탄약용 적외선 추적제

탄약용 적외선 추적제{Infrared tracer for ammunition}

본 발명은 미국군과 맺은 계약 번호 제DAAD05-96-C-9016호하에 개발되었다. 본 발명에 대한 권리는 상기 계약 조건에 규정된 바와 같이 양수인이 갖는다.

본 발명은 적외선이 방출되는 추적제 조성물에 관한 것이다. 보다 특히는, 추적제 조성물과 입자 크기의 조화는 연소 시간을 연장시키고 가시광선 방출을 감소시킨다.

연소가능한 추적제 조성물을 함유하는 탄약 탄피는 사수가 정확한 발포 탄도를 파악하는데 사용된다. 추적제 조성물의 한 유형은 적외선 신호를 갖는다. 연소시, 추적제 조성물은 전형적으로 파장이 2.5 내지 14μ인 적외선을 방출한다. 추적제 연소시 극히 소량의 가시광선이 방출된다. 사수, 또는 사수와 함께 팀이 된 관측자는 야간 투시경 또는 적외선 방출에 민감한 다른 시스템을 통해 적외선 방출을 관찰할 수 있다. 가시광선이 방출되지 않으면 적이 사수의 위치를 파악하는데 어렵다.

미국군에 의해 개발된 하나의 적외선 추적제 조성물은 R-440이다. 과산화바륨, 과산화스트론튬, 칼슘 레조네이트 및 탄산마그네슘의 혼합물인 이 조성물은 도리스(Doris) 2세의 미국 특허 제3,677,842호에 기재되어 있다.

R-440 제형은 매우 빨리 연소되는 경향이 있다. 표준 30mm 탄피에 함유된 추적제 조성물의 양은 약 5초 내에 연소된다. 현재 발포 탄도는 때때로 5초를 초과하는 비행 시간을 필요로 하므로 R-440 추적제 혼합물의 유효성을 떨어뜨린다. 추가로, R-440 추적제 혼합물은 연소시 일부 가시광선이 방출되어 이따금 사수가 위험에 처할 수 있다.

닐슨(Nielson)의 미국 특허 제5,639,984호에는 연소시 적외선을 방출하는 변형된 추적제 조성물이 기재되어 있는데, 당해 조성물은 가시광선을 전혀 방출하지 않는 것으로 기술되어 있다. 이 조성물은 알칼리 금속 화합물, 연소 속도 촉매, 하나 이상의 과산화물 및 결합제의 혼합물을 함유한다.

미국 특허 제5,639,984호에 기술된 조성물은 용매 증발 방법에 의해 500 내지 800μ 크기의 입자로 형성된다. 이러한 "습식" 공정은 시간 소모적이고 추적제 혼합물의 비용을 증가시킨다. 또한, 이러한 추적제 혼합물은 R-440 추적제 혼합물과 거의 동일한 속도로 또는 보다 빠르게 연소한다.

따라서, 가시광선을 전혀 방출하지 않으면서 적외선을 방출하고 경제적으로 제조되며 R-440보다 우수한 연소 속도를 갖는 추적제 조성물이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 연소시 거의 대부분 적외선만을 방출하는 연소가능한 추적제 혼합물을 제공하는 것이다. 추적제 조성물이 산화제, 연료 및 연소 속도 조절제의 혼합물이다는 것이 본 발명의 특징이다. 추적제 혼합물의 각 성분은 특정한 양 및 특정한 입자 크기로 제공된다. 본 발명의 또 다른 특징은 추적제 조성물의 성분을 바람직하게는 용매를 첨가할 필요없이 무수 혼합한 다음, 압축시킨다는 것이다.

본 발명의 추적제 조성물의 잇점은 조성물이 R-440보다 상당히 긴 연소 시간을 갖고 거의 적외선만을 방출한다는 점이다. 추가의 잇점은 건식 가공으로 인하여 추적제 조성물이 경제적으로 대량 제조될 수 있다는 점이다.

본 발명에 따라서, 연소시 거의 적외선만을 방출하는 발광 조성물이 제공된다. 당해 조성물은 필수적으로 하나 이상의 과산화물 성분 약 20 내지 약 90중량%; 과산화물 성분보다 더욱 강력한 산화제 약 1 내지 약 20중량%; 연소 속도 조절제 약 5 내지 약 15중량%; 결합제 약 5 내지 약 15중량%; 및 규소 약 0.1 내지 약 11중량%로 이루어진다.

상기한 목적, 특징 및 잇점은 하기 명세서 및 도면으로부터 더욱 자명해질 것이다.

본 발명의 발광 조성물은 제1 성분으로서 하나 이상의 과산화물 성분을 함유한다. 적합한 과산화물 성분에는 과산화스트론튬, 과산화바륨, 과산화칼륨, 과산화암모늄, 과산화나트륨 및 이의 혼합물이 포함되고, 과산화스트론튬, 과산화바륨 및 이의 혼합물이 바람직하다. 과산화물 성분 함량은 약 35 내지 약 90중량%이어야 한다. 과산화물 성분이 약 35중량% 미만이거나 약 90중량%를 초과하는 양으로 존재하면, 산소 대 연료 비는 적합한 점화 또는 연소 특성을 지속시키지 않는다. 과산화물 성분은 과산화스트론튬과 과산화바륨의 혼합물과 같은 하나 이상의 과산화물로 구성될 수 있다. 일례의 추적제 조성물은 과산화스트론튬과 과산화바륨을 약 1:1의 중량% 비로 함유한다.

제2 성분은 과산화물 성분보다 더욱 강력한 산화제이다. 강력한 산화제는 추적제의 가시광선 방출을 증가시키지 않고, 적외선 검출 시스템을 능가할 수 있는, 적외선 방출을 수용할 수 없을 정도로 크게 증가시키지 않으면서 연소의 신뢰도를 증가시킨다. 바람직한 강력한 산화제는 질산바륨이다. 다른 적합한 강력한 산화제에는 과염소산암모늄, 과염소산칼륨, 질산나트륨, 질산암모늄, 구아니딘 니트레이트 및 질산스트론튬이 포함된다.

강력한 산화제의 최소량은 약 1%이다. 약 1% 미만의 농도에서는 점화 신뢰도가 떨어진다. 강력한 산화제의 농도가 약 20%를 초과하면, 연소 생생물은 가시화된다.

발광 조성물의 다음 성분은 약 5 내지 약 15%의 양으로 존재하는 냉각제이다. 하나의 바람직한 냉각제는 탄산마그네슘이다. 기타 적합한 냉각제에는 암모늄 옥살레이트, 스트론튬 옥살레이트, 나트륨 옥살레이트, 바륨 옥살레이트, 칼슘 옥살레이트 및 이의 혼합물과 같은 옥살레이트 그룹의 화합물을 포함한다.

냉각제 함량이 약 5% 미만이면, 연소 생성물은 가시화된다. 냉각제 함량이 약 15%를 초과하면, 추적제 조성물은 불량한 연소 특성을 갖는다.

결합제는 입자 형태로 제공되는 발광 조성물의 기타 성분을 함께 유지시킨다. 결합제는 약 586MPa(85,000psi) 미만의 압력에서 기타 성분과 결합되도록 선택된다. 하나의 바람직한 결합제는 칼슘 레조네이트이다. 다른 적합한 결합제는 폴리우레탄 및 에폭시와 같은 중합체이다. 이러한 결합제는 추적제 물질의 구조적 결합성을 증가시킨다.

결합제는 약 5 내지 약 15%의 양으로 존재한다. 결합제 함량이 약 5% 미만이거나 약 15%를 초과할 경우, 결합제는 비행시 추적제 조성물의 결합성을 유지시키지 못해 추적제를 붕괴시킬 수 있다.

발광 조성물의 또다른 성분은 순도가 약 98중량% 이상, 바람직하게는 99.9중량%를 초과하는 규소이다. 규소는 바람직하게는 무정형이다. 규소 중의 불순물은 연소시 가시광선을 방출하는 경향이 있기 때문에, 고순도 규소가 필요하다.

규소는 추적제 조성물의 연소 강도를 효과적으로 증가시켜 연소 신뢰도를 향상시킨다. 바람직하게는, 규소는 약 0.1 내지 약 15%의 양으로 존재한다. 규소 함량이 약 0.1% 미만일 경우, 추적제 조성물은 불규칙하게 연소한다. 함량이 15%를 초과할 경우, 추적제 조성물은 급속하게 연소한다.

발광 조성물의 성분은 비교적 소립자로서 제공된다. 입자가 랜덤 형태이기 때문에, 입자 크기는 입자를 시브에 통과시키고 입자가 낙하하는 가장 큰 수의 시브를 확인함으로써 측정한다. 과산화물 성분의 경우, 입자는 최대 치수 약 149μ에 대해 100메시 시브를 통과해야 한다. 과산화물 성분보다 더욱 강력한 산화제는 과산화물 성분보다 약간 작고, 최대 입자 크기가 약 105μ에 대해 140메시 시브를 통과해야 한다. 냉각제는 다소 클 수 있고, 최대 입자 크기 약 400μ에 대하여 35메시 시브를 통과한다. 결합제는 최대 입자 크기 약 177μ에 대하여 80메시 시브를 통과해야 하고, 규소는 최대 입자 크기 약 149μ에 대하여 100메시 스크린을 통과해야 한다.

발광 조성물의 성분을 비교적 소립자로 사용하면 성분들간의 긴밀한 혼합 및 전체 발광 조성물에 걸쳐 일정한 연소 속도 둘 다를 조장한다. 성분들은 이들의 목적한 비율로 배합하고, 실질적으로 균질한 조성물이 성취될 때까지 콘 블렌더에서, 또는 대등하게 혼합한다. 통상적으로 약 30분 내지 약 2시간 동안 혼합하면 목적한 균질도를 성취할 것이다. 추적제 성분은 건식 혼합하거나 후속적으로 증발하는 용매를 포함하여 습식 혼합할 수 있다.

이어서, 추적제 혼합물은 목적한 구경의 탄약 탄피 속에 압축시킨다. 바람직하게는, 탄약 탄피는 강철이고, 압축은 수압기를 사용하여 2단계 공정으로 수행한다. 추적제 혼합물의 약 1/2을 1차 압력에서 압축시킨 다음, 나머지 1/2을 탄피에 넣고, 2차 저압에서 압축시킨다. 제1 분량의 압력을 증가시키면 당해 분량의 연소 속도는 떨어진다. 예시적인 압축 압력은 제1 분량에 대하여 586MPa(85,000psi)이고, 제2 분량에 대하여 496MPa(72,000psi)이다. 탄약이 발사될 경우, 추적제 조성물은 장약에 의해 방출되는 뜨거운 가스에 의해 점화된다.

적외선을 방출하는 바람직한 발광 조성물은 필수적으로 과산화스트론튬 19.5 내지 49.5중량%, 과산화바륨 19.5 내지 49.5중량%, 탄산마그네슘 5 내지 15중량%, 칼슘 레조네이트 5 내지 15중량%, 규소 0.1 내지 11중량% 및 질산바륨 1 내지 20중량%로 이루어진다.

더욱 바람직한 추적제 조성물은 과산화스트론튬 32 내지 36중량%, 과산화바륨 32 내지 36중량%, 탄산마그네슘 8 내지 12중량%, 칼슘 레조네이트 8 내지 12중량%, 규소 0.5 내지 1.5중량% 및 질산바륨 8 내지 12중량%로 이루어진다.

본 발명의 추적제 조성물의 잇점은 하기 실시예로부터 더 자명해질 것이다.

실시예

상기한 바와 같은 입자 크기를 갖고 과산화스트론튬 34.5중량%, 과산화바륨 34.4중량%, 탄산마그네슘 10중량%, 칼슘 레조네이트 10중량%, 규소 1중량% 및 질산바륨 10중량%의 공칭 조성을 갖는 추적제 조성물의 균질한 혼합물은 30mm 강철 탄약 탄피 속에 수압으로 장전한다. 각 탄피의 중량은 240g이고, 추적제 조성물을 약 5.5g 함유한다. 20개 탄피의 제1 그룹을 +60℃(+140℉)로 가열하고, 20개 탄피의 제2 그룹을 -32℃(-25℉)로 냉각시키고 이 온도에서 최소한 2시간 동안 유지시켜 평형을 달성한다. 이어서, 탄약을 발사하고, 불발율을 기록한다.

이어서, 연소 시간은 적외선 안경을 착용하고 있는 탄착 관측자가 스톱워치를 사용하여 적외선 방출 개시로부터 방출 종결까지의 시간을 측정한다. 적외선 안경을 착용하지 않은 또다른 탄착 관측자가 가시광선 방출율을 측정한다. 결과는 표 1에 나타낸 바와 같다.

이어서, 본 발명의 추적제 조성물을 R-440 및 미국 특허 제5,639,984호에 기술된 조성물 둘 다와 비교한다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 추적제 조성물은 두개의 선행 조성물에 비하여 개선되었다.

본 발명에 따라서 상기한 목적, 특징 및 잇점을 완전히 충족시키는 추적제 조성물이 제공된다는 것이 명백하다. 본 발명은 이의 특정 양태와 함께 기술되었고, 상기한 설명의 관점에서 많은 대안, 변형 및 변화가 당해 기술 분야의 숙련가에게 자명할 것임이 입증된다. 따라서, 첨부된 청구의 범위의 요지 및 광범위한 범위내에 속하는 상기한 대안, 변형 및 변화 모두를 포함하고자 한다.