수집하고 정제하는 것이 필수적이다. 때문에 본 연구에서는 사전준비,데이터 수집, 데이터 정제 및 보정 3단계를 통하여 신뢰도 분석에 필요한 데이터를 확보하였고, 그 이후 MINITAB을 이용하여 신뢰도 분석을 진행하고 그 결과에 대하여분석하였다.
본 논문에서는 우리 군에서 사용하는 개인화기인 5.56 mm 소총에 대하여 야전운용제원을 기반으로 하여 수리가능한 시스템에 대한 신뢰도분석 방법 중 하나인 MINITAB의 HPP모형을 적용하여 신뢰도 분석을 진행하였다.

대상 데이터

우선 고장데이터의수집범위의 한계점이다. 본 논문에서는 2010년부터2018년까지의 고장데이터만을 대상으로 분석을 실시하였다. 육군에서는 2010년부터 DELIIS체계를 이용하여 장비들의 운용 및 정비이력을 관리하여 왔다.
신뢰도 분석을 위한 야전운용제원은 현재 육군에서 관리하고 있는 DELIIS/A 체계에 입력된 운용 및 정비 데이터를 제공받았다. 제공받은 정보는 고장영향, 정비종류, 정비시작 및 완료일, 교환 수리부속 등이 포함되어 있다.

데이터처리

정제 및 보정된 야전운용제원을 통계분석 소프트웨어인 MINITAB에 입력하여 신뢰도를 분석하였다. 분석은 다음과 같은 가정 하에서 수행되었다.

이론/모형

시스템의 신뢰도를 나타내는 척도로 고장간 평균시간(MTBF: Mean Time Between Failure, 이하 MTBF)가 있다. MTBF에서의 시간은 측정한 기간을 의미하는데 시스템의 특성에 따라서는 MRBF, 고장간 평균킬로미터(MKBF: MeanKilometers Between Failure), 고장간 평균사이클(MCBF: Mean Cycle Between Failure) 등을 사용하기도 하는데 본 연구에서는 소총의 특성상 MRBF를 신뢰도에 대한 척도로서 사용하였다.
본 연구의 분석대상인 소총의 경우 다음 4장에서와 같이 고장을 주기성 교환품목을 제외한 부품의 교환으로 정의하였으므로 수리이후 초기상태로 돌아온다고 가정할 수 있다. 따라서 고장률이 일정한 HPP 모형을 적용하여 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 소총의 MRBF를 도출해야 하므로 모수적 모형인 포아송 과정 모형을 적용하였다. 포아송 과정이란 고장현상을 분석하는데 널리 이용되는 비교적 단순한 모수적 모형이다.
아래 Fig. 3와 같이 MINITAB의 [통계분석 → 신뢰성/생존분석 → 복구 가능한 시스템 분석 → 모수 성장 곡선] 기능을 통해 분석을 진행하였으며, 모수의 추정방법은 최우추정법을 적용하였다.

성능/효과

1) 분석결과 소총의 MRBF는 251.73발이었으며, 부품 그룹별 신뢰도는 가스활대 조립체가 20,061.3발, 복좌스프링 및 밀대 조립체가 3,994발, 노리쇠집 조립체가1,947.02발, 윗총몸 조립체가 1,941.99발, 개머리 조립체가 1,374.71발, 아랫총몸 조립체가 1,191.29발, 총열조립체가 928.587발로 분석되었다. 그리고 이를 통하여총열 조립체, 아랫총몸 조립체, 개머리 조립체가 개선이필요하고 세부 부품 중에서는 장전손잡이, 방아쇠 등이개선이 필요한 것으로 식별하였다.
3) 2번 가정에 의해 소총의 고장률은 일정하다고 가정하며, 신뢰수준은 95.0%, 모수추정은 최우추정법을 사용한다.
셋째, 노리쇠 선단의 잠김턱 부분이 총열 연결쇠에 결합되어 탄알을 약실내에 고정시켜주는 잠김기능. 넷째, 발사조정간이 단발, 점사, 연발 위치에 놓여짐으로써 격발이 준비되며 사용자가 방아쇠를 당기면 격발링크를 통하여 공이치기를 해제함으로써 공이치기가 공이를 타격하는 발사기능. 다섯째, 노리쇠가 약실 홈으로부터 빠져 나오는 풀림기능.
넷째, 발사조정간이 단발, 점사, 연발 위치에 놓여짐으로써 격발이 준비되며 사용자가 방아쇠를 당기면 격발링크를 통하여 공이치기를 해제함으로써 공이치기가 공이를 타격하는 발사기능. 다섯째, 노리쇠가 약실 홈으로부터 빠져 나오는 풀림기능. 여섯째, 발사된 탄피를 약실 밖으로 끌어내는 추출기능.
3발 가장 높았으며 그 다음으로 복좌스프링 및 밀대 조립체, 노리쇠집 조립체, 윗총몸 조립체, 개머리 조립체, 아랫총몸 조립체, 총열 조립체 순으로 분석 되었다. 때문에 운용환경에서의 신뢰도 향상을 위하여 총열 조립체, 아랫총몸 조립체, 개머리 조립체 순으로 개선이 필요하다는 것을 확인하였다.
둘째, 약실 내부로 탄알을 밀어 넣어주는 장전기능. 셋째, 노리쇠 선단의 잠김턱 부분이 총열 연결쇠에 결합되어 탄알을 약실내에 고정시켜주는 잠김기능. 넷째, 발사조정간이 단발, 점사, 연발 위치에 놓여짐으로써 격발이 준비되며 사용자가 방아쇠를 당기면 격발링크를 통하여 공이치기를 해제함으로써 공이치기가 공이를 타격하는 발사기능.
소총의 부품 그룹에 대한 MRBF값 분석결과 가스활대 그룹이 20,061.3발 가장 높았으며 그 다음으로 복좌스프링 및 밀대 조립체, 노리쇠집 조립체, 윗총몸 조립체, 개머리 조립체, 아랫총몸 조립체, 총열 조립체 순으로 분석 되었다. 때문에 운용환경에서의 신뢰도 향상을 위하여 총열 조립체, 아랫총몸 조립체, 개머리 조립체 순으로 개선이 필요하다는 것을 확인하였다.
신뢰도 분석 결과 가스활대 그룹의 MRBF가 20,061.3발로 가장 높았으며, 총열그룹의 MRBF가 928.587발로 가장 낮았다.
일곱째, 차개가 탄피를 총몸 밖으로 밀어내는 방출기능. 여덟째, 노리쇠집 조립체가 후퇴되면서 공이치기 스프링을 압축하여 공이치기가 뒤로 넘어가 방아쇠 걸림턱에 걸리는 공이치기 잠김기능까지 총 8개의 기능이 있다.
소총의 세부 부품별 야전운용제원을 확인한 결과 고장이 발생한 93개 부품 중 상위 10개 부품목록을 Table 3에 나타내었다. 윗총몸 그룹에 속한 장전손잡이가 총19,126건의 고장이 발생하여 MRBF가 3,807발로 가장낮았으며, 그 다음으로 아랫총몸 그룹에 속한 방아쇠의MRBF가 4,442발, 총열 그룹에 속한 가스조절기의 MRBF가 4,585발로 확인되었다.
확인결과 격발과 연관된 공이, 점사기능과 연관된 치차스프링이 있었으며, 이 부품들은 야전운용제원 상 16번째,67번째로 많은 고장이 발생한 품목이다. 이를 통하여 실제 야전환경에서는 소총의 핵심기능인 사격충격에 의한 고장보다 총열 그룹, 개머리 그룹처럼 외부로 드러난 부품의 고장이 다수 발생됨을 알 수 있었다.
이와 비교하기 위하여 현재 소총의 납품 전 수락검사 간 발생하는 고장부품을 확인해 보았다. 확인결과 격발과 연관된 공이, 점사기능과 연관된 치차스프링이 있었으며, 이 부품들은 야전운용제원 상 16번째,67번째로 많은 고장이 발생한 품목이다. 이를 통하여 실제 야전환경에서는 소총의 핵심기능인 사격충격에 의한 고장보다 총열 그룹, 개머리 그룹처럼 외부로 드러난 부품의 고장이 다수 발생됨을 알 수 있었다.
확인결과 소총의 수명자료가 직선상에 분포되므로 소총의 고장률은 지수분포를 따르고, 정상 포아송 과정의 성질을 가진다고 할 수 있다.

후속연구

2) 본 연구를 통하여 야전운용제원을 이용한 소총의신뢰도 분석의 한계점을 도출하였다. 우선 고장데이터의수집범위의 한계점이다.
이러한 사유 때문에 2010년 부터의 고장데이터 만을 대상으로 분석을 진행하였으나, 그 이전의 데이터가 추가되었다면 더 정확한 운용환경에서의 신뢰도를 분석할 수 있었을 것이라고 생각된다. 또한 각각의 소총별로 사격발수 및 정비횟수 등 야전운용제원을 획득하는것이 불가능하여 분석대상 부대가 보유하고 있는 전체 소총에 대한 신뢰도분석을 진행할 수 밖에 없었던 한계가 있었다.
3) 이러한 한계점에도 불구하고 본 연구에서는 현재 획득가능한 수준의 야전운용제원을 가지고 소총의 신뢰도를 분석하는 방법을 제시하였고, 국내 최초로 야전운용제원을 기반으로 소총에 대하여 신뢰도 분석을 진행하였으며, 야전환경에서 신뢰도 증진을 위해 개선이 필요한 부품을 식별하였다. 앞으로 지속적인 연구와 개선을 통하여 소총 및 기관총 등의 소구경화기에 대한 운용환경에서의 신뢰도를 향상시키는데 기여할 수 있으리라 생각된다.
육군에서는 2010년부터 DELIIS체계를 이용하여 장비들의 운용 및 정비이력을 관리하여 왔다. 이러한 사유 때문에 2010년 부터의 고장데이터 만을 대상으로 분석을 진행하였으나, 그 이전의 데이터가 추가되었다면 더 정확한 운용환경에서의 신뢰도를 분석할 수 있었을 것이라고 생각된다. 또한 각각의 소총별로 사격발수 및 정비횟수 등 야전운용제원을 획득하는것이 불가능하여 분석대상 부대가 보유하고 있는 전체 소총에 대한 신뢰도분석을 진행할 수 밖에 없었던 한계가 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	5.56 mm 소총이란 무엇인가?	5.56 mm 소총은 전군이 사용하는 개인화기로서 가장 많이 보급되고 운용 중에 있는 군수품 중 하나이다. 국내개인화기 생산의 역사는 1974년 미국 콜트사로부터 M16A1소총 면허생산을 시작으로 1980년대초 한국형 기관단총인 K1기관단총이 개발·양산되었으며, 1984년 한국형 소총인 K2소총이 양산되어 현재까지 30년 이상 운용되고 있다.
	국내개인화기 생산의 역사는 어떠한가?	56 mm 소총은 전군이 사용하는 개인화기로서 가장 많이 보급되고 운용 중에 있는 군수품 중 하나이다. 국내개인화기 생산의 역사는 1974년 미국 콜트사로부터 M16A1소총 면허생산을 시작으로 1980년대초 한국형 기관단총인 K1기관단총이 개발·양산되었으며, 1984년 한국형 소총인 K2소총이 양산되어 현재까지 30년 이상 운용되고 있다. 5.
	소구경화기가 군인에게 있어서 가장 기본적이고 필수적인 무기인 이유와 역할은?	소구경화기는 군인에게 있어서 가장 기본적이고 필수적인 무기이다. 자신을 보호하고 부여된 임무를 수행함에 있어 그 임무의 종결을 확인할 수 있는 최후의 무기이기 때문에 현대전에서도 항상 빠지지 않고 핵심적인 역할을 하고 있다. 이러한 소총이 본연의 목적을 달성하기 위해서는 정상적인 기능의 발휘가 필수적이다.

참고문헌 (5)

H. J. Lee, "Rifle and Ballistics", Cheong Moon Gak, pp. 1-2, 1998
G. M. Park, "A Study on Process and Case of RAM Analysis in Ground Weapon System Using Field-Data", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 20, No. 5, pp. 485-491, 2019. DOI: https://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2019.20.5.485
S. K. Seo, "Minitab Reliability Analysis", Eretec Inc, pp. 507-566, 2015
Army Headquarters, "5.56mm K2 Rifle : Users and Assistant Maintenance Manual", Army Headquarters, pp. 46-50, 2004
H. J. Lee, B. K. Kim, "The Improvement Report on Durability Defects of K2 Rifle", DTAQ, pp. 6-39, 2015

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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