K9A2용 둔감장약 연구로 추정되는 논문을 리뷰하고자 함.

일단 이 연구를 하는데 있어서 현 수준을 알 필요가 있음

일단 K9으로 사용되는 155mm용 장약은 K676, K677 임.

요렇게 생겼는데 여기 들어가는 콩알만한 6각기동모양의 추진제 하나 하나의 명칭은 KM30A1이라는 다기추진제임.

일단 다기 추진제가 무엇인지 알기 위해서 화포 추진제에 대해서 알필요가 있음

화포 추진제는 조성에 따라 단기 추진제, 복기 추진제, 다기 추진제로 구분됨. 

단기 추진제(Single based Propellant)는 니트로셀룰로오스(NC, Nitrocellulose)를 주요 성분으로 제조되는 추진제로, 화포 추진제 개발 초창기부터 현재까지 범용적으로 사용되고 있는 추진제임. 

그리고 복기 추진제(Double based Propellant)는 단기 추진제의 짧은 사거리 및 낮은 포구 속도의 증가를 위하여 고

에너지 가소제인 니트로글리세린(NG, Nitroglycerine)을 첨가한 추진제임. 2가지 이상의 물질을 기반으로 만들어졌기에 더블베이스 인것임.

복기 추진제는 단기 추진제에 비하여 에너지는 높아졌으나, 화염온도의 증가로 인하여 포신의 마모가 증가되는 현상이 발생하였음. 또한 NG는 상온에서 액상이므로 석출(migration)되어 장기 보관상의 문제가 될 수 있음.

본 문제를 해결하기 위하여 NG의 함량을 줄이고, 고체 산화제인 니트로구아니딘(NQ, Nitroguanidine)을 첨가한 다기추진제(Triplebased Propellant)가 개발되었음. 이 추진제는 NG의함량을 줄여 화염온도가 감소하지만, 추진제 연소 시가스발생량이 줄어들어 포구 속도가 감소다는 문제점이 있음.

이 연구는 현용 사용되고 있는 K9용 다기 추진제인 KM30A1에 비해 추진제의 에너지 증대보다는  보관과 포신수명에 유리하도록 개선하는 연구라고 보면 됨. 

일단 포신 수명을 나타내는 기본 방정식을 알 필요가 있음

생각보다 간단함.

mp는 추진제의 질량이고, Tex는 화염의 온도,  V0는 포구속도, Pmax는 연소가스의 최대 압력이다.

위의 승수를 보면 알겠지만 포신마모율에 가장 지배적인 변수는 포구속도보다는  화염의 온도임. 무려 7승의 민감도임. 그 다음이 연소가스의 최대 압력임.

즉 포신마모를 최대한 줄이려면 추진제의 온도와 최대 압력을 낮추는게 중요함.

사실 포구속도는 포탄의 사거리를 결정하는 요소이기 때문에 쉽사리 낮출수가 없음. 

즉 이 수식에 따르면 화염온도와 포신마모율의 관계를 보면 다른 조건이 동일하다는 가정 하에서 추진제의 화염온도를 100 K 낮추면 포신마모율은 약 20~30 % 감소함

또한 이와 유사하게 2차 대전시기 포신 마모에 대한 폭발열의 영향을 연구하였는데 폭발열이 950 kcal에서 820 kcal로, 130 kcal 감소하였을 때 한 포신으로 발사시험을 진행하는 횟수가 1700회 에서 3500회로 포신의 수명이 약 두 배로 연장되는 것을 확인하였다고 함.

기존 KM30A1 은 NC, NG, NQ 요 3가지 성분이 베이스가 되는 추진제인데 이번 연구에서는 추진제의 수명도 개선하기 위해서 NG를 배제하고 DEGDN(다이에틸렌 글리콜 다이나이트레이트) 과 RDX를 첨가함. 

다기 추진제에서 원재료로 사용되는 NG(N content 18.5 %)는 에너지성 가소제로 추진제의 에너지를 증 가시켜 화염온도를 높여 포신의 마모율을 높이고, 녹는점이 14 ℃로 저온 안전성이 낮아 취급에 유의해야 한다는 단점이 있음. 즉 추진제에 장기 보관에 영향을 주는 요소임.  

즉 저온에서 안전성을 높이기 위해 에너지성 가소제인 NG 대신디에틸렌 글리콜 디니트레이트(DEGDN, di-ethylene glycol di-nitrate, N content 14.28 %)를 첨가함. 그리고 에너지를 내는 물질로 RDX를 사용함.

즉 NC, NQ, DEGDN, RDX로 이루어진 4기 추진제로 개발을 추진함.

요러쿵 저러쿵 복잡한 공정을 거쳐 RDX의 조성을 달리한 3가지 추진제를 제조해 기존 KM30A1과 성능 비교함.

아래와 같은 6각기동모양의 추진체를 제조했으며 미세한 19개의 구멍이 뚫려 있음.

일단 추진제별 에너지와 화염온도는 아래와 같음.

RDX1이 RDX를 가장 적게 넣어서 에너지는 기존보다 약간 작지만 확실히 화염온도는 200K 가까이 감소했음. 화염온도를 100 K 낮추면 포신마모율은 약 20~30 % 감소한다는 사실을 기억하셈.

하기는 최대 압력도 측정한 결과임.

딱봐도 RDX1이 좀더 느리게 타면서 최대압력이 낮다는걸 알 수 있음.

일단 위의 시험은 소량의 샘플로 한 시험이고 아래처럼 실제 추진장약을 제조해서 강내탄도 시험을 실시함.

결과만 보자.

아래는 표

그리고 아래는 이표를 나타낸 그래프

RDX3이 전반적으로 온도별 포구에너지와 압력간의 편차가 작다는걸 알 수 있음.

반면 최대 압력은 RDX1이 낮게 유지되고 있음.

참 여기서 말하는 저온과 고온은 각각 -54 ℃, 63℃임. 즉 일반적인 상황으로 볼 수는 없음.

논문 결론은 어떤게 가장 좋다고 나오지는 않았지만 개인적인 판단으로는 RDX1을 선택하는게 맞다고 생각함.

왜냐면 기존 장약과 에너지가 비슷하면서 최대압력과 화염온도가 많이 낮아졌기 때문에 포신수명증대에 크게 기여할 것이라고 봄. 실제로 K-9A2의 포신수명증대기술의 면면을 보면 강선설계를 최적화하여 기존 1000발을 1500발 수명으로 늘린다고 했는데 이 추진제 개량으로도 +알파가 있을 것이라고 생각됨.

이 논문을 보면서 크게 깨달았던게 포신의 수명에 가장 크리티컬한 요소가 포탄의 속도보다는 장약의 화염온도와 최대 압력이 더 지배적인 요소였다는 것임.

PZH-2000의 포신수명이 K-9보다 더 긴 이유중 하나가 여기에 있음.

논문에 언급된 추진제 샘플 RDX1의 수준을 보면 중량당 에너지는 1042J/g 이고 최대 화염온도는 2829K임.

현용으로 사용중인 추진장약인 KM30A1은 화염온도가 3021K임

반면 지금 PZH2000에 사용되는 DM72에 사용되는 추진제인 R5730 은 1020+J/g, 2700+K로 추산됨.

에너지는 비슷한 수준인데 화염온도가 넘사벽 수준으로 낮음.

즉 우리가 현재 개발하고 있는 샘플보다 100K가 넘게 낮고 현용 장약보다는 300K 낮다는 얘기임.

바로 여기서 PZH 2000 포신의 수명이 K-9보다 왜 긴지 설명이 되는거 같음.

출처

RDX를 적용한 다기추진제의 연소 및 강내탄도 특성 

손수정*,1) ․ 이원민1) ․ 이우진1) ․ 권순길2) ․ 정진영2) 1) ㈜한화 여수사업장 개발부 2) 국방과학연구소 미사일연구원 3부 

http://ocean.kisti.re.kr/IS_mvpopo213L.do?ResultTotalCNT=12&pageNo=2&pageSize=10&method=view&acnCn1=&poid=kimst&kojic=GSGGBW&sVnc=v25n3&id=1&setId=&iTableId=&iDocId=&sFree=&pQuery=%28kojic%3AGSGGBW%29+AND+%28voliss_ctrl_no%3Av25n3%29

Insensitive Propulsion Systems for Large Caliber Ammunition