BP/MTV 가스발생제를 이용한 화약 벨로우즈 개발 연구

보통 사용되는 벨로우즈는 C2400 단동 재질로서 Φ8.0 x L25.4 ㎜ 크기이다. 국내의 경우 이처럼 작은 액압성형방식의 세장형 벨로우즈는 생산되지 않아 새로 개발하였다. Table 2는 외국의 화약 벨로우즈에 사용되는 벨로우즈 재질(C2400)과 수입한 벨로우즈의 재질 및 국내 생산중인 벨로우즈 재질의 물성을 요약한 것이다. C2400 단동은 국내생산이 안되어 이와 가장 유사한 재질인 C2680 황동을 초기에 사용하였으나, 벨로우즈 팽창 시 Fig. 6에서 보는 바와 같이 파열되는 문제가 있어 기계적 성질이 우수한 C5212 인청동 재질로 바꾸었다. 또한 벨로우즈가 잘 팽창하도록 벨로우즈 제작과정에 열처리공정을 도입하였다. Fig. 6의 화약 벨로우즈 팽창시험 결과는 Fig. 2에서 4.5 ㎏ 물체를 제거한 무부하 상태에서 실시한 것이며, 열처리 공정이 벨로우즈 팽창길이에 상당한 영향을 주는 것으로 나타났다.

Table 2.

Mechanical characteristics of different bellows materials.

Fig. 6

Development changes of bellows.

화약 벨로우즈의 가스발생기에 가장 널리 사용되는 가스발생제 조성은 LS/LMNR/BP 조성으로 화약량은 50~75 ㎎ 수준이며, BP는 약 65%이다[2,3]. 현재 LMNR 화약은 국내생산이나 수입이 불가능하므로 이와 연소특성이 유사한 대체 가스발생제 조성 설계 및 가스발생기를 개발하게 되었다.

기존의 가스발생제 중에 LMNR/BP와 비슷한 연소특성을 갖는 물질을 찾기 위해 국내 조달이 가능한 BP, MTV, K443 Pressure Cartridge (PC)용 점화제 등의 점화물질(가스발생제)에 대한 CBT (Closed Bomb Test) 시험을 하였으며, 폐탄의 화약 벨로우즈에서 획득한 LMNR/BP도 시험하였다. 그 결과는 Table 3 및 Fig. 7과 같다.

Table 3.

CBT results of ignition compounds for gas generator.

Fig. 7

Pressure-Time curves of ignition charges for gas generator.

Table 3 및 Fig. 7에서 보는바와 같이 폐탄의 LMNR/BP 49 ㎎과 연소특성이 가장 비슷한 것은 35 ㎎의 BP class 4나 BP class 6로 나타났으며, 연소압력에 미치는 LMNR의 영향은 미미한 것으로 나타났다. A1-A나 MTV는 최대 압력이 240 psi 수준으로 낮았으며, MTV는 연소속도가 1.77 1atm,mm/s[4]로 느려 최대압력에 도달하는 시간도 6.52 ㎳로 길었다. 따라서 화약 벨로우즈의 가스발생제 기본조성으로 35 ㎎ 수준의BP class 4나 class 6가 적합한 것으로 판단된다.

벨로우즈(C5212 인청동 사용)의 열처리 유무와 가스발생제 종류별 가스발생기에 따른 무부하 시험(Fig. 2에서 4.5 ㎏ 물체를 제거하고 시험) 상태에서 화약 벨로우즈의 팽창길이를 조사하기 위해, Fig. 7의 CBT 결과 및 화약 벨로우즈(벨로우즈 팽창길이 25.4 ㎜ 기준)의 가스발생제 화약량이 보통 50~75 ㎎ 수준인 점을 고려하여 Table 4와 같이 시험하였다.

Table 4.

Non-load test results of explosive bellows according to the types of bellows and gas generators.

시험결과 열처리된 벨로우즈를 적용한 화약 벨로우즈가 외산 벨로우즈 부품을 적용한 화약 벨로우즈와 유사한 팽창길이를 보이면서 25.4 ㎜ 이상 팽창하려면 BP class 4 35 ㎎ 정도가 필요한 것으로 나타났다. 가스발생량이 많은 BP class 4 70 ㎎과 K443 압력 카트리지를 사용한 시험에서도 벨로우즈는 파열 없이 약 40 ㎜까지 팽창된 것으로 보아 BP class 4 35 ㎎ 수준으로 가스발생제 조성을 설계할 경우, C 5212 인청동 재질 벨로우즈는 내파열성에 대한 충분한 설계여유를 가진 것으로 판단된다.

상기의 시험결과를 토대로 BP class 4 35 ㎎을 전후하여 Table 5와 같이 화약 벨로우즈를 제작 및 위력을 평가하였다. 위력시험 시 스프링을 적용한 위력시험장치를 사용하였으며, 스프링 상수가 다른 3종류의 스프링을 각각 적용하여 화약 벨로우즈의 위력시험에 미치는 스프링의 영향도 분석하였다.

Table 5.

Output test results of explosive bellows according to the types of gas generators and springs.

Fig. 8 및 Fig. 9는 Table 5의 시험결과를 도식화 한 것으로 25 ㎜ 전후의 벨로우즈 팽창길이를 보여주는 경우는 BP class 4 50 ㎎ 이상인 경우이다. 그러나 화약 벨로우즈의 위력(스프링의 압축길이)이 요구 수준의 5배 이상으로 지나치게 커서 신관에 적용시 신관의 로터 등과 같이 화약 벨로우즈의 힘을 받는 부품이 손상될 수도 있다. 따라서 스프링의 압축길이는 줄이고 벨로우즈 팽창길이를 늘리기 위해 연소속도가 빠르고 가스발생량이 많은 BP는 줄이고 상대적으로 가스발생량이 적거나 연소속도가 느린 A1-A 점화제나 MTV 점화제가 첨가되는 가스발생제 조성을 검토하였다. 보통 LS/LMNR/BP 조성의 화약 벨로우즈 화약량이 50~75 ㎎ 수준이며 BP는 약 65% 정도인 점을 고려하여, Table 5의 결과를 토대로 35 ㎎ 수준의 BP를 검토했다.

Fig. 8

Compressed spring length according to gas generators.

Fig. 9

Expanded bellows length according to gas generators.

스프링 상수를 달리한 시험결과는 예상된 바와 같이 스프링 상수에 따라 벨로우즈 팽창길이는 차이가 나타났으나, 스프링에 가해진 일은 BP class 4 25 ㎎ 경우를 제외하고는 최대값 대비 최소값의 편차가 약 3~9% 수준으로 화약 벨로우즈 제품의 편차(스프링 팽창길이 기준 6∼16%)를 고려하면 동일한 수준으로 판단된다. 따라서 스프링을 적용한 위력시험장치는 화약 벨로우즈의 위력시험평가에 적합한 것으로 판단된다. 이후 위력시험부터는 스프링의 적용 길이가 너무 크지 않으면서 화약 벨로우즈의 위력 변화를 민감하게 반영할 수 있도록 스프링 상수 0.349 kgf/㎜인 스프링을 적용하였다.

Table 6은 BP class 4 35 ㎎에 MTV 점화제나 A1-A 점화제를 15 ㎎ 첨가하여 혼화한 조성의 가스발생제를 사용한 화약 벨로우즈의 위력시험 결과이다. BP class 4 35 ㎎ 조성과 비교 시 A1-A 15 ㎎을 첨가한 조성의 화약 벨로우즈는 스프링의 압축길이나 벨로우즈 팽창길이에 거의 영향을 주지 않은 반면, MTV 15 ㎎을 첨가한 조성의 화약 벨로우즈는 스프링 압축길이는 약 8% 증가하고 벨로우즈 팽창길이는 25.3 ㎜로 33% 증가한 결과를 나타냈다.

Table 6.

Output test results of explosive bellows according to gas generators.

Fig. 10은 Table 5와 Table 6의 결과를 도식화한 것으로 BP class 4 35 ㎎ + MTV 15 ㎎ 조성이 25 ㎜ 수준의 벨로우즈 팽창길이를 보이나 위력은 요구수준의 3.6배로서 신관로터 회전에 적용할 경우 신관 부품에 과도한 힘이 가해질 수도 있다. 따라서 벨로우즈의 팽창길이는 25 ㎜ 수준으로 유지하면서 스프링 압축길이를 줄일 수 있도록 가스 발생양이 많은 BP 양은 좀 더 줄이고 MTV 양은 늘리는 방안과 충전공정에 대해서도 연구할 필요가 있다.

Fig. 10

Output test results of explosive bellows according to gas generators.

Table 7은 가스발생제의 조성을 BP class 4/MTV(30/20 ㎎)로 조정하고 충전방식을 달리하여 제작한 화약 벨로우즈의 시험결과이다. 화약 벨로우즈 30개분을 제작할 수 있는 가스발생제를 한 번에 혼화하거나 1개를 제작할 수 있는 양으로 혼화하여 충전하기도 하였으며, 서로 연소특성이 다른 BP와 MTV를 혼화하지 않고 충전 순서를 달리하여 화약 벨로우즈를 제작, 시험하기도 하였다. 예로 BP→MTV 순서로 컵에 충전한 경우, 점화약 다음에 MTV와 BP 순서로 충전되었음을 의미한다.

Fig. 11은 Table 7의 시험결과를 도식화 한 것으로 스프링 압축길이가 유난히 작은 경우는 BP→MTV 순서로 충전한 조건으로 MTV가 점화약에 맞닿은 구조이다. MTV의 연소속도는 1.77 1 atm,mm/s이고 반응열은 1300∼2200 cal/g이며, BP는 연소속도가 29.0 1 atm,mm/s이고 반응열은 755 cal/g 이다[4]. 따라서 점화가 용이한 BP에 비해 상대적으로 초기 점화가 어렵고 연소속도가 느린 MTV가 먼저 연소될 경우 스프링을 밀어주는 힘이 약해 스프링 압축길이가 작게 측정되는 것으로 판단된다.

Fig. 11

Output test results of explosive bellows according to ignition compounds loading.

상기의 시험결과, 모든 경우에 BP class 4 35 ㎎ + MTV 15 ㎎ 조성의 화약 벨로우즈에 비해 위력은 17%에서 42%까지 줄었으며, 벨로우즈의 팽창길이도 동등수준 또는 약 6% 정도 줄었지만 Table 1의 요구조건인 화약 벨로우즈의 팽창길이 25.0 ㎜ ± 10%를 충족한다. 그러나 일부 신관용 화약 벨로우즈의 경우 최소 25.4 ㎜ 이상의 벨로우즈 팽창길이를 요구하는 경우도 있으며, 또한 입도와 밀도가 서로 다른 BP와 MTV의 균질한 혼화 상태를 유지하는 것도 어려우므로 두 가지 조성을 서로 적층하는 방식으로서 가장 큰 벨로우즈 팽창 결과를 보여준 BP→MTV→BP 충전방식이 가장 적합한 것으로 판단된다.