[논문]EFP 관통자 특성과 비행 안정성에 대한 연구

이영선

doi:10.9766/kimst.2020.23.4.355

문제 정의

EFP는 작은 설계 수치에도 관통자 특성이나 비행특성이 달라질 수 있기에 본 연구에서는 주요 제작 파트인 라이너, 탄체, 잠금링, 화약의 제작 과정에서 발생하는 가공, 조립 공차를 확인하였다. 탄체의 경우 가공오차 1/10 이내, 라이너의 경우 가공오차 1/100 이내, 탄두 조립체의 경우 흔들림 공차가 1/10을 넘기지 않는 선에서 제작 하였다.
본 논문에서는 관통력 증대의 일환으로 비행 안정성을 확보한 단일 관통자 설계 연구를 위해 EFP 탄두를 설계하여 성능확인시험을 진행 하였고 라이너 형상에 따른 관통자의 특성을 시험을 통해 확인하였다. Explicit FEM code와 CFD code를 활용하여 각 모델에 대한 전산해석을 수행하였고 구조해석에서 얻은 결과와 성능확인 시험 결과를 비교하였다.
본 논문에서는 비행안정성에 대한 판단의 일환으로 모델별로 CP값을 확인하여 이를 비교하였다. 모델별 CP값은 시험에서 획득한 관통자의 형상 정보를 단순화 하여 2D 모델링 후 격자 작업 진행 하였고 Implicit code인 Fluent로 2D 유동해석을 수행하였다.
이는 조립된 탄체나 각 파트에서 발생되는 비대칭성 때문이 아닌 형성된 관통자가 충분히 확보하지 못한 비행 안정성 때문으로 보인다. 본 연구에서는 이를 개선하기 위해 관통자 날개 직경을 키우는 방향으로 VT3540P의 설계를 진행하였고 시험 결과 개선된 비행 거동을 확인하였다.
탄체의 경우 가공오차 1/10 이내, 라이너의 경우 가공오차 1/100 이내, 탄두 조립체의 경우 흔들림 공차가 1/10을 넘기지 않는 선에서 제작 하였다. 최종 조립된 탄체는 제작한 치구에 올려놓고 옆으로 회전시키면서 라이너 중심점에서 30 mm 떨어진 지점의 높낮이를 측정하였는데 이는 탄체의 흔들림 공차를 측정하기 위해서이다. 이때 각 탄체별 조립체의 흔들림 공차는 1/10을 넘기지 않았다.

가설 설정

모델별 CP값은 시험에서 획득한 관통자의 형상 정보를 단순화 하여 2D 모델링 후 격자 작업 진행 하였고 Implicit code인 Fluent로 2D 유동해석을 수행하였다. 유동은 fully turbulent flow로 가정하며 viscous model은 Spalart and Allmaras(1992)를 사용하여 계산하였다(Fig. 9).

제안 방법

EFP 관통자 특성을 확인하기 위해 Autocad와 Hypermesh를 사용하여 약 54만개의 육면체 격자를 생성 하였고 Explicit 기반으로 한 상용코드 LS-Dyna를 활용하여 3D 전체 모델로 전산해석을 수행하였다(Fig.6). 전산해석 기법은 요소의 변형을 빠른 시간 내에 정확하게 모사할 수 있는 Lagrangian method를 사용하였다^[8].
관통자 특성과 비행 안정성에 대한 연구를 진행하기 위해 두께별 라이너를 제작하여 관통자의 형상, 속도 그리고 비행 상태를 비행 시험과 전산 해석을 통해 확인하였다.
본 논문에서는 비행안정성에 대한 판단의 일환으로 모델별로 CP값을 확인하여 이를 비교하였다. 모델별 CP값은 시험에서 획득한 관통자의 형상 정보를 단순화 하여 2D 모델링 후 격자 작업 진행 하였고 Implicit code인 Fluent로 2D 유동해석을 수행하였다. 유동은 fully turbulent flow로 가정하며 viscous model은 Spalart and Allmaras(1992)를 사용하여 계산하였다(Fig.
본 논문에서는 화약과 탄체, 잠금링의 설계는 동일하게 진행하고 라이너만 설계를 달리하여 실험을 진행하였다(Table 1). 제작된 라이너는 R 방향으로 다른 두께를 적용하였다.
CP점 위치는 정적비행안정성의 판단이 되는 값으로 CP점이 뒤에 위치할수록 동일한 조건에서 더 큰 비행안정성을 갖는다. 비행안정성의 판단이 되는 정적비행안정성은 CP와 CG의 차로 정확한 계산이 가능한데 본 연구에서는 관통자 회수 시험을 진행하지 않았기 때문에 CP값에 대한 연구만 수행하였다. 정확한 비교를 위해서 추후 CG값에 대한 확인이 필요할 것으로 보인다.
설계 조건에 따른 관통자 특성, 비행 거동 등을 확인하기 위해 성능확인시험을 진행 하였고 각 모델별로 시험은 재현성 확인을 위해 두 번씩 진행 하였다(Fig. 4).
원활한 해석 수행을 위해 화약 에너지가 라이너에 전달된 기폭 후 50 μs 지점에서 탄체와 화약을 제거하였고 관통자의 속도 구배가 거의 없는 기폭 후 300 μs 지점까지 관통자의 거동을 계산하였다.
EFP 시험은 다음의 일련의 과정들로 진행 되었다. 탄두 거치 과정에서 관통자 비행 특성에 영향을 줄 부분을 최소화하기 위해 EFP 거치 후 탄체 위 레이저로 조준점을 확인하고 거치 상태를 조정하였다. 거치된 EFP는 기폭 된 이후 약 25 m 지점에 위치한 탄받이까지 비행하는데 이 사이에 FXR과 초고속카메라를 설치하여 비행 이미지를 획득 하였다.
EFP는 작은 설계 수치에도 관통자 특성이나 비행특성이 달라질 수 있기에 본 연구에서는 주요 제작 파트인 라이너, 탄체, 잠금링, 화약의 제작 과정에서 발생하는 가공, 조립 공차를 확인하였다. 탄체의 경우 가공오차 1/10 이내, 라이너의 경우 가공오차 1/100 이내, 탄두 조립체의 경우 흔들림 공차가 1/10을 넘기지 않는 선에서 제작 하였다. 최종 조립된 탄체는 제작한 치구에 올려놓고 옆으로 회전시키면서 라이너 중심점에서 30 mm 떨어진 지점의 높낮이를 측정하였는데 이는 탄체의 흔들림 공차를 측정하기 위해서이다.
라이너는 열처리한 압출 OFHC(Oxygen-free high-conductivity copper)를 사용하였고 화약은 LX-14 그리고 탄체와 잠금링은 SCM 440을 사용하여 제작하였다. 화약 직경은 90 mm, 중량은 0.9 kg로 동일하게 설계하였고 탄체는 boat tail type으로 제작하여 화약 에너지가 축 방향으로 집중되게 설계하였다. 잠금링과 탄체는 나사산으로 체결되어 조립된다.

대상 데이터

탄두 거치 과정에서 관통자 비행 특성에 영향을 줄 부분을 최소화하기 위해 EFP 거치 후 탄체 위 레이저로 조준점을 확인하고 거치 상태를 조정하였다. 거치된 EFP는 기폭 된 이후 약 25 m 지점에 위치한 탄받이까지 비행하는데 이 사이에 FXR과 초고속카메라를 설치하여 비행 이미지를 획득 하였다. FXR은 기폭점에서 1 m 위치에 초고속카메라는 18.
총 다섯 종류의 EFP를 제작하였고 제작된 EFP의 소재는 모두 동일하다. 라이너는 열처리한 압출 OFHC(Oxygen-free high-conductivity copper)를 사용하였고 화약은 LX-14 그리고 탄체와 잠금링은 SCM 440을 사용하여 제작하였다. 화약 직경은 90 mm, 중량은 0.
총 다섯 종류의 EFP를 제작하였고 제작된 EFP의 소재는 모두 동일하다. 라이너는 열처리한 압출 OFHC(Oxygen-free high-conductivity copper)를 사용하였고 화약은 LX-14 그리고 탄체와 잠금링은 SCM 440을 사용하여 제작하였다.

데이터처리

본 논문에서는 관통력 증대의 일환으로 비행 안정성을 확보한 단일 관통자 설계 연구를 위해 EFP 탄두를 설계하여 성능확인시험을 진행 하였고 라이너 형상에 따른 관통자의 특성을 시험을 통해 확인하였다. Explicit FEM code와 CFD code를 활용하여 각 모델에 대한 전산해석을 수행하였고 구조해석에서 얻은 결과와 성능확인 시험 결과를 비교하였다.

이론/모형

6). 전산해석 기법은 요소의 변형을 빠른 시간 내에 정확하게 모사할 수 있는 Lagrangian method를 사용하였다^[8]. 원활한 해석 수행을 위해 화약 에너지가 라이너에 전달된 기폭 후 50 μs 지점에서 탄체와 화약을 제거하였고 관통자의 속도 구배가 거의 없는 기폭 후 300 μs 지점까지 관통자의 거동을 계산하였다.
전산해석에 적용한 물성 데이터는 최종 가공 전 소재로 준정적/동적 물성 테스트를 수행하여 획득하였고, 변형률 속도 10^-3 s^-1 ~ 10³ s^-1 영역 내 상온, 고온에서 획득한 물성 결과를 고압/고속 영역에서의 재료의 거동모사가 가능한 Johnson-Cook 모델(Eqn. 1)에 적용, 항복응력 A, 가공경화 계수 B, 가공경화 지수 n, 변형률 속도 계수 C 그리고 온도 연화 지수인 m을 구하여 해석 수행 하였다[9]. 각 파트별 적용 물성 모델과 주요 소재인 라이너의 물성, EOS 계수 값에 대한 정보는 Table 3, 4에서 확인할 수 있다.

성능/효과

2, 42 mm로 측정되었다.(초고속 카메라 이미지 값) 전산해석에서도 VT3540P의 관통자 날개 직경이 VT3540보다 약 3 mm 크게 확인되었다.
1) 라이너의 두께가 감소할수록 관통자의 속도가 줄어드는 것을 전산해석과 시험 결과를 통해 확인하였다. FEM 해석 결과 실제 시험 대비 관통자 속도는 4~9 %, 관통자 세장비는 10~30 % 크게 계산되었지만 전반적으로 시험 결과와 해석 결과의 경향이 일치함을 확인하였다.
2) 관통자의 비행 상태는 관통자의 비행 안정성 상태에 밀접한 영향이 있음을 시험과 해석을 통해 확인하였다. VT3540 경우 폭발 직후 FXR 촬영 이미지에선 안정적인 비행 거동을 보이나 15 m 떨어진 시점에선 불안정한 상태를 보인다.
1) 라이너의 두께가 감소할수록 관통자의 속도가 줄어드는 것을 전산해석과 시험 결과를 통해 확인하였다. FEM 해석 결과 실제 시험 대비 관통자 속도는 4~9 %, 관통자 세장비는 10~30 % 크게 계산되었지만 전반적으로 시험 결과와 해석 결과의 경향이 일치함을 확인하였다.
Fig. 7에서 확인할 수 있듯이 VT3035P에서 VT4045P로 갈수록 즉, 라이너 가장자리 두께가 두꺼워지고 라이너 중량이 늘어날수록 관통자의 속도가 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이는 라이너에 제공되는 에너지는 동일하지만 라이너 무게로 인해 관통자 속도에 차이가 발생하는 것으로 보인다.
VT3540은 단일 관통자로 세장비가 크고 속도가 빠르나 전체 비행 거동을 살펴보면 경사각을 가지고 비행한다. 개선된 결과를 얻기 위해 비슷한 VT3540P 모델을 설계하였고 더 나은 비행 거동을 확인 할 수 있었다. 이는 VT3540P가 VT3540보다 더 충분한 정적비행안정성을 확보하고 있는 것으로 보인다.
관통자 거동에 주요한 영향을 주는 라이너는 10⁴s^-1 ~ 10⁵ s^-1 영역까지 strain rate이 도달하는 걸로 예상된다. 본 연구에 적용된 라이너 소재의 물성 모델은 Johnson-Cook 모델로 strain rate이 10³ s^-1을 넘어가면 plastic strain을 실제 시험 결과보다 적게 예측하는 경향을 보인다. 10³ s^-1 이후를 잘 모사하는 modified Johnson-Cook 모델을 사용하면 이런 부분 개선될 것으로 판단된다^[10].
Table 7에 나와 있는 VT3540P는 앞서 설명한 VT3540과 비슷하지만 라이너 가장자리를 더 두껍게 설계한 모델이다. 시험 결과 VT3540보다 안정한 비행결과를 보이는데 이는 VT3540P의 관통자 날개 부분의 직경이 더 크게 성형되면서 VT3540에 비해 더 충분한 비행안정성을 확보한 것으로 보인다. VT3540 관통자 날개의 직경은 29.
시험에서 획득한 관통자 정보와 해석을 통해 모사한 관통자 정보를 비교한 결과 관통자 속도가 실제 측정된 값 대비 4~9 % 크게 세장비는 10~30 % 크게 계산된 것을 확인할 수 있었다(Fig. 8). 전산해석과 시험 결과 값에 차이가 발생하는 주요한 이유는 다음과 같이 두 가지로 판단된다.

후속연구

관통자에 외력이나 모멘트에 의해 간섭이 발생했더라도 비행안정성을 충분히 확보한 단일한 구조의 관통자가 형성된다면 표적까지 안정되게 도달할 수 있다. 따라서 EFP를 설계하고 관통자의 성능을 예측하는데 관통자 형상 확인과 비행안정성에 대한 고려가 설계단계에서 이뤄진다면 EFP 성능향상에 도움이 될 것이라 판단된다.
본 결과들은 EFP의 관통성능 증대를 위한 관통자 특징, 비행 안정성 연구에 유용하게 사용될 것으로 판단된다.
비행안정성의 판단이 되는 정적비행안정성은 CP와 CG의 차로 정확한 계산이 가능한데 본 연구에서는 관통자 회수 시험을 진행하지 않았기 때문에 CP값에 대한 연구만 수행하였다. 정확한 비교를 위해서 추후 CG값에 대한 확인이 필요할 것으로 보인다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EFP의 비행 안정성이 관통 능력에 포함되는 까닭은 무엇인가?	EFP는 일반적으로 원거리를 비행하기 때문에 비행 안정성 또한 관통 능력의 하나로 고려해야한다. 타겟을 관통하기에 충분한 운동 에너지와 세장비를 가진 EFP를 설계했더라도 형성된 관통자가 타겟에 경사각(Angle of attack)을 가지고 조우하거나 관통자가 분리된 채로 형성되면 관통성능이 줄어들기 때문이다.
	Explosively formed penetrator의 성형작약과 비교되는 특징은 무엇인가?	이러한 EFP는 Shaped charge와 비슷한 구조를 가지고 있는데 사용 거리와 요구되는 관통력에 따라 사용되는 종류가 다르다. 일반적으로 Shaped charge는 관통자가 축 방향으로 길게 연신되고 관통자의 속도는 8~10 km/s로 발달되어 주로 근거리에 있는 강도가 강한 물체를 관통하는데 사용되는 반면 EFP는 상대적으로 관통자의 연신되는 길이가 짧고 원거리에 위치한 타겟을 관통하는데 사용된다[1].
	EFP의 관통능력은 무엇으로 판단할 수 있는가?	EFP의 관통 능력은 관통자의 운동 에너지와 관통자의 형상으로 판단할 수 있는데 관통자의 운동 에너지나 세장비(L/D)가 커질수록 타겟을 효율적으로 관통할 수 있다. 관통성능을 증대시키기 위해선 관통자 형성특성에 영향을 주는 설계 요소들에 대한 이해가 필수적이다.

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