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가속노화시험은 정상조건보다 가혹한 스트레스(온도, 습도, 진동 등) 수준에서 시험하여 구성품의 노화를 촉진시키고, 노화특성이 사전에 정의된 고장판정기준까지 저해하는 시점을 고장시간으로 정의한다. 일반적으로 사용자는 가속조건에서 노화로 인해 획득된 고장 데이터를 분석하여 정상조건에서의 수명을 정확하게 예측할 수 있다. 제품의 고장 메커니즘은 대부분 연쇄적인 물리, 화학적인 반응으로 이루어지는데 격벽착화기의 경우는 화약의 산화로 인한 성능 변화가 이에 해당한다. 동일한 제품에 동일한 형태의 스트레스를 인가하더라도 스트레스 수준에 따라 서로 다른 고장 메커니즘이 발생할 수 있는데, 이 때문에 스트레스를 가혹하게 인가하더라도 고장 메커니즘이 변하지 않고 실 사용조건에서 발생하는 동일한 고장 메커니즘을 재현하는 것이 가속노화시험의 기본 원칙이다.

사전 연구 결과를 바탕으로 본 연구에서는 온도 스트레스에 의한 영향을 고려하였고 실제 저장 조건에서 발생할 수 있는 고장 메커니즘을 재현 한다는 측면에서 온도 가속 조건을 90℃이하로 제한하였다.

격벽착화기에 적용되는 화약에 대하여 활성화 에너지(E_a)를 이용하여 아레니우스 수명 식과 가속계수 수식을 통해 각 화약에 대한 실사용 수명 모사를 위한 가속시험 시간을 산정하였다. 하지만, 2가지 화약 상호간에 반응이 없을 때, 보다 낮은 활성화 에너지를 갖는 화약이 제품 수명을 결정하게 된다[6].

Table 1과 같이 격벽착화기에 사용된 고폭화약은 기존연구결과[10]와 HFC(Heat Flow Calorimetry)를 통해 활성화 에너지를 확인하였고, 점화화약은 HFC를 적용하여 활성화 에너지를 계산하였다. HFC는 물리적, 화학적 노화반응을 통해 나타나는 시간당 열량을 측정/분석하여 미세한 열 흐름 특성을 분석하는 시험방식이다. 이러한 HFC의 열 감지특성은 추진제와 점화제 등의 에너지 물질들이 저장온도 조건에 보다 가까운 온도조건하에서의 노화특성 분석과 오링, 라이너 등 열 방출량이 적은 시효성 품목의 노화성 평가에 사용되기 때문에 많은 효율성을 가진다.

아레니우스 모델은 화학반응에 의한 노화 고장을 모형화하는 수명과 스트레스 간의 관계식으로 온도 요인에 의한 가속노화시험을 예측하는데 가장 많이 사용된다. 온도에 따른 수명온도를 나타내는 아레니우스 모형은 Eq. 1과 같다.

Eq. 1의 아레니우스 모형을 기반으로 정상 온도조건과 가속 온도조건 간의 가속계수(Accelerated Factor, AF)를 계산하면 Eq. 2와 같다.

계산된 가속계수를 Eq. 3에 적용하여 온도에 따른 가속노화기간을 계산한다.

격벽착화기는 단 기간 내에 노화특성을 도출하는 것이 어렵고 시료의 개수 및 시험 기간의 제약으로 일반 가속노화시험이 아닌 스텝 스트레스 시험을 통해 가속노화시험을 실시하였다.

화약 중에서 저장기간이 더 오래 걸리도록 활성화 에너지를 보수적으로 선택하였고, 저장기준 온도, 가속노화 온도 등의 조건에 따라 등가가속노화시간을 산출한 결과는 Table 2와 같다. Eq. 3에 의해 계산된 일반 요구 저장기간 20년에 해당되는 가속노화 일수는 약 103일이다. 그러나, 본 연구에서는 온도별 데이터를 확보하여 변화추이를 확인하고, 보다 많은 데이터를 통해 신뢰도를 증가시키기 위해 가속노화 일수를 210일까지 연장하여 시험을 수행하였다.

Fig. 2 
Step Stress Test(period).

격벽착화기는 점화에너지를 공급하는 역할을 하기 때문에 밀폐용기 시험을 통해 압력이 생성되는 시점, 즉 작동지연시간과 최대압력이 주요한 작동성능 특성값이다. 가속노화를 통해 주기별 작동지연시간과 최대압력을 측정하고, 분산분석(Analysis of Variance)을 수행하여 노화여부를 판단할 수 있다. 분산분석은 일원분산분석(one-way ANOVA), 이원분산분석(two-way ANOVA), 다원변량분산분석(MANOVA) 등으로 분류되는데, 본 연구에서는 가속노화 주기별로 시험을 수행하였으므로, 일원분산분석을 이용하여 분석을 수행하였다.

일원분산분석은 인자가 하나인 분석법으로 다른 인자는 측정치에 경미한 영향으로 무시할 수 있거나 또는 영향이 일정할 때, 인자의 집단 수가 3개 이상일 때 그에 대한 평균 사이의 차를 검증하며 실험순서는 임의적이다.

시험에서 인자 A의 수준(집단)수가 k개 (A₁,A₂,...,A_k)이며, 각 수준마다 n번씩 동일하게 반복 실험을 할 경우, 일원분산분석의 데이터는 다음과 같이 배열된다. 여기서 N=kn은 총 실험횟수이다. 이를 통해 일원분산분석의 구조모형을 구축하면 다음과 같다.

본 연구에서는 분산분석을 통해 수준 간의 평균의 차이를 검증하기 위해 총 변동을 집단간 변동과 집단내 변동으로 분해하여, 두 변동의 비율이 통계적으로 유의한지를 검증하였다. i번째 노화기간 동안 n_i개의 시료에 대하여 가속노화를 실시하여 산출된 노화특성을 y_ij라고 한다면 다음과 같이 귀무가설과 대립가설을 설정할 수 있다.

- 귀무가설 : 노화기간에 따라 노화특성 차이가 없다고 판단

H₀ : μ₁ = μ₂ =...μ_k

- 대립가설 : 노화기간에 따라 노화특성 차이가 있다고 판단

H₁ : μ_i ≠ μ_j for at least one pair(i,j)

가설 설정이 완료되면 검정통계량 F₀및 유의확률 p-value를 계산하고, 이에 따라 노화 특성의 차이를 판단한다.

- 유의수준 α=0.05에서 p-value가 0.05보다 클 경우 : 귀무가설을 기각할 만한 충분한 근거가 없기 때문에 노화기간에 따라 노화특성의 차이가 없음
- 유의수준 α=0.05에서 p-value가 0.05보다 작을 경우 : 귀무가설을 기각하여 노화기간에 따라 노화특성의 차이가 있음[12]

격벽착화기는 점화기에 점화에너지를 지연없이 공급하는지, 충분한 에너지를 공급하는지를 확인하기 위해 작동지연시간과 최대압력을 측정하여 작동조건을 만족하는지 판단해야 한다. 이에 따라 본 연구에서는 시료에 대한 성능시험 결과를 작동 요구조건 Table 5와 비교함으로써 사용여부를 판단하였다. 즉, 작동 요구조건을 고장판단의 기준으로 채택하였다.

가속노화시험으로 인한 격벽착화기의 노화 여부를 판단하기 위해 밀폐용기 시험(Closed Bomb Test)을 수행하였다. 밀폐용기 시험은 착화기류의 점화 성능을 검증하기 위해 수행하는 방법이며 고전압 전기에너지가 도너 역할을 하는 마이크로 착화기에 인가되어 격벽착화기에 기폭에너지를 전달하고, 밀폐용기 내부에 발생하는 압력을 계측함으로써 점화 에너지 발생 여부를 확인할 수 있다. 가속노화 챔버에서 불출한 시료는 5분내에 성능시험을 수행하였고, 밀폐용기, 압력센서, 계측장비는 데이터의 통일성을 유지하기 위해 동일하게 적용하였다.

가속노화 후 시료의 노화특성 변화를 확인하기 위해 가속노화 시험을 하지 않은 시료에 대해 성능시험 결과와 비교하였다.

시험결과 격벽착화기의 성능특성과 노이즈가 함께 측정되었다. 노이즈는 격벽착화기에서 발생된 충격파가 밀폐용기 내부에서 난반사되어 발생된 노이즈로 분석된다. 정확한 데이터 분석을 위해 Low-Pass Filter를 적용하였고, 이때 최대 압력 부근에서 노이즈가 다소 포함되어 있어 측정 정확도를 높이기 위해 커브피팅을 추가 적용하였다.

Fig. 4는 가속노화 전 시료에 대한 압력선도를 나타낸다. 밀폐용기 내에서 압력이 생성되는 시점을 작동지연시간(Delay Time), 압력선도의 최대치를 최대압력(Max. Pressure)으로 설정하였다. 5개 시료에 대한 성능시험 결과 상당히 유사한 압력선도를 나타내며, 작동지연시간과 최대압력의 평균값은 28.3μsec, 923psi로 계측되었다.

Fig. 3 
Test-device configuration.

Fig. 4 
Pressure Histories before treatment.

Fig. 5와 Fig. 6은 주기별 작동지연시간과 최대압력 분포를 나타내는 그래프이다. 그래프상에서는 주기별 측정값의 변화가 다소 있는 것으로 보이나 격벽착화기의 규격치와 비교하고, 통계적 분석을 고려하여 가속노화에 따른 성능 특성치 변화를 확인할 필요가 있다.

Fig. 5 
Delay time at each test point (Solid lines are interval between the 1^st and 3^rd quantiles of the normal distribution for ANOVA).

Fig. 6 
Maximum pressure at each test point (Solid lines are interval between the 1^st and 3^rd quantiles of the normal distribution for ANOVA).

각 주기별로 5개의 시료를 가속노화 처리하여 성능시험을 수행하였으나, 4주기 2개의 시료는 계측실패로 데이터 분석에서 제외하였다.

작동지연시간의 경우 가장 큰 값이 5주기 3번째 시료로 33.2μsec로 측정되어 규격치를 만족하였고, 최대압력의 경우도 3주기 3번째 시료에서 823psi가 측정되었으나 규격치를 만족함을 확인하였다. 측정된 데이터와 규격치를 비교했을 때 가속노화에 따른 변화는 제품의 성능을 좌우하지 않는 것을 확인할 수 있다.