[논문]전차 포신의 보증압력 신뢰성 향상 연구

김성훈; 박영민; 노상완; 전상배

doi:10.5762/kais.2020.21.8.115

전차 포신의 보증압력 신뢰성 향상 연구
A Study on the Reliability Improvement for Assurance Pressure of Tank Gun Barrel 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.8, 2020년, pp.115 - 122

김성훈 (국방기술품질원 기동화력센터) , 박영민 (국방기술품질원 기동화력센터) , 노상완 (국방기술품질원 기동화력센터) , 전상배 (현대위아 특수개발팀)

초록
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본 연구는 전차에 적용중인 포신의 보증압력이 미국의 원 규격과 과거에 제정된 한국 규격에 명시된 수치가 상이하고 사용 중인 탄종의 최대압력과도 상이하여 운용 간 제한사항이 예상됨에 따라 포신 보증압력의 신뢰성을 확보하기 위한 연구이다. 사격은 포의 약실내부에서 추진제의 폭발로 이루어지며 전투장비는 이러한 사격 충격력을 견딜 수 있도록 설계된다. 만일 충격력을 효과적으로 제어하지 못하면 장비의 반동으로 인해 사격 정확도가 낮아진다. 전차에서 사용될 신규 탄 개발 중, 전차포 규격에 명시된 포신의 보증압력 값(포신AP)보다 탄의 최대 발생 압력 값이 약 3,000 psi정도 높은 것이 확인되었다. 이러한 문제를 해소하기 위하여 포신의 보증압력 상승 시 신뢰성 확보 가능 여부를 분석하였다. 먼저 국외 기술자료 검토를 수행하여 보증압력 상승 사례를 확보 후 확인사격시험을 통해 고압에서 견디는지 실험하였다. 마지막으로 주퇴복좌장치의 안정성을 시뮬레이션을 이용하여 분석 하였다. 연구 결과 모든 항목에 대해 이상 소견은 발견되지 않아 신규 탄종에 맞게 포신의 보증압력 상승이 가능하다고 판단하였다. 본 연구는 향후 유사장비의 신뢰성 연구 시 기초자료로 활용 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study aimed to improve the reliability of the assurance pressure of a gun barrel due to the difference between the US Standard and Korean Standard. In addition, the reliability was found to differ according to the maximum pressure of the Ammunition, so restrictions are expected. During the development of the new bullet, the maximum pressure of the bullet was approximately 3,000 psi higher than the assurance pressure of the gun barrel. To solve this problem, the reliability of the cannon was analyzed when the assurance pressure of the gun barrel increased. First of all, the technical data from overseas were reviewed to check for cases of increased assurance pressure, and tests were performed to determine if it could withstand high pressure through a verification firing test. Finally, the simulation analyzed the stability of the recoil buffer. The study found no abnormal results in all items, suggesting that an increase in the assurance pressure for a gun barrel was possible. This study is expected to be used as basic data for future reliability studies of similar equipment.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Shape of Gun
표 Table 1. History of Revision(MIL-C-00000C)
그림 Fig. 2. Procedure diagram for Shooting Test
그림 Fig. 3. Bore Dimension of rifled Land(Average)
그림 Fig. 4. Bore Dimension of rifled Groove(Average)
그림 Fig. 5. Bore Dimensions of rifled Land(Individual)
표 Table 2. Conditions of Firing Test
표 Table 3. Allowable Bore Enlargement
그림 Fig. 6. Bore Dimensions of rifled Groove(Individual)
그림 Fig. 7. Analysis Result of 1.125°
그림 Fig. 8. Analysis Result of 15°
그림 Fig. 9. Analysis Result of 25°
그림 Fig. 10. Analysis Result of 35°
표 Table 4. Analysis Result

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 전차에 적용중인 포신의 보증압력이 미국의원 규격과 과거에 제정된 한국 규격에 명시된 수치가 상이하고 사용 중인 탄종의 최대압력과도 상이하여 운용간 제한사항이 예상됨에 따라 포신 보증압력 상승 시의 신뢰성을 확인하기 위해 수행되었다. 국외 기술자료 검토, 확인사격시험, 주퇴복좌장치 안정성 분석을 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 따라 본 연구에서는 해외 포신 규격을 통해 이론적 근거를 확보함과 더불어 실제 사격시험을 수행하고 결과를 분석하여 현재 활용 중인 탄과 견주었을 때 포신이 충분한 구조적 강도를 보유하고 있는지에 대해 분석하였다.

제안 방법

또한 사격 충격력을 흡수하는 주퇴복좌장치의 탄압력 대비 구조적 안전성을 확인하여 포신 및 주퇴복좌장치의 내구성에 대해 신뢰성 있는 결과를 도출하였고, 이에 따라 모순되었던 규격들을 변경한 연구내용을 서술하였다.
이에 따라 유압해석 전문 시뮬레이션 프로그램인 AMESim 소프트웨어를 활용하여 보증사격 각도별 충격력에 따른 주퇴복좌장치의 주퇴속도, 주퇴거리, 주퇴압력에 대한 변화를 해석하여 안전성을 검토하였다. AMESim은 전차포, 자주포의 주퇴복좌 특성을 분석하기 위해 주로 사용되는 소프트웨어라 할 수 있다[11].
주퇴특성을 살펴보기 위해 주퇴오리피스는 약 350 mm, 주퇴유의 체적 탄성계수는 13,790 bar, 점성계수는 17.575 cP로 기초자료를 입력하였으며, 실제 활용되는 복좌스프링의 특성을 반영하기 위해 894.1 mm의 자유장, 스프링 상수는 4.14 kgf/mm² 로 입력하였다. 상기 조건을 입력하여 각도별 시뮬레이션 결과를 산출하였으며, 결과는 Fig.
또한 시험은 기존 보증사격시험 규격(62,000 psi의 113 ± 4 %)을 합격한 포신을 활용하였다. 포신의 온도를 상승시키기 위한 목적으로 가온탄 2발을 먼저 사격한 후, 고압탄 4발을 사격하였으며 사격 전/후로 나누어 포신 내, 외부의 균열 및 파손 등을 육안으로 확인하였다. 확인결과 유의미한 손상이나 균열, 파손 등은 확인되지 않았다.
현재 한국의 포신 규격은 최대 72,000 psi 수준까지의 압력에 대해 보증하고 있으며 보증범위를 초과하는 압력 중, 유의미한 결과를 도출하기 위해 Table 2의 시험조건과 같이 고압탄의 압력이 73,000 ~ 75,000 psi (기존대비 +109~113%)수준이 되도록 탄 추진제 약량 조절 및 온도처리를 하여 사격시험을 실시하였다.

대상 데이터

또한 시험은 기존 보증사격시험 규격(62,000 psi의 113 ± 4 %)을 합격한 포신을 활용하였다. 포신의 온도를 상승시키기 위한 목적으로 가온탄 2발을 먼저 사격한 후, 고압탄 4발을 사격하였으며 사격 전/후로 나누어 포신 내, 외부의 균열 및 파손 등을 육안으로 확인하였다.
전차 포신은 최초 미국 M68 포신(소재)을 도입하여 활용하였으며, 한국규격화 당시 M68의 규격자료를 참조하여 규격을 제정하였다. 이에 따라 미국 규격과 한국 규격의 요구조건은 동등 수준이어야 하나, 포신 보증압력 값이 상이한 것이 식별되었다.

성능/효과

1. 전차 포신 규격은 미국에서 운용중인 전차 포신 (M68)의 규격을 참조하여 제정된 것으로, 미국의 규격은 2번의 개정이 이루어지면서 보증사격시험 압력이 기존 최대 72,000 psi 수준에서 최대 75,000 psi 수준으로 변경되었다.
2. 포신에 가온탄 2발과 고압탄 4발을 사격 후 포강 (포신) 확장량을 확인한 결과, 규격을 만족하였으며 자분탐상시험에서도 결함이 존재하지 않았다.
결과 그래프와 같이 고압사격 후 강선, 강저의 변화 치수는 규격을 만족하나 강선은 10μm, 강저는 8μm가 감소하였다. 사격을 실시했음에도 불구하고 내경이 감소한 원인은 2.
압력증대(75,000 psi수준)에 따른 주퇴복좌장치의 특성 시뮬레이션 결과 주퇴속도, 주퇴거리, 주퇴압력은 다소 증가하는 경향을 보였으나 규격에서 요구하고 있는 수치들을 모두 만족하는 것으로 확인되었다. 특히 안전율(정압압력/주퇴압력)은 최소 3.
45로 압력이 증대되어도 주퇴복좌장치의 안전성에는 이상이 없었다. 연구결과에 따라 신규 제작되는 포신은 신규탄 사용이 가능하도록 보증압력을 변경하였다. 본 연구는 향후 유사장비의 신뢰성 연구 시 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.
전차포 규격에 명시된 포신의 보증압력 값(포신AP)과 실제 사용되고 있는 탄의 최대 발생압력 값이 상이한 것이 확인되었다.
3. 주퇴복좌장치 안정성을 분석한 결과 주퇴속도, 주퇴거리, 주퇴압력은 다소 증가하였으나 규격 요구 수치는 모두 만족하였으며, 안전율은 최소 3.45로 압력이 증대되어도 주퇴복좌장치의 안전성에는 이상이 없었다. 연구결과에 따라 신규 제작되는 포신은 신규탄 사용이 가능하도록 보증압력을 변경하였다.
압력증대(75,000 psi수준)에 따른 주퇴복좌장치의 특성 시뮬레이션 결과 주퇴속도, 주퇴거리, 주퇴압력은 다소 증가하는 경향을 보였으나 규격에서 요구하고 있는 수치들을 모두 만족하는 것으로 확인되었다. 특히 안전율(정압압력/주퇴압력)은 최소 3.45를 확보하는 것으로 확인되어 압력이 증대된 조건에서의 주퇴복좌장치 성능 및 구조 안전성에도 문제가 없는 것으로 판단하였다. 해석결과와 규격의 비교는 Table 4와 같다.
관련 문헌 확인 결과, 포신 길이와 탄약 압력에 따른 내부 유동 특성 연구[1], 포신 강선을 고려한 포 발사 해석[2], 포신 소재 공정에 관한 연구[3], 포신 강선의 마모 측정 관련 연구[4] 등 포신에 대한 연구는 활발하게 진행 중이나 이미 연구개발단계에서 정해진 포신 보증압력에 대한 신뢰성 측면의 연구는 미미한 것이 확인되었다.
포신은 최대 약 72,000 psi(62,000 psi의 113±4%) 수준의 압력을 견뎌야 하도록 명시되어 있는 반면에, 사용되는 탄의 발생압력은 최대 75,000 psi 수준으로 명시되어 있었다. 다시 말해 탄으로 인해 발생되는 최대압력이 전차포가 견딜 수 있는 최대압력보다 약 3,000 psi만큼 높은 상황이었다.

후속연구

더불어 포신 보증압력과 군에서 운용되는 탄의 압력을 비교하였을 때 포신 보증압력이 신규 추가된 탄종의 최대압력에 비해 낮은 것이 식별되어 이에 대한 검토가 요구되었다.
따라서 향후 M68포신의 운용 안전성을 고려하여 최대 75,000 psi의 보증사격시험 압력에 대한 신뢰성 있는 검증이 요구되어 사격시험을 실시하였다.
연구결과에 따라 신규 제작되는 포신은 신규탄 사용이 가능하도록 보증압력을 변경하였다. 본 연구는 향후 유사장비의 신뢰성 연구 시 기초자료로 활용될 것으로 기대한다.
사격시험 결과를 토대로 포신은 75,000 psi 수준의 탄 발생압력을 견딜 수 있는 것으로 확인되었으나 주퇴복좌장치가 상승된 탄 압력을 흡수하는 기능을 정상적으로 수행 할 수 있는 지에 대한 검토가 추가로 요구되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	포신은 어떠한 역할을 하는가?	무장은 크게 포신 조립체 및 주퇴복좌장치로 구성된다. 포신 조립체는 포신과 포미장치로 나누어지는데 포신은 높은 사격 압력을 지지하며 탄두가 목표지점까지 비행하도록 발사하는 역할을 한다. 포미장치는 사격 충격력을 지지하고 장전 및 탄피추출을 위한 폐쇄기 개방 기능을 한다.
	포신과 관련되어 널리 사용되는 압력의 개념으로는 어떠한 것이 있는가?	포신과 관련되어 널리 사용되는 압력의 개념은 크게 4가지로 분류된다. 포신 안전 최대압력(SMP: Safe Maximum Pressure, 이하 SMP), 포신 설계 압력(DP: Design Pressure, 이하 DP), 운용압력(OP: Operation Pressure, 이하 OP), 보증압력(AP: Assura nce Pressure, 이하 AP)이 있다.
	포미장치는 어떠한 기능을 하는가?	포신 조립체는 포신과 포미장치로 나누어지는데 포신은 높은 사격 압력을 지지하며 탄두가 목표지점까지 비행하도록 발사하는 역할을 한다. 포미장치는 사격 충격력을 지지하고 장전 및 탄피추출을 위한 폐쇄기 개방 기능을 한다. 또한 주퇴복좌장치는 차체 및 포탑에 작용하는 사격 충격력을 요구수준으로 제어하는 주퇴기, 복좌기 및 저유기 등으로 구성된다.

참고문헌 (11)

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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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