[논문]강내탄도 내 차압 감소를 위한 추진제 위치 연구

장진성; 성형건; 노태성; 최동환

강내탄도 내 차압 감소를 위한 추진제 위치 연구
Study on the Propellant Position for the Decrease of the Differential Pressure of the Interior Ballistics 원문보기

장진성 (인하대학원 항공우주공학과) , 성형건 (인하대학원 항공우주공학과) , 노태성 (인하대학교 기계공학부) , 최동환 (인하대학교 기계공학부)

IBcode를 강내 차압감소를 위한 추진제 위치 연구를 수행하였다. 보통 화포의 추진제는 금속재질이나 소진탄피에 장전된다. 따라서 약실이 탄피보다 크다면 추진제(탄피)의 위치가 강내탄도 성능의 주요인자가 된다. 본 연구에서는 약실 내 빈 공간이 발생하였을 경우를 고려하여 연구를 수행하였다. 3가지 경우에 대해 연구를 수행하였고, 추진제가 약실 가운데에 위치하였을 경우 Breech나 Base에 위치하였을 때의 강내 차압이 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서 약실 가운데에 추진제를 위치시키는 것이 강내탄도 성능 향상에 유리하다는 결론을 내릴 수 있었다.

The position effect of the solid propellant in the combustion chamber on the decrease of the differential pressure has been investigated using the IBcode. Generally the metallic cartridge or CCC (combustible cartridge case) as the propellant for the cannon has been loaded. The position of the propellant(cartridge) is, therefore, a major factor for the interior ballistics in case the combustion chamber is larger than the cartridge. In this study, three cases of the existence of empty space in the chamber has been considered. As results, the case of the propellant located in the region near the base and breech has shown that the negative differential pressure and the difference between the breech pressure and the base pressure are much higher than those of the case of the propellant located in the center of the chamber. The case of the propellant in the center of the chamber is, therefore, more profitable to improve the performance of the interior ballistics.

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문제 정의

기존의 무차원 코드는 약실 내 추진제의 위치에 대한 묘사가 불가능하며, 장진성 등이 1차원 코드를 이용하여 추진제 위치에 따른 강내탄도 성능해석을 수행한 바가 있으나 강내 차압 감소 방안을 제시하지는 못하였다[3]. 이에 본 연구에서는 약실 내 추진제의 위치를 변경해 가며 강내탄도 성능해석을 수행하였으며, 강내탄도내 차압을 감소시켜 강내탄도 성능향상에 적합한 약실 내 추진제 위치를 제시하였다.
2의 해석 Case 1과 같이 추진제를 포미(Breech) 쪽에 위치시켜 탄저(Base) 쪽에 빈 공간을 생성시키는 경우와 반대로 해석 Case 2와 같이 추진제를 탄저 쪽에 위치시켜 포미 쪽에 빈 공간을 생성시키는 경우, 마지막으로 해석 Case 3과 같이 추진제를 약실 가운데 위치시켜 포미와 탄저 쪽 양쪽에 빈 공간을 생성시키는 방법이다. 이에 본 연구에서는 언급한 3가지의 경우에 대한 강내탄도 성능해석 및 차압비교 연구를 수행하였다.

제안 방법

Figure 9에 나타나듯이 Breech, Base Case의 경우, 강내 압력 진동에 의해 마이너스 차압이 발생하는 것뿐만 아니라 차압 변동의 폭이 Center Case에 비해 상당히 증가함을 확인할 수 있다. 강내 차압에 영향을 미치는 요소에는 약실내 점화제 주입 위치[8]나 추진제의 연소율[9] 등의 여러 가지 요인이 있으나 본 연구에서는 약실 내 추진제의 위치만을 고려하였다. 따라서 본 연구에서 가정한 조건하에서는 약실에 추진제(탄피)를 장전할 시 Breech 쪽이나 Base 쪽에 위치 시키는 것이 아니라 양쪽에 균일하게 빈 공간을 두고 위치시키는 것이 화포의 안전성 및 성능 향상에 유리하다는 결론을 내릴 수 있다.
강내탄도 내 차압 감소를 위한 약실 내 추진제 위치에 대한 전산해석을 수행하였다. 약실 내빈 공간이 발생할 경우, 강내 압력의 국부적인 상승으로 인한 압력파가 생성되며 약실 내 빈공간 쪽으로 전파가 됨을 확인했다.

데이터처리

강내탄도 내의 유동장을 해석하기 위해 압축성 SIMPLE 알고리즘을 사용하여 IBcode를 작성하였고 무차원 강내탄도 해석코드인 IBHVG2[6]와의 결과 비교를 통해 검증을 완료하였다[4]. 공간 이산화는 SMART scheme을 사용하였다[7].

이론/모형

강내탄도 내의 유동장을 해석하기 위해 압축성 SIMPLE 알고리즘을 사용하여 IBcode를 작성하였고 무차원 강내탄도 해석코드인 IBHVG2[6]와의 결과 비교를 통해 검증을 완료하였다[4]. 공간 이산화는 SMART scheme을 사용하였다[7].
기상은 추진제 연소로 발생한 가스이며, 고상은 대부분의 강내탄도 해석코드의 경우 추진제만을 고려하므로 본 연구에서도 고상으로 추진제만을 고려하였다. 기상은 Eulerian 좌표계를 사용하고 고상은 Lagrangian 좌표계를 사용하였다[4]. 기상의 지배방정식은 전체부피에서 고상이 차지하는 부피를 나타내는 기공률을 도입한 1차원 Euler 방정식을 사용하며, 고상의 지배방정식은 Ergun이 제안한 관내 압력 강하식을 사용하며 이는 Eq.
기상은 Eulerian 좌표계를 사용하고 고상은 Lagrangian 좌표계를 사용하였다[4]. 기상의 지배방정식은 전체부피에서 고상이 차지하는 부피를 나타내는 기공률을 도입한 1차원 Euler 방정식을 사용하며, 고상의 지배방정식은 Ergun이 제안한 관내 압력 강하식을 사용하며 이는 Eq. 1과 같다[5].

성능/효과

강내 차압에 영향을 미치는 요소에는 약실내 점화제 주입 위치[8]나 추진제의 연소율[9] 등의 여러 가지 요인이 있으나 본 연구에서는 약실 내 추진제의 위치만을 고려하였다. 따라서 본 연구에서 가정한 조건하에서는 약실에 추진제(탄피)를 장전할 시 Breech 쪽이나 Base 쪽에 위치 시키는 것이 아니라 양쪽에 균일하게 빈 공간을 두고 위치시키는 것이 화포의 안전성 및 성능 향상에 유리하다는 결론을 내릴 수 있다.
강내 차압의 경우, 추진제를 약실 가운데 위치시켜 압력진동을 감소시킨 결과 마이너스 차압이 거의 나타나지 않은 뿐만 아니라 추진제를 Breech나 Base 쪽에 위치시킨 경우에 비해 낮은 차압 변화를 확인했다. 따라서 약실에 추진제를 장전할 시 Breech, Base 양쪽에 균일하게 빈 공간을 두고 위치시키는 것이 화포의 안전성 및 성능 향상에 유리하다는 결론을 내릴 수 있었다. 또한 탄자의 안정성 측면에서도 추진제를 약실 가운데 위치시키는 것이 유리하다는 결론을 다시 한 번 내릴 수 있었다.
따라서 약실에 추진제를 장전할 시 Breech, Base 양쪽에 균일하게 빈 공간을 두고 위치시키는 것이 화포의 안전성 및 성능 향상에 유리하다는 결론을 내릴 수 있었다. 또한 탄자의 안정성 측면에서도 추진제를 약실 가운데 위치시키는 것이 유리하다는 결론을 다시 한 번 내릴 수 있었다.
약실 내빈 공간이 발생할 경우, 강내 압력의 국부적인 상승으로 인한 압력파가 생성되며 약실 내 빈공간 쪽으로 전파가 됨을 확인했다. 압력파의 전파에 의해 강내 압력진동이 발생하나 추진제의 위치를 약실 가운데에 위치시켜 압력파의 전파를 Breech와 Base 쪽 양쪽으로 분산시켜 서로 상쇄시키는 경우에는 압력 진동이 감소함을 확인했다. 강내 차압의 경우, 추진제를 약실 가운데 위치시켜 압력진동을 감소시킨 결과 마이너스 차압이 거의 나타나지 않은 뿐만 아니라 추진제를 Breech나 Base 쪽에 위치시킨 경우에 비해 낮은 차압 변화를 확인했다.
강내탄도 내 차압 감소를 위한 약실 내 추진제 위치에 대한 전산해석을 수행하였다. 약실 내빈 공간이 발생할 경우, 강내 압력의 국부적인 상승으로 인한 압력파가 생성되며 약실 내 빈공간 쪽으로 전파가 됨을 확인했다. 압력파의 전파에 의해 강내 압력진동이 발생하나 추진제의 위치를 약실 가운데에 위치시켜 압력파의 전파를 Breech와 Base 쪽 양쪽으로 분산시켜 서로 상쇄시키는 경우에는 압력 진동이 감소함을 확인했다.

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