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155mm 포탄 탄도수정신관용 MEMS 안전장전장치 = MEMS safety and arming device for course correction fuze of 155mm munition
서명 / 저자 155mm 포탄 탄도수정신관용 MEMS 안전장전장치 = MEMS safety and arming device for course correction fuze of 155mm munition / 이춘재.
저자명 이춘재 ; Lee, Chun-Jae
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

Due to the high performance and structural compatibility with conventional munition, many countries have tempted to develop Course Correction Munition(CCM) since 1990`s. One of the important thing of the development is miniaturizing the size of existing devices in fuze for setting the many parts in limited space. Safety and Arming Device(SAD) is an essential part of the fuze. SAD is a device that ensures safe and reliable performance of arming operation of the munition. Following to the recent development of the CCM, several research have applied MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) to reduce the size of the SAD. However none of MEMS SADs have been applied to a actual CCM. This research describe three types of MEMS SAD: mass driving type, spiral spring type, and rack type. Each type shows different operation concept and fabrication. Every type satisfied safe and arming performance in rotation conditions by means of spin experiment. By high speed camera video demonstration, time delay performance were measured and each type showed different results. Frames of spiral spring type and rack type were fabricated by STS wet etching process which is highly efficient compare to UV-LIGA process for mass driving type. STS wet etching process is cheap, fast manufacturing and efficient for mass production of MEMS SAD. The proposed design and fabrication process are expected to be adapted in not only CCM but also in a munition with small-diameter for small size fabrication and high productivity.

백년 전쟁이 10년째에 접어들던 1346년 크레시 전투에서 영국군 에 의해 화포가 처음 실제 전투에서 사용된 이래로 많은 발전을 거듭해 오고 있다. 처음에는 낮은 정확도로 인해 결정적인 영향력을 행사하지 못하던 화포가 19세기 이후로 탄도학의 발전, 강선포의 출현, 완충장치의 개발 등으로 사거리가 증대되고 정확도와 안정성이 높아졌다. 이러한 발전과정에서 화포 자체의 발전과 더불어 화약과 포탄도 발전했다. 포탄의 경우, 화약과 기계식 신관을 포함한 단순한 장치였으나 근래에는 사거리 증대와 정확도 향상을 위해 포탄 내에 다양한 기능을 하는 부품들이 추가된 포탄들이 개발되었다. 그 실제 사례로, 미국은 걸프전에서 대량의 포병사격으로 전장의 주도권을 잡은 반면 10여년이 지난 2001년 이라크 전에서는 첨단 포탄을 사용하여 핵심 표적을 무력화시킴으로써 효율적으로 임무를 수행했다. 이러한 첨단 탄약의 장점은 종래의 무차별적이고 대량의 포탄을 사용하는 공격 형태에서 소량으로 선별적인 표적타격을 가능하게 함으로써 재래식 탄약에 비해 비용대비 효과의 극대화, 민간인 및 아군의 피해감소, 전장복구비용의 최소화, 교전시간단축, 그리고 병참지원요소를 줄일 수 있다는 것이다. 국내 포탄의 경우에도, 1970년대 개발 및 생산, 수량 확보 중심에서 2000년대 효과중심의 탄약 개발 및 운용으로 탄약 지능화 연구개발의 필요성이 부각되면서, 다양한 연구가 진행되고 있다. 위와 같은 지능탄약(Smart Munition)의 개발을 위해서는 여러 분야의 연구가 동반되어야 한다. 그 중 선결 과제가 신관 내부 장치들의 소형화다. 기존 재래식 신관 대비 기능이 훨씬 많아져서 GPS/INS에 관련되는 각종 부품들과 각종 센서 등이 추가되기 때문에 공간 활용을 위해서 재래식 신관에서 기본 기능을 수행하는 부품들이 소형화가 되어야 하는 것이다. 부품의 소형화를 위해서는 다양한 방법들이 있을 수 있지만, 최근 신관 내 부품 소형화를 위해 가장 많이 사용되는 기술이 바로 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)이다. MEMS를 통한 센서기술은 완성단계에 들어섰다고 할 수 있으나, 아직 포탄 시스템의 안전에 있어서 가장 중요한 역할을 하는 안전장전장치(SAD, Safety and Arming Device)에 있어서는 미흡한 상황이다. 여러 국가에서 다양한 포탄에 적용되는 개발을 진행했으나, 155mm 포탄용 안전장전장치는 개발된 사례가 보고되지 않고 있다. 이 연구는 지능탄약 중 재래식 탄약을 그대로 활용한 채 신관만을 개발해 결합하는 탄도수정신관용으로 사용이 가능한 MEMS 안전장전장치를 설계하고 제작하는데 중점을 두고 진행되었다. 기존의 연구결과를 분석하여 최적의 설계를 도출하고, 가장 효율적인 공정을 적용하였다. 구동개념이 다른 세 가지 모델에 대한 연구가 진행되었으며, 소기의 목적을 달성하였다. 세 가지 모델은 질량체 구동형 모델, 태엽 스프링 구동형 모델, Rack 구동형 모델이다. 세 모델 모두 장전 및 안전장치가 100% 정상적으로 구동되었다. 그리고 크기도 기존 안전장전장치의 1/2 수준으로 획기적으로 줄일 수 있었다. 그리고 이 모델이 전력화 되는데 중요한 요소인 장전안전거리 확보는 요구사항의 30% 수준으로 일부 보완이 필요하다. 설계 이외에 이 논문에서 제시하는 모델에서 차별화 되는 점은 바로 공정이다. 공정은 STS Wet etching 공정을 활용하여 제작함으로써 대량 생산 시 기존 UV-LIGA 공정대비 1/30 수준(프레임 기준)으로 제작할 수 있어, 경제성을 확보할 수 있다. 이 공정은 산업적으로 전기적, 광학적, 심미적 요소들로만 사용되어 왔으나, 연구를 진행하면서 기계적 구조물인 스프링을 제작하여 요구하는 성능을 만족할 수 있음을 확인하였다. 여러 가지 성과가 있었지만 실제 전장에서 사용되기까지는 아직 더 많은 연구와 실험이 필요할 것이다. 많은 시간과 노력이 필요하겠지만 개발이 완료되면, 한국형 탄도수정신관 개발에 중요한 요소가 될 것이며, 탄도수정신관 뿐 만 아니라 더 많은 종류의 포탄에도 동일하게 적용될 수 있을 것이다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 14070
형태사항 ⅵ, 62 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Chun-Jae Lee
지도교수의 한글표기 : 이승섭
지도교수의 영문표기 : Seung-Seob Lee
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 59-60
주제 MEMS
안전장전장치
탄도수정신관
STS wet etching 공정
MEMS
Safety and Arming Device(SAD)
Course correction fuze
STS wet etching process
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