기폭압의 누출 방지구조가 구비된 신관{Shell fuse that has leak prevention structure for detonating pressure}
본 발명은 발사체(Projectile) 또는 발사된 탄(Shell)을 기폭시키는 신관에 관한 것이다.
내부에 고폭제가나 투하물이 채워져 있고 발사 후 특정 시점에 이를 폭발/배출시키는 발사체 또는 탄(이하 두 가지 모두를 포함하는 의미로 편의상 '포탄'이라 한다. 다만 이하의 '포탄'이 본 발명의 적용범위를 제한하는 의미의 용어로 사용되는 것은 아니다.)은 원하는 시점에 효과적으로 폭발을 일으키기 위해, 또는 원치 않는 시점에 일어나는 오 폭발을 막기 위해서 다양한 기능을 갖춘 신관과 결합되어 운용된다. 예를 들면 대표적인 포탄으로서 구경 155mm의 야포탄의 경우, 신관은 포탄 앞부분에 나사로 결합되며 포의 발사와 동시에 신관에는 대략 1만~수만G의 가속도에 달하는 강력한 후퇴관성력(setback force)과 포탄이 포신 내 강선에 물려 수백~수천 RPM의 회전속도로 회전하면서 생기는 원심력(centrifugal force)이 작용하게 된다. 그리고 이 두 가지 힘은 기본적으로 신관을 작동시키는 방아쇠 역할을 한다. 포탄의 발사와 동시에 작동된 신관은 발사 이후 누적 회전수, 경과된 시간, 탄착(충격) 시점, 탄착 후 경과된 시간, 그리고 신호수신(지령 또는 목표물 근접) 등을 기준으로 하여 자체적으로 작동하며 원하는 시점에 신관 내부의 기폭제를 폭발시켜, 그 폭발력에 의해 포탄 내부에 채워진 고폭제를 폭발시키거나 또는 포탄 내부에 적재된 자탄(submunition)을 방출시키게 된다. 이와 같은 신관의 작동시점은 포탄의 제조 시에 미리 입력될 수도 있으나, 보통은 작전요구성능이나 포탄에 충전된 고폭제의 특성, 그리고 자탄 또는 발생파편의 비산 특성에 적합하도록 설정되어 포탄의 발사 전에 입력된다. 이를 위해서 다양한 신관 작동데이터의 입력방법, 다시 말해 신관 데이터의 장입방법이 개발되어 있으며, 대표적인 신관 데이터의 장입 방법으로는 신관의 제조시에 미리 기본적인 폭발패턴을 입력해두는 제조자 입력방법과, 발사 전 신관에 설치된 조작 다이얼을 직접 돌려서 작동데이터를 입력하는 수동 장입방법, 그리고 발사 전후에 신관의 제어부에 전기신호를 전송하여 데이터를 입력하는 원격 장입방법 등이 있다. 한편 신관은 포탄이 발사되고 난 직후에 오폭을 막는 안전장치(이하 편의상 당해 기술분야의 용어인 '안전장전장치'라 한다.)를 포함하여 구성되는데 상기 안전장전장치는 차단부재에 의해 신관의 기폭제와 포탄에 충진된 고폭제(또는 자탄)을 물리적으로 서로 차단시킨 상태로 신관에 조립되며, 차단부재는 신관의 제어부와 독립적으로 작동하여 포탄의 발사 후 일정 시간이 지나서야 이러한 물리적 차단 상태를 해제시킨다. 따라서 발사 전의 포탄은 신관의 오 기폭에 안전할 수 있고, 포탄 역시 신관을 장착한 상태로 안전하게 보관 및 운반될 수 있다. 또한, 포의 발사와 동시에 신관이 오동작을 일으키더라도 발사 후 일정시점까지는 기폭력이 포탄 내부로 전달되지 않도록 막아 줌으로써 포탄이 아군의 진지 내에서 터지는 피해를 막을 수 있다. 최근의 현대전 경향과 군수산업 환경을 살펴보면 최신의 발사기와 발사탄은 물론이거니와, 기존에 이미 생산되어 보관중인 제한된 종류의 야포와 탄약으로도 보다 향상된 작전성능을 발휘하고 이를 통해 더욱 다양화된 작전수행이 가능한 쪽으로 발전하고 있으며, 세계의 무기 시장에서도 종래의 화포와 탄약체계를 그대로 이용하면서도 더 나은 작전성능을 발휘할 수 있는 다기능 범용 포탄과 범용 발사체에 대한 요구가 높아지고 있다. 이에 따라 탄 본체의 성능을 직접적으로 좌우하는 신관에 있어서도 범용성과 정밀성은 물론 다기능화, 다용도화에 대한 요구가 점차 높아지고 있는 추세이다.
자탄(submunition)을 방출하는 탄(shell)을 포함하여 발사된 후에 2차적이고 지능적인 기폭을 하는 다양한 발사체에서 이러한 발사 후 기폭시 원치 않는 방향으로 폭압이 새어나가는 것은 바람직하지 못한 현상이다. 예컨대 조명탄이나 삐라살포탄, 클러스터 탄(cluster bomb), 또는 표적을 지나쳐서 폭발하여 후폭풍으로 적을 사살하는 지능화된 유탄(grenade)의 경우를 생각해보자. 포탄의 발사 후 목표지점 근처에서 신관이 작동하여 기폭될 때 신관이 포탄의 선두에 장착되어 있다면 기폭력을 최대한 뒤로 보내줄 필요가 있다. 그렇지 않다면 포탄의 진행 관성에 의해 자탄의 방출이 원활하지 않거나 탄에 장착된 고폭제가 후방으로 강하게 폭발하지 못해 살상력이 떨어질 우려가 있다. 또 다른 예로, 관통 후 폭발하는 지연신관의 경우를 상정해보자. 포탄이 목표물에 탄착된 이후 포탄 선단의 신관, 그 중에서도 앞부분의 노즈콘과 데이터 장입장치를 포함한 제어부 등이 모두 파괴된 이후에도 신관이 정확한 시점에 기폭되기 위해서는 기폭부가 최대한 원형 그대로 보호되어야 할 필요가 있다. 그렇지 않다면 포탄은 애초 의도와 달리 목표물의 표면에서 폭발해 버리거나 관통 후에도 폭발하지 못하여 장갑화된 목표물을 무력화시키지 못할 우려가 있다. 그러나 통상적인 신관, 특히 신관의 앞쪽 선단부분은 정밀한 장치가 다수 배치되는 복잡한 구조의 특성상 탄두나 포탄의 외피만큼 강하게 설계되기 어렵다. 이는 신관 또는 포탄의 전체 부피나 총중량을 고려한 탓일 수 있고, 데이터 장입부의 배치문제 때문일 수도 있으며, 내부에 다수의 장치가 복잡 다단하게 배치되면서도 매끈한 원뿔형 형태로 제조되어야 하는 신관의 조립특성상 한 덩어리의 두껍고 강한 용기로 만들기가 어렵기 때문이기도 하다. 위와 같은 여러 이유 때문에 얇고 강도가 약한 여러 개의 부분 하우징으로 조립된 종래의 신관은 설정된 시점에서의 기폭 시, 신관자체의 밀폐용기 구조가 파괴되면서 기폭압이 원하지 않는 방향으로 새어 나오거나, 목표물 관통 시 기폭부가 너무 빨리 손상되어 표면 폭발하거나 정상적인 관통 후 지연 폭발되지 않는 등의 문제점이 있었다. 본 발명의 목적은, 신관 기폭시 기폭압이 밖으로 새지 않게 하여 탄 또는 발사체의 본체 내부 쪽으로 기폭력이 최대한 전달되도록 하고, 경우에 따라 목표물에의 탄착 이후 관통 시에도 기폭부를 최대한 안전하게 보호하여 원하는 시점에 정확하게 작동되도록 함으로써 상술한 바와 같은 종래 신관의 문제를 해결하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은 신관에서 탄 본체에 결합되는 메인하우징(30) 부분을 강화된 밀폐형 일체구조로 설계하고 기폭부를 선택적으로 내장한 구성을 착안하였다. 이에 따라 종래의 신관에 비해 총부피와 총중량을 크게 초과하지 않으면서도, 신관의 기폭력이 탄 본체 외부로 새어나가지 않는 기밀구조와, 표적에 충돌하여도 기폭부(40)가 보호되는 충격지연구조를 동시에 달성하였다. 상기 기폭압 누출방지 효과와 기폭부에 가해지는 충격을 지연시키는 효과를 동시에 발휘하는 본 발명 신관의 주요 구성으로는 내부에 기폭부(40)를 배치하고 이를 둘러싸도록 형성되는 메인 하우징(30)을 들 수 있다. 메인 하우징에는 발사체 또는 탄과 직접 결합 가능하도록 결합부(31)가 형성되되, 결합부의 결합강도는 기폭부의 폭발 시에도 발사체 또는 탄과 분리되지 않도록 구성되며, 또한 메인하우징은 발사체 또는 탄의 내부를 향한 방향을 제외한 나머지 방향으로는 기폭부(40)의 폭발압력 이상의 압력에도 견딜 수 있는 강도를 가진 밀폐 구조로 형성된다. 이를 위해서 상기 메인 하우징(30)은 하우징의 상부 덮개부위의 단면두께를 메인 하우징 측면 덮개부위의 단면두께와 동등하거나 그 이상의 두께로 형성하여 강한 기폭압에 의해 일차적으로 신관의 노즈콘 앞 쪽이 붕괴되는 것을 막았다. 이때 기폭부(40)는 상기 하우징 상부덮개에 의해 제어부(60), 수동장입부(80) 및 노즈콘(90) 등과 격리될 수 있도록 설계하였으며 메인하우징에는 상기와 같은 격리설계에도 불구하고 제어부의 기폭신호를 기폭부에 전달할 수 있도록 연결단자(32)를 추가로 형성하였다. 한편 상기 메인하우징의 바깥쪽(신관의 둘레부 또는 앞쪽)으로 결합되는 상기 제어부(60), 수동장입부(80) 및 노즈콘(90) 등, 기폭부(40)를 제외한 나머지 구성은 상기 메인하우징에 비해 비교적 얇고 컴팩트하게 형성된 서브 하우징(50, 60, 70)등에 의해 효과적으로 결합 및 지지될 수 있도록 하였다.
본 발명에 따른 신관은 메인 하우징의 고강도 밀폐구조로 인해 신관의 기폭 시 발생하는 에너지를 포탄 쪽으로 형성된 하위 폭발계열에 효과적으로 집중시킬 수 있어 신관의 에너지손실 극소화되는 효과가 있으며, 또한 관통형 탄에서 목표물에 탄착 시 기폭부의 조기 파괴 가능성을 최소화하여 확실한 기폭을 유도하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예가 적용된 포탄의 앞부분 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예로 제작된 신관의 분해 사시도.
도 3는 본 발명의 실시예로 제작된 신관의 분해 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예로 제작된 신관의 외형 및 단면 사진.
도 5는 본 발명의 실시예 중 메인 하우징의 구조와 역할을 상세히 도시한 단면도.
도 6은 종래의 신관을 이용하여 자탄 방출 실험을 하였을 때, 신관 앞 쪽으로 기폭압이 누설되는 것을 시간대별로 포착한 실험사진.
도 7은 본 발명에 따른 신관을 이용하여 자탄 방출 실험을 하였을 때, 신관의 기폭압이 누설되지 않는 것을 시간대별로 포착 검증한 실험사진.
상기 본 발명의 주된 과제 해결수단을 보다 구체적으로 표현하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 일 실시예를 참조하여 보다 상세히 설명한다. 다만 아래의 실시예(specific example)를 바탕으로 본 발명을 기술함에 있어서 특정 기술용어를 포함한 구성요소들과 그것들이 결합된 특정 구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 사상을 제한하는 것은 아니다. 도 1은 외피(210) 내부에 고폭제(220)이 충진된 포탄(200)에 본 실시예의 신관(100)이 장착 및 분리되는 모습을 나타낸 것이다. 신관(100)의 각 부 구성은 도 2와 도 3을 참조하면 쉽게 이해된다. 신관의 몸체는 단면이 두껍게 형성된 메인 하우징(30)과 상기 메인 하우징에 결합되는 비교적 얇은 두께의 단면을 가진 서브 하우징(50, 61, 70)을 뼈대로 하여 이루어진다. 하부 서브 하우징(20)에는 포탄이 발사되고 난 이후까지 신관의 기폭부(40)와 고폭제(220) 사이를 차단시켜 주는 안전장전장치(10)가 결합된다. 메인 하우징(30)에 마련된 결합나사에는 아래쪽에 하부 서브 하우징(20), 위쪽에 중앙부 서브 하우징(50)이 결합된다. 상기 중앙부 서브 하우징(50)의 내부에는 제어부(60)를 움켜쥐고 있는 내부 서브 하우징(61)과 상기 제어부(60)를 둘러싸는 상부 서브 하우징(70)이 씌워진다. 상부 서브 하우징(70)의 위쪽으로는 수동장입부(80)와 노즈콘(90)이 순차적으로 조립된다. 위와 같이 조립된 신관의 각 부 기능을 알아본다. 노즈콘(90) 아래의 수동장입부(80)는 포탄의 발사 후 폭발까지의 시간이나 관통 후 폭발까지의 시간을 설정할 때 직접 다이얼을 돌려서 입력하는 것으로 제어부(60)에 장입 데이터를 전달하는 역할을 담당한다. 이러한 데이터 장입은 제어부(60)에 구비된 데이터 유도코일을 이용해서 별도의 외부 장입기에 의해 전자기 유도현상에 의해 원격 입력될 수도 있다. 제어부(60)는 설정된 기폭데이터를 가지고 발사와 동시에 작동을 시작하여(앞서 후퇴관성력과 원심력 등 작동 방아쇠 들을 설명한 바 있다.) 정해진 시점에 기폭부(40)에 기폭신호를 전달한다. 기폭부(40)에는 발사와 동시에 활성화되는 배터리와, 기폭관 등이 배치되어 있다. 이때 기폭관의 기폭력은 폭약이 채워진 중앙의 기폭경로를 따라 포탄 내부로 전달된다. 한편 상기 기폭관은 어떤 잘못된 원인으로 인해 오폭될 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 1차 기폭력 전달경로를 포탄 내부의 고폭제과 차단시키는 안전 장치가 바로 하부 서브하우징(20)의 아래쪽으로 결합되는 안전장전장치(10)이다. 안전장전장치(10)는 내부에 로터(원판형 회전자)를 가지고 있으며 상기 로터에는 기폭부(40)의 1차 기폭력을 포탄 내 고폭제까지 전달하는 2차 또는 3차 기폭력 전달경로가 상기 1차 기폭력 전달경로인 신관의 중심부에서 약간 편심된 위치로 초기 설정된 상태이다. 따라서 발사와 동시에 상기 로터를 물고 있는 걸림쇠의 해제와 함께 로터에 설정된 회전(다시 말해서 안전장전장치의 안전해제 작동)이 완료되어야 비로소 모든 기폭경로가 일치하여 기폭력을 포탄 내부로 전달할 수 있으며, 이러한 안전장치의 해제시간을 탄체 회전수 기준으로 대략 수십~수백 회전 등으로 사전에 설정해 둠으로써 포탄이 포구 근처 또는 아군 진영에서 오폭되거나, 장전 및 운반 시 잘못 폭발하지 않게 한다. 도 4는 본 실시예에 따라 실제 제작된 신관의 외형 및 단면 사진이다. 아래쪽의 기폭력 전달 경로에서부터 안전장전장치 및 하부 서브하우징, 메인하우징 내 기폭부 및 중앙부 서브 하우징 내 제어부, 그리고 상부 서브 하우징과 수동장입부 및 노즈콘의 구조를 자세히 알 수 있다. 도 5는 본 발명에서 핵심적 역할을 하는 메인 하우징(30)의 구조와 역할을 상세히 도시한 그림이다. 기폭부(40)를 완전히 둘러싸고 있는 메인 하우징(30)은 강화된 밀폐형 일체구조이며, 하단 내면에 하부 서브하우징(20)을 체결하는 결합부를 형성하고, 하단 외면에는 탄 본체, 보다 상세하게는 탄피(210)와 결합되는 결합부(31)가 형성되며, 상단 외면에는 중앙부 서브하우징(70)을 체결하는 결합부를 형성하여 구성된다. 상기 메인 하우징은 기본적으로 기폭력, 즉 기폭관의 폭발력을 버텨내는 강도를 밀폐 구조로 형성된다. 물론 연결단자(32)는 구멍이 뚫린 상태이나 제어부(60) 모듈이 제대로 삽입 고정되고 나면 연결단자는 완전히 채워져서 밀폐구조가 이루어진다. 실제 실험과정에서 메인하우징의 총 밀폐강도를 좌우하는 중요한 부위는 상부 덮개였다. 즉 기폭부(40)를 제어부(60)과 격리시키는 격벽 역할을 하는 부위였는데 이 부분의 두께(도면상에는 critical thickness로 나타내었다.)가 충분히 두꺼울 필요가 있었다. 상부 덮개부위의 단면두께를 메인 하우징 측면 덮개부위의 단면두께와 동등하거나 그 이상의 두께로 형성하였을 경우 확실한 기폭압 누출 방지의 효과가 이루어졌으며, 메인하우징의 재질에 따라 더 얇은 두께도 가능하였지만 기본적으로는 메인 하우징의 측단면 두께와 동등 이상일 경우 내장된 기폭관의 폭발력을 버텨낼 만한 상부 덮개의 임계두께가 확보된다. 한편 상기 결합부들은 기본적으로 나사산으로 형성될 수 있으나, 포탄의 본체구조가 영구조립식 포탄, 또는 대량생산용 지능형 총탄이나 근거리용 유탄 등에 해당하는 구조라면 굳이 나사산일 필요는 없고 용접 또는 억지끼움 방식 등 다양한 구성으로 형성될 수 있음은 물론이다. 다만 본 실시예에서 메인 하우징의 강화 밀폐구조와 함께 중요한 설계 포인트는 포탄 본체와 결합되는 결합부(31)의 결합강도이다. 그 이유는 메인 하우징(30)이 강한 밀폐구조로 형성되었다 하더라도 상기 결합부(31)의 결합강도가 약하면 기폭시 상기 결합부(31)의 파손으로 메인 하우징 자체가 포탄 본체에서 떨어져 나갈 수 있기 때문이다. 따라서 상기 결합부는 나사 체결 또는 그 어떤 방식을 막론하고 기폭력에 따른 분출작용(도면상으로는 상방향 작용)을 견디는 결합강도로 형성되어 기폭부의 폭발 시에도 메인하우징이 포탄과 분리되지 않아야 한다. 상술한 바와 같은 메인 하우징(30)의 모든 구조로 인해 본 실시예의 신관은 초기 기폭력이 신관 앞쪽을 비롯한 포탄 본체 외부로 새어나가지 않는 기밀구조와, 표적에 충돌하여도 기폭부가 보호되는 충격지연구조를 동시에 달성하였다. 도 6a,b는 종래의 신관을 이용하여 자탄 방출 실험을 하였을 때, 신관 앞 쪽으로 기폭압이 누설되는 것을 순차적으로 포착한 실험사진이다. 도면에서 밝고 하얗게 빛나는 기폭연기가 포탄의 앞뒤로 분출되고 있으며 이후 신관의 앞부분이 기폭압에 버티지 못하고 떨어져 나가면서 포탄 외피 후방으로 자탄이 방출되고 있다. 도 7a,b는 본 발명에 따른 신관을 이용하여 자탄 방출 실험을 하였을 때, 신관의 기폭압이 누설되지 않는 것을 검증한 실험사진이다. 자탄이 후방으로 방출되고 기폭연기가 후방으로 분출되는 중에도 신관은 포탄에 결합된 상태로 원형 그대로를 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 도 6, 7의 사진과 같은 정도의 차이라면 본 발명에 따른 신관은 종래의 신관과 비교하여 내부 수납물 방출형 발사체에서 수납물을 확실하게 방출할 수 있음은 물론이며, 후방 폭발을 이용한 대부분의 폭발형 탄에 있어서도 위력을 훨씬 증가시킬 수 있음이 증명되는 것이다. 이상 본 발명이 구체화된 실시예를 도면과 함께 상세히 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 상기 실시예에만 국한되는 것은 아니다. 다시 말해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 명세서 및 도면이 내포하고 있는 기술적 사상을 활용하여 필요에 따라 본 발명의 명세서 및 도면에 미처 포함되지 않은 단순한 변경 및 간단한 확장 사례를 추가로 구현할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명이 고유하게 보유하는 기술적 사상의 범위에 자명하게 포함된다.
본 발명의 신관, 구체적으로 메인하우징의 구성은 기폭부를 효과적으로 둘러싸면서도 전체 신관구조를 일정부분 이상 지지하는 신관의 외피 및 컵(cup)형 신관 프레임의 역할을 겸할 수 있으므로 신관의 전체적인 설계, 제조공정, 그리고 제조비용에 큰 영향을 주지 않는 장점이 있다. 즉 본 발명의 기술적 사상은 적용되는 발사체 또는 탄체의 크기와 특성에 구애되지 않으며, 신관과 탄의 결합위치에 관계없이 쉽게 적용할 수 있다. 따라서 탄종에 따라 신관의 장착위치가 변경되거나 관통용 철갑탄두의 추가가 용이하지 않은 경우에도 효과적으로 적용 가능하며, 장거리 미사일이나 특수 목적탄, 지능형 총탄 및 개인화기용 폭발유탄에 이르기까지 광범위한 탄종에 다양하게 적용될 수 있으므로 높은 범용성과 함께 무기시장에서의 뛰어난 상품성도 발휘할 수 있다.
100: 신관 200: 탄
210: 탄피 220: 고폭제
10: 안전장전장치 20: 서브 하우징(하부)
30: 메인 하우징 31: (메인하우징)결합부
32: 메인하우징 연결단자
40: 기폭부
50: 서브 하우징(중앙부)
60: 제어부 61: 서브 하우징(내부)
70: 서브 하우징(상부)
80: 수동장입부 90: 노즈콘 |
