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탄도 유기무기를 포함한 유도무기 체계는 사거리 증가, 정확도 향상, 탄두 다양화, 생존성 증대의 추세로 발전되고 있다. 이러한 발전은 유도조종의 소프트웨어 및 하드웨어, 경량의 고 성능 추진기관, 탄두, 체계설계, 구조설계 등 유도무기 체계의 직간접적으로 관련된 기술들의 발전을 통해 구현되고 있다.

특히 유도무기의 비행속도 조정과 원하는 방향으로 탄도를 수정하고, 탄에 탑재된 센서로 부터 수신된 데이터를 외부로 송신하는 기능이 탑재되도록 설계되고 있다. 이러한 정밀 유도기능들은 무차별적인 사격이 아닌 정밀타격으로 아군의 전력 보존성 향상, 무인화, 고효율화의 무기체계로서 개발되고 있다[1]. 이러한 정밀유도를 위한 초소형 유도무기는 탑재되는 각종 센서들과 구동장치 그리고 추진기관의 초소형화가 개발의 핵심요소이다.

이들 중에서 초소형 스마트탄의 개발을 위해 초소형 추진기관을 설계하였으며 설계된 소형 그레인 형상의 제작성을 고려하여 열가소성 추진제로 그레인을 제작하였다. 지상연소시험을 통해 추진기관의 성능을 분석하였으며, 사수의 안전거리를 예측하기 위하여 배기가스 유동해석 및 IR 카메라 영상분석을 통해 화염거리에 따른 온도분포를 비교 분석하였다.

모든 추진기관의 지상연소시험은 상온에서 수행하여 분석하였으며, 압력 데이타 획득을 위한 연소시험은 Heavy type motor를 적용하여 압력 데이타를 확보하였다. Heavy type motor 전방부는 착화기와 그레인의 연결부에 대한 설계로 인하여 압력측정을 위한 체적 공간 확보의 어려움이 있어 노즐과 그레인 사이에 압력측정 어댑터를 적용하여 데이터를 획득하였다. 또한 늘어난 연소관 내부 체적공간으로 인하여 추진제 점화를 위한 착화기의 화약양도 기존의 화약양 대비 과량 투입하여 시험을 수행하였다.

추진기관 성능설계에 적용된 추진제 특성을 Table 2에 정리하였으며 Heavy type Motor의 지상연소시험 후 추력&압력-시간 선도 그래프와 내탄도 해석 비교 결과를 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5 
Results of ground test of H/T Motor.

최대 압력은 88bar 수준으로 최대 추력 요구조건인 80N보다 낮은 58N이며 총 역적을 비교하였을 때 31N-sec의 비슷한 수준을 보임으로써 시험 값과 성능 해석 값이 비교적 일치하고 있음을 알 수 있다. 내탄도 해석 및 연소시험 결과 비교 값은 Table 3.에 정리하였다.

Fig. 6은 Flight type Motor 제작 후 시험한 추력-시간 선도 그래프로 최대 추력은 Heavy type Motor 시험결과와 동일한 그래프 형상을 나타낸다. 최대 추력 값의 차이는 그레인 slot의 가공에서 나타나는 미세한 차이로 인한 오차로 보여지며 총 역적은 여러 번의 재현성 확인시험에서 31∼32N-sec 값을 얻음으로서 비슷한 수준의 값을 보였다. 또한 지상연소시험결과 비추력은 223∼225sec의 범위를 보여 이론 비추력과 3% 내의 차이를 보이는 것으로 확인하였으며 Table 3.에 정리하였다.

Fig. 6 
Results of ground test of F/T Motor.

초소형 스마트탄의 사수 안정성 확보를 위해서는 사수와 추진기관 간 안전거리 설계가 필요하다. 그리고 안전거리 설계를 위해서는 추진기관의 배기가스 유동특성, 고체 입자 연소생성물, 추진기관 후방에서의 음압 정보 등 사수에게 위협이 될 수 있는 요인들에 대한 정보가 요구된다.

따라서 추진기관의 배기가스 유동해석기술 획득과 안전거리 설계를 위한 기초자료를 확보하기 위하여 유동해석을 수행하였다. 추진기관의 배기가스 유동해석기법을 검증하기 위해 해석결과와 IR 카메라로 획득된 실험결과를 정성적으로 비교했으며, 보유한 IR 카메라 장비로 획득할 수 없었던 온도분포결과를 예측하였다.

연소실 압력이 가장 큰 경우에 배기가스의 모멘텀이 최대이며, 이때 배기가스로 인한 위험거리가 최대일 것으로 예상하였다. 내탄도 해석 및 실험으로부터 연소실의 최대 압력이 각각 87.51, 88.28bar임을 고려하여, 유동해석에서는 노즐 입구부의 압력을 90bar로 선정했다.

계산비용 감축을 위해 화학반응은 고려하지 않았으며, 연소실 이후에서 배기가스가 화학적 평형인 상태임을 가정하여 해석을 수행하였다. 배기가스의 물성치는 CEA (Chemical Equilibrium Analysis) 코드를 사용하여 도출했으며, 그 값은 Table 4.과 같다[7].

2차원 축대칭 압축성 Reynolds-averaged Navier-Stokes 식을 사용하여 정상상태 해석을 수행하였다. 공간차분은 Roe의 flux-difference splitting 기법과 2차 정확도의 풍상차분기법을 적용하였으며, 난류모델로 k-epsilon standard 모델을 사용하였다. 총 사용한 격자의 수는 22만개 이며, 벽면에서 y+는 50 이하이다(Fig. 7). 본 해석은 상업용 열⋅유체 시뮬레이션 도구인 Fluent 2019 R2를 사용하여 수행되었다.

Fig. 7 
Grid near the nozzle.

유동해석의 계산 영역은 Fig. 8과 같이 노즐 내부와 외기영역으로 구성된다. 노즐 출구의 유동이 외기에 의한 영향이 없도록 노즐 출구 직경의 60배인 외기영역을 추가하였다.

Fig. 8 
Schematic diagram of computational domain.

경계조건으로 노즐 벽면의 경우 no-slip, 단열조건으로 설정하였으며 노즐 입구의 압력(P_c) 및 온도(T_c)는 각각 90bar, 2565K으로 설정하였다. 외기영역의 경우, x축 방향의 시작영역은 벽면으로 설정하여 no-slip, 단열조건을 부여했고 끝영역은 출구압력을 대기압으로 설정하였다. 외기영역의 y축 방향 경계조건은 symmetry 조건을 부여하였다.

Fig. 9는 노즐 배기가스 유동의 압력, Mach 수, 밀도 그리고 온도 컨투어이며, Fig. 10은 노즐 배기가스의 중심부를 따라, 출구로부터 떨어진 거리에 대한 압력, Mach 수, 밀도 그리고 온도 그래프이다. 해석결과 노즐 배기가스의 유동에서 노즐 출구로부터 10cm 근방까지 Mach 디스크가 유지되며, 급격한 압력 및 밀도 변화가 관측되었다. 또한 노즐 배기가스 유동의 중심부 온도는 출구로부터 급감하여 45cm 근방에서 400K까지 떨어진다.

Fig. 9 
Contours for pressure, Mach number, density, and temperature near nozzle region.

Fig. 10 
a) Pressure and density, b) Mach number and temperature on the jet centerline.

실제 지상연소시험을 통한 노즐 배기가스 유동의 중심부 온도변화를 IR 카메라로 획득하였으며, 카메라 자체 자동 온도 색변환 스펙으로 인하여 온도 스케일에 대한 정보는 획득하지 못하였다. 하지만 연소시간동안 출구로부터 가스 온도에 따른 화염 형상 및 가스 분포를 확인할 수 있었으며 Fig. 11에 나타내었다. IR 카메라 영상 분석 결과 노즐 출구로부터 0.5m 근방까지 유동의 온도가 급격하게 변화하고 0.5m 지점 이후부터 유동의 온도는 완만하게 떨어지며, 1m 근방에서 노즐 배기가스 유동의 온도가 상온(파란색)에 도달한 것이 관측 되었다.

Fig. 11 
Flame length of H/T Motor ground test. (Unit, cm)

본 개발에서는 소형 그레인 제작에 용이한 열가소성 추진제를 이용하여 초소형 추진기관을 개발하고 성능을 검증하였다.

추진제의 성능과 점화특성을 향상시키기 위해 기존 추진제 조성 대비 AP 함량을 증가시켜 비추력을 향상시키고, 4-slot 형상의 그레인으로 설계하여 체계요구 조건인 80N이하의 추력을 충족하였다.

실제 연소시험을 통해 지상연소시험 및 비행용 추진기관의 추력-시간 선도 그래프의 재현성을 확보하여 구조적인 결함 없이 그레인 설계의 적합성과 추진기관 요구 성능을 만족하였다.

그리고 초소형 스마트 탄의 배기가스 유동해석기술 및 사수 안전거리 설계 기초자료 확보를 위하여 유동해석을 수행하였다. 노즐 배기가스의 중심부 온도가 출구로부터 급감하여 45cm근방에서 400K까지 감소하는 것이 해석 결과에서 확인 되었다. 지상연소시험의 IR 카메라로 촬영된 배기가스 온도가 노즐 출구로부터 0.5m 근방까지 급격하게 감소하고 1m 근방에서 상온에 도달하는 것을 고려할 때, 정성적으로 합리적인 해석 결과가 도출된 것으로 판단되었으며, 사수 안전거리는 1 m 이상으로 설정 할 수 있었다.