1. 서 론
고체추진기관은 충전 상태에서 장시간 보관이 가능하며, 추진제와 산화제가 혼합되어 보관되므로 즉각적인 발사가 가능하다. 또한 단순한 구조로 인해 설계와 제작이 용이하여 유도미사일에 폭넓게 사용된다[1,2,3,4]. 그러나 우발점화가 발생할 경우 광범위한 피해가 발생하므로 운용 중 안정성 확보가 필수적이다[5]. 이를 위해 둔감 화약을 사용하여 추진제를 충전하고 안정성이 높은 점화안전장치를 통해 동작시켜 우발점화를 방지한다. 점화안전장치는 소형화, 점검 편의성, 높은 안정성, 가격경쟁력을 바탕으로 다양한 제품이 개발되어왔다[6,7,8,9,10]. 국내 유도무기가 첨단화되어 고체 추진기관이 다양하게 활용되면서 이를 위한 점화안전장치도 무기체계 요구조건에 맞도록 개발되어왔다. 지대지 유도무기에서부터 함대지 유도무기, 지대함 유도무기 등 고체추진기관이 적용된 유도무기가 다양해지고 이를 위한 점화안전장치도 개량되어 왔다. 초기에는 운용자가 직접 작동시키는 기계식에서부터 외부 전원에 의해 작동하는 전기-기계식 점화안전장치, 전자-기계식 점화안전장치와 최신의 전자식 점화안전장치로 고도화되었다[11]. 특히 전자기계식 점화안전장치는 외부 신호로부터 발생하는 오작동이 추진기관 점화로 이어지지 않도록 방지하는 전자회로부를 포함하여 안정성을 높였다. 또한 소형화하고 점검기능을 개선하여 최근 유도무기에 많이 사용되고 있다.
본 연구에서는 기 개발된 전자기계식(electronic-mechanical) 점화안전장치의[12] 신뢰도를 개선하기 위해 Fail-Safe 기능이 강화된 동작감지 설계를 제안한다. 홀센서(Hall sensor)를 사용한 설계를 바탕으로 점화안전장치를 제작하고 기능 시험과 환경시험을 통해 군사 무기체계 적용 가능성을 검증하였다.
2. 본 론
2.1 점화안전장치 설계
전자기계식 점화안전장치는 코어 조립체, 하우징 조립체, 격벽착화기(through bulkhead initiator) 조립체로 구성된다(Fig. 1). 코어 조립체는 세분하면 커넥터 조립체, 전자회로, 토크모터, 및 전기식 기폭관 등으로 구성된다. 커넥터 조립체는 커넥터를 통해 외부의 전기적인 제어신호를 내부 전자 회로에 연결시키고 상부 기밀성을 보장한다. 토크모터는 전자회로를 통해 정상적인 외부신호가 인가될때 토크모터의 축을 60도 회전시켜 축과 연결된 2개의 전기식 기폭관을 격벽착화기 화약 칼럼과 정렬을 시켜서 장전(arm)상태를 만들고 이때 점화(fire)신호를 인가하면 전기식 기폭관이 기폭되고 정렬된 TBI 조립체의 화약 칼럼이 순차적으로 기폭 및 발화된다. 이와 같이 장전 신호와 점화신호가 순차적으로 공급되면 점화안전장치가 동작하여 점화기 및 추진기관을 점화시키기 위한 에너지를 공급하게 된다. 하우징 조립체는 덮개조립체와 TBI 조립체를 연결시키고 점화안전장치 내부를 용접공정을 통해 밀폐시킨다.
본 전자기계식 점화안전장치에는 토크 모터에 의한 장전을 확인하여 점화회로를 활성화시키는 로직회로를 설계하였다. 토크모터가 작동하였을 경우 감지회로를 통해 기폭회로도 장전상태로 변경된다. 장전상태가 유지되는 동안 외부의 기폭신호가 인가될 때 전기식기폭관이 정상 점화된다. 장전신호가 차단되면 토크모터는 안전상태로 복귀되고 기폭회로도 장전상태가 해제된다. 이 경우 기폭신호가 인가되더라고 전기식 기폭관은 점화되지 않는다. 토크모터가 정상 회전하여 점화안전장치가 장전상태가 되면 전기적 신호를 통해 이를 외부 제어장치에서 확인할 수 있다.
전자기계식 점화안전장치는 위와 같이 토크모터의 축이 정상적으로 60도 회전한 장전상태에서만 기폭되도록 설계하여, 외부 제어장치의 고장에 따른 이상 신호로 인해 추진기관이 우발점화되는 위험을 차단하는 Fail-Safe 기능을 구현하였다. 이를 위해 토크모터 회전을 감지하는 센서가 포함되며, Fail-Safe기능의 안정성은 센서의 신뢰도에 달려있다. 기존의 전자기계식 점화안전장치는 광센서를 적용한 설계이다[12]. 그러나 광센서 차단판 구조로 인해 토크모터가 완전히 회전되기 전에 장전상태로 변경되는 한계를 지닌다. 또한 광센서(SHARP 社, GP1S097HCZ0F)의 작동온도가 -25℃~ +85℃로 제한되어 저온에서 적용 가능한 유도미사일 운용 범위가 제한된다.
이를 개선하기 위해 홀센서를 적용한 토크모터 회전감지 설계를 제안하였다(Fig. 2). 홀센서(TEXAS Instruments 社, DRV5023-Q1)는 토크모터가 완전히 회전하여 전기식 기폭관과 TBI조립체가 정렬된 위치로 배치되는 장전상태를 정밀하게 감지하도록 설계할 수 있다. 또한 작동온도 범위도 –40℃~+150℃로 확장되어 고고도의 저온 환경이 요구되는 대공유도무기 등에 적용할 수 있다. 또한 토크모터 조립체의 센서조립부를 제외하고 기존의 전자기계식 점화안전장치 구성을 유지할 수 있는 장점이 있다.
홀센서를 위한 영구자석은 설치공간 제약으로 인해 지름 2 mm, 길이 2 mm의 소형 원통형 영구자석을 적용하였으며 잔류자속은 1 Tesla이다. 4개의 영구자석과 2개의 홀센서를 각각 180도 간격으로 반대편에 배치하는 이중화 설계를 통해 동작 감지 신뢰도를 높였다. 소형 영구자석을 통한 장전 확인센서 구조를 설계하기 위해 원통형 영구자석에 의한 자기장 세기를 시뮬레이션하였다. 반지름 a, 길이 2b, 잔류자속 Br인 원통형 영구자석에 의한 자속밀도는 원통 좌표계에서 식 (1), (2)와 같이 표현된다[13,14]. Bρ, Bz는 원통 좌표계의 축별 자속밀도이며, ρ는 z축과의 수직거리, α±,β±,γ,k±는 z축 값에 따른 변수이며, C함수는 타원적분 함수이다.
이를 통해 계산된 원통형 영구자석의 내부 중심에서부터 중심축 방향 거리에 따른 자속밀도는 Fig. 3과 같다. 제안하는 홀센서는 입력되는 자속밀도 세기가 +12 mT이상에서 ON상태가 되며, +1 mT 이하의 자속밀도에서 OFF 상태가 된다. 따라서 장전상태를 감지하기 위해서는 토크모터가 완전히 회전하였을 때, 영구자석의 표면이 홀센서로부터 4.3 mm 이내에 위치하도록 배치되어야 한다. 본 설계에서는 장전되었을 때 영구자석의 S극이 홀센서 표면에 마주 보도록 배치하였다. 이때의 이격 거리는 제작 오차로 인한 마진을 고려하여 2.5 mm로 설계하여 자속밀도 24 mT가 되도록 하였다(Fig. 4). 또한 안정상태로 토크모터가 위치하였을 때는 반대편 영구자석의 S극이 홀센서에 인접하도록 하여 홀센서 기준으로 음의 자속밀도가 인가되도록 설계하였다. 안전상태에서 영구자석 표면과 홀센서와의 거리는 0.94 mm이며, 이때 홀센서에 인가되는 자속밀도는 –116 mT로 계산되어 센서의 OFF 조건인 +1 mT 이하를 만족시킨다. 이를 통해 홀센서가 외부의 자기장 노이즈로 인해 ON상태로 오동작되는 것을 방지할 수 있다.
2.2 성능 검증 시험
장전확인 센서의 설계 개선을 통해 Fail-Safe 기능이 강화된 점화안전장치에 대한 성능 검증 시험을 수행하였다. 장전신호에 의해 토크모터가 회전하여 장전상태가 되면 장전확인 센서가 ON되고 기폭회로가 안전(safe)상태에서 장전(arm)상태로 변경된다. 장전상태는 전기적 신호를 통해 외부에서 확인할 수 있다. 홀센서가 반영된 108개의 점화안전장치를 제작하였으며, 장전신호에 의해 토크모터가 작동한 후, 장전확인 센서가 정상 작동하는 것을 확인하였다. 또한 제작된 점화안전장치의 장전시간과 장전후 복귀 시간을 측정하여 장전기능의 성능을 검증하였다. Fig. 5는 상온에서 28 V 장전신호를 통해 동작시킨 점화안전장치의 장전 및 복귀시간 계측 결과를 보여준다. 장전시간과 복귀시간의 요구성능은 각각 50 msec, 150 msec 이내이며 108개의 장치에서 이를 모두 만족시켰다. 장전시간은 평균 26.3 msec, 표준편차 3.6 msec로 복귀시간의 평균 19.2 msec, 표준편차 0.3 msec 보다 큰 편차를 지닌다. 토크모터의 복귀는 스프링에 의해 동작하지만, 장전은 토크모터 코일에 의한 전자기장으로 동작하여 장전회로와 모터 특성에 따른 편차로 인한 동작속도 차이가 장전에서 크게 발생하는 것으로 보인다.
홀센서가 적용된 점화안전장치가 온도에 따라 정상 작동하는지 확인하기 위해 상온, 고온 및 저온 조건에서 내부 부피 10 ml의 챔버를 사용한 CBT(Closed Bomb Test)를 수행하였다[15,16,17]. 제작된 108개의 장치 중에서 상온 5개, 고온 14개, 저온 13개로 총 32개 장치를 기폭시켰으며 Fig. 6은 계측된 기폭신호 인가 후 압력발생이 시작될 때 까지의 지연시간과, 점화안전장치의 기폭으로 인한 Bomb 내부의 최대압력을 보여준다. 고온 최대 +75℃, 저온 최저 –45℃에서 장전확인센서는 정상 동작하여 점화안전장치가 기폭되었다. 특히 저온에서의 성능 시험결과는 기존 EMAFD에 비해 홀센서를 적용한 점화안전장치가 고고도용 대공유도무기에 적합함을 보여준다. 최대 허용 동작지연시간과 최대압력의 설계요구치는 각각 10 msec 이하 및 500 psig이상이다. 추진기관의 추력발생 요구시간을 추진기관 점화 요구 화력을 바탕으로 설정되었다. Fig. 6에서 모든 장치들에 대해 계측된 동작지연시간의 최대값은 1.2 msec, 최대압력의 최소값은 1859 psig로 계측되어 요구규격을 만족시켰다. 최대압력이 요구규격 500 psig에 비해 모든 장치들에서 큰 값으로 계측된 이유는 신뢰성을 높이기 위해 점화안전장치가 이중화 설계되어 있기 때문이다. 즉 내부에 두 개의 전기식 기폭관이 설치되어 있으며, 하나의 기폭관만 작동되어도 추진기관을 점화시킬 수 있는 화력이 발생하고, 두 개의 기폭관이 모두 동작시 본 시험 결과와 같이 높은 압력이 생성된다.
홀센서가 적용된 EMAFD가 다양한 외부 환경에서 정상 동작하는지를 검증하기 위해 환경시험을 수행하였다. 점화안전장치가 사용되는 무기체계의 운용 환경을 모의하여 노출시키고 이때의 정상 작동성을 검증하여 무기 체계에 적용가능성을 확인한다. 제작된 108개의 장치 중에서 4개의 장치를 사용하여 미국 국방규격(MIL-STD-810H)에 따라 저온(Method 502.7, Procedure II), 고온(Method 501.7, Procedure II) , 고고도(Method 500.6, Procedure II) 조건에서 장전시간과 복귀시간 계측을 통해 홀센서의 정상 동작여부를 확인하였다. 저온시험은 –32℃ 에서 2hr 이상 온도챔버에 보관한 상태에서 점검장비를 통해 장전시간과 복귀시간을 계측하였으며 고온시험은 71℃에서 3분 이상 유지 후 점검하였고, 고고도 시험은 시험고도에서 10분이상 유지 후 측정하였다. 각 계측 결과를 시험 전/후와 비교하였으며 모든 시험에서 홀센서의 이상 작동은 확인되지 않았다. 이를 통해 요구되는 환경조건에서 홀센서가 정상 작동함을 확인하였다. 4개의 장치를 저온, 고온, 고고도 환경에 순차적으로 노출시킨후 동작성능을 확인한다, 단, 점화안전장치의 기폭은 비가역적인 동작으로 반복적인 성능확인이 불가하므로, 기폭성능은 각 환경시험이 종료된 후 Fig. 6과 같은 CBT 시험을 통해 검증한다. Fig. 7은 각 시험 항목에서 장전시간과 복귀시간 측정결과를 보여준다. 시험 전후에서 점화안전장치의 장전/복귀 동작성능은 설계요구치인 50 msec를 모두 만족하여 홀센서를 적용한 장전감지부 설계의 내환경성을 보여준다. 단, 장전 시간 평균은 시험 전후로 저온시험 0.1 msec, 고온시험 1.6 msec, 고도시험 0.8 msec로 모두 감소하는 경향을 보였다. 복귀시간 평균은 시험에 따른 증감 경향성은 보이지 않았다. 복귀시간은 스프링 탄성에 의해 결정되나 장전시간은 토크모터와 전자소자 성능에 영향을 받으며 이들이 가혹한 환경에 노출되어 열화된 것일 수 있다. 즉, 토크모터 내부의 코일과 유전체의 손상으로 자계의 세기가 증가하거나 홀센서의 열화로 센서의 동작 자속밀도 레벨이 낮아져서 장전감지시간이 감소하였을 수 있다. 그러나 변화량은 모두 10%이내로 미세하여 환경에 의해 성능저하는 제한적이었다. 환경시험을 완료한 4개의 장치에 대해 CBT 시험을 통해 최종적인 정상 작동을 검증하였으며 Fig. 8은 계측한 지연시간과 최대압력을 보여준다. 고온 +65℃, 저온 –40℃ 에서 각각 2개의 장치를 기폭시켰다. 4개의 장치에서 최대 허용 동작지연시간과 최대압력이 설계요구치를 만족하였다. Fig. 6에서 계측된 환경시험을 거치지 않은 장치의 성능과 비교하여, 환경시험을 거친 장치에서도 온도별 기폭성능이 유사함을 확인하였다. 이는 설계된 점화안전장치가 군사 무기체계에 적용 가능한 내환경성을 지님을 보여준다.
3. 결 론
본 연구에서는 홀센서를 사용한 장전확인센서를 도입하여 전자기계식 점화안전장치의 Fail-Safe 기능 강화를 구현하였다. 4개의 영구자석과 2개의 홀센서를 적용하여 토크모터의 회전감지 정밀도를 높이고 이중화된 센서로 신뢰도를 확보하였다. 시뮬레이션을 통해 영구자석과 홀센서의 적절한 배치를 설계하였으며, 다수의 제작품으로 장전확인센서의 정상 작동을 검증하였다. CBT시험과 환경시험은 제안된 점화안전장치가 확장된 저온 운용 범위를 지니며, 고온과 고고도 환경에서 정상적으로 작동됨을 증명한다. 저온 작동온도를 기존 점화안전장치[12]의 –25℃에서 –40℃ 으로 확대하여 고고도 저온환경이 요구되는 대공유도무기에 적용될 수 있음을 확인하였다.
