KR100469136B1 - 연료기화 폭발탄의 기폭방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2차 기폭장치를 사용하지 않는 FAE탄의 기폭방법에 관한 것임.

본 발명은 탄체에 충전되어 있는 점화촉매제 성분이 균일하게 포함되어 있는 연료가 분산-점화장약의 폭발력에 의해 분산된 다음, 먼저 연료-공기 구름 속에 균일하게 분포되어 있는 점화촉매제 성분이 분산-점화장약의 폭발에너지에 의하여 점화된 후 공기 중 산소와 반응하여 무한대의 점화원 역할을 하는 고온의 반응생성물과 연소에너지를 형성하며, 분산-점화장약의 폭발에너지에 의해 활성화된 연료와 공기 중 산소의 연소반응을 폭발적으로 유도하여 폭발이 일어나게 하는 기폭방법으로 전점화방식(Volumetric Initiation)이라고 불린다.

본 발명은 FAE탄을 매우 간단한 방법으로 기폭시킬 수 있으며 작동 신뢰도도 높다.

아울러 본 발명은 구조가 간단하며 제작이 용이하고 제조비용이 낮은 FAE탄을 제공한다.

Description

연료기화 폭발탄의 기폭방법{Detonating Process for Fuel Air Explosive Munition}

본 발명은 연료기화 폭발탄(FAE Munition)의 새로운 기폭방법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로는 FAE탄을 전점화방식(Volumetric Initiation)에 의거 2차 기폭장치를 사용함이 없이 기폭 될 수 있게 함으로서 FAE탄의 작동신뢰도를 높인 FAE탄의 기폭방법에 관한 것이다.

또한 본 발명은 FAE탄의 구조를 간단하게 해주는 기폭방법에 관한 것이다.

종래의 FAE탄은 연료를 공기 중에 분산시킨 뒤 연료가 최적의 구름 농도를 형성할 때 점화장치 또는 기폭장치를 이용하여 분산된 연료를 폭굉시켜서 거대한 과압과 온도를 생성시키고, 이렇게 생긴 충격파의 압력에 의한 폭풍 효과와 열에 의한 소이 효과를 이용하여 원하는 표적을 파괴한다.

상기 FAE탄은 보통 캐니스터, 연료, 폭발계열, 2차 기폭장치로 구성되어 있다.

FAE탄의 핵심기술은 연료-공기 구름의 형성과 2차 기폭장치에 있다.

이러한 이유 때문에 과거의 FAE탄은 구조가 매우 복잡해서 설계, 제조 및 조립이 어렵다.

그리고 밀도가 낮은 프로판과 같은 기체연료나 산화에틸렌, 산화프로필렌과 같은 액체연료를 사용함으로 인하여 탄두의 충전밀도가 고폭탄의 1/2 정도밖에 되지 않으며, 부피가 커서 항공기 투하탄 중심으로 사용되었다.

이러한 연료들은 휘발성이 매우 크고, 독성이 높아서 취급시 인체에 나쁜 영향을 미치며 증기압이 커서 저장성 문제가 발생한다.

또한 2차 기폭장치라는 특수장치를 이용하여 2단계 과정으로 연료-공기 구름을 기폭시켜야 하므로 폭발계열이 너무 복잡하고, FAE탄 체계의 작동 신뢰도가 떨어지게 된다.

2차 기폭장치란 분산폭약에 의해 분산된 연료가 최적의 연료-공기 구름 상태를 형성하는 정확한 위치와 시간에 연료-공기 구름을 점화시켜주는 장치를 말하며, 이 장치는 일정한 지연시간 후에 폭발해서 그 폭발에너지가 분산된 연료-공기 구름을 기폭시키는 기능을 한다.

또 상기 2차 기폭장치는 분산폭약의 점화시점부터 연료-공기 구름이 최적의 기폭 가능 상태로 분산될 때까지의 시간(지연시간)과 기폭이 가장 쉽게 일어날 수 있는 위치(기폭위치)에서 작동해야 한다.

최적 기폭 가능 상태라고 함은 연료가 공기 중에 분산되어 연료-공기 구름 속에서 연료의 농도(부피%)가 폭굉 한계 범위 내에 있을 때를 말한다.

연료의 농도가 이 범위에서 벗어났을 때 기폭장치가 작동하면 FAE탄은 기폭되지 못한다.

또 분산된 연료-공기 구름이 전체적으로는 폭굉 한계 내에 있어도 2차 기폭장치가 작동하는 지점에서 이 한계를 벗어난다면 FAE탄은 기폭되지 않는다.

지연시간은 10 ∼ 100msec 정도이고, 연료가 폭굉 한계 내에 있을 수 있는 시간은 겨우 수십 msec 정도이다.

따라서 이 시간 범위와 정확한 위치에서 작동할 수 있도록 기폭장치를 설계한다는 것은 매우 어렵다.

기존의 FAE탄의 2차 기폭장치는 내부에 충전된 점화원을 점화시켜 발생시킨충격파를 이용하여 연료-공기 구름을 기폭시킨다.

연료의 분산과정에서 모든 조건이 이루어졌을 때 작동한다고 하더라도 화염이 구름 전체에 걸쳐 전파되어야 하지만 그렇게 되지 못하는 경우가 많다.

또한, 실용적으로 무기화하기 위해서는 가능한 작은 부피로 탄체에 안정하게 부착될 수 있어야 하고 분산폭약으로부터 나오는 매우 강한 기계적인 충격을 견뎌내야 하며, 바람이나 지형 등과 같은 주변 환경의 영향을 받지 않고 기능을 발휘해야 한다.

이와 같은 2차 기폭장치가 갖고 있는 문제점을 해결하기 위해 미국특허 제 3,992,995 호, 미국특허 제 3,994,226 호, 미국특허 제 3,999,482 호, 미국특허 제4,297,949 호에서는 2차 기폭장치를 개량하여 사용하고 있다.

그러나 이 발명들은 모두 2차 기폭장치를 FAE탄에 채용한 것이므로 탄의 작동 신뢰도가 떨어짐을 근본적으로 방지 할 수 없다.

미국특허 제 3,570,401 호와 미국특허 제 3,730,093 호는 내폭발(Implosion) 기술을 이용한 FAE탄에 관한 것이다.

상기 FAE탄들은 2차 기폭장치를 사용할 필요는 없지만, 연료가 분산됨과 동시에 점화제와 반응하여 폭굉으로 전이하거나, 분산폭약에 의한 점화제의 폭발에너지가 연료를 기폭시켜 주어야 한다.

하지만, 연료가 충분히 분산되기 전에 점화제가 연료를 기폭시킬 수도 있고, 연료-점화제의 반응이 폭발로 전이하는 과정이 실험실 규모의 시험에서는 쉽게 일어난다고 하더라도 실제 야전에서는 일어나지 않을 수 도 있어서 단순 연소로 끝나는 문제점이 있다.

또한 이 기술을 이용할 경우 기존의 FAE탄 보다 더욱 구조가 복잡해지고, 점화제로 사용되는 물질들이 주로 금속, 금속 산화물이나 이들의 혼합물이기 때문에 작업시 취급이 어렵거나 유해한 경우가 많다.

연료-공기 구름 폭발 과정에서 2단계 과정을 없애기 위한 접근방법 중 단일과정으로 일어나는 연료-공기 구름의 기폭 메커니즘이 개발된 바 있다.

즉 미국특허 제 4,463,680 호에서는 FAE탄으로부터 2차 기폭장치를 제거하기 위하여 연료와 기폭성 화학촉매를 사용하고 있다.

상기 방법은 탄의 작동 신뢰도는 증가하지만 FAE탄의 구조가 매우 복잡해지고, 이 물질들을 취급하는데 있어서 위험요소가 많이 발생하게 된다.

또한, 중심에 위치한 폭약에 의해 기폭성 화학촉매가 분산되는 과정에서 강한 충격파로 인해 촉매가 파괴되거나 조기에 점화되어 연소가 일어나서 연료를 기폭 시키지 못할 수도 있으며, 또 기폭되었다 하더라도 화염이 전파되지 않는 경우도 발생한다.

결과적으로 이 방법은 아주 작은 FAE탄이나 정치시험용 장치로서 폭발현상을 연구하거나 기폭과정을 규명하는데 이용 할 수 는 있지만 4중관 구조로 되어있기 때문에 구조가 복잡해서 실용화 하는데는 어려움이 많다.

또 미국특허 제 5,168,123(캐나다특허 제 2,021,396 호) 호는 화학적 기폭 메커니즘에 의한 기폭방법에 관한 것인바, 이 방법의 메커니즘은 기본적으로 분산폭약에 의해 연료를 분산시킨 다음 수 msec 후에 화학적 기폭제를 연료-공기 구름 속으로 소용돌이치게 분산시켜 충격파의 증폭과 구름의 폭굉을 일으킬 수 있는 화학반응을 이용한 것이다.

이 발명에서 설명된 FAE탄은 3중관 개념으로 구조가 복잡하고, 연료와 기폭제 사이의 분리관과 많은 격막이 있어서 이것이 파열되면 연료와 기폭제가 반응하여 폭발사고를 일으킬 수 있다.

또 이 메커니즘을 적용하기 위해서는 상대적으로 휘발성이 크고 독성이 높은 연료와 수소, 할로겐, 알킬 알루미늄(수화물, 염화물 포함)처럼 위험하고 취급이 어려운 기폭제를 사용하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 FAE탄의 기폭방법의 문제점을 해결한 것으로서, 기본적으로 2차 기폭장치를 필요로 하지 않으면서 구조가 간단하고 작동 신뢰도가 높으며 또 안전하고 취급성이 좋은 FAE탄의 기폭방법을 제공하는데 기술적 과제를 두고 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예를 표시하고 있는 개략도.

이하 본 발명은 도 1에 의하여 상세히 설명하면 아래와 같다.

본 발명은 전점화방식 즉, 무한대수의 점화원을 사용하는 방식의 기폭 메커니즘을 이용한 것이다.

도 1에서 탄체(1)는 두께가 5mm 이하인 금속, 좋기로는 알루미늄 재질로 된 것이고, 탄체(1)의 한쪽 단부는 마개(2)로 밀봉되어 있다.

탄체(1)의 중앙부에는 두께가 1.0 ∼ 3.0mm인 탄소강이나 스텐레즈 스틸로 되어 있는 폭관(3)이 내장되어 있으며, 폭관(3)의 내부에는 분산-점화장약(4)이 충전되어 있다. 분산-점화장약(4)은 RDX(hexahydro-1,3,5-trinitro-1,3,5-triazine), HMX(cyclo-1,3,5,7-tetramethylene-2,4,6,8-tetranitramine), 알루미늄 처리 RDX(Aluminized RDX)나 Aluminized PBX(Plastic Bonded Explosives)와 같은 알루미늄 처리 폭약(Aluminized Explosives), 콤포지션 폭약과 같은 고폭약으로 이루어져 있으며 펠렛이나 주조식으로 충전되어 있다.분산-점화장약(4)은 탄체(1)를 파열시켜 충전된 연료(5)를 공기 중에 분산하고 점화시키는 역할을 하며, 충전량은 중량 기준으로 연료(5) 양의 1/7∼1/20 정도이고 충전밀도는 1.4∼1.8g/㎤이다.

탄체(1)와 폭관(3) 사이에는 연료(5)가 충전되어 있다. 연료(5)는 고체나 액체로 되어 있는 주성분과 액상 점화촉매제 성분을 혼합하여 제조한다. 고체는 알루미늄, 마그네슘, 지르코늄, 티타늄, 철과 같은 금속이나 붕소, 규소, 탄소와 같은 비금속 분말, RDX, HMX, 알루미늄 처리 폭약, 과염소산칼륨(potassium perchlorate), 과염소산암모늄(ammonium perchlorate), 질산암모늄(ammonium nitrate)과 같은 고체화약 분말 등에서 선택한다. 액체는 저분자량의 알칸, 제트연료, 노말헵탄 등과 같은 석유화학계 탄화수소에서 선택한다. 점화촉매제는 브로마인 트리플루오라이드(bromine trifluoride), 클로린 트리플루오라이드(chlorine trifluoride)와 같은 할로겐 화합물(Interhalogen compound), 알킬 나이트리트(alkyl nitrite)나 알킬 나이트레이트(alkyl nitrate)등에서 선택한 액상물질로서, 상기 점화촉매제는 분산-점화장약(4)의 폭발에너지에 의하여 점화되어 연료-공기 구름을 기폭시키는 역할을 한다. 또한 필요할 경우 안정화제(Stabilizer)나 바인더(Binder)와 같은 물질들을 첨가할 수도 있다. 본 발명에서 분말상 고체연료 또는 액체연료와 액상의 점화촉매제의 혼합 방법은 양성분을 교반하면서 혼합시키는 통상의 방법을 적용할 수 있다. 상기한 바와 같이 혼합시킨 연료(5)는 슬러리상태 또는 액체상태이며, 외부에서 혼합시킨 다음에 탄체(1)에 충전시킨다.

연료(5)의 충전량은 840㎖, 충전밀도는 0.9 ∼ 2.5g/㎤로 하였으며, 좋기로는 1.1 ∼ 1.8g/㎤이다.

미설명 부호중 6은 뇌관으로서 전기식 또는 기계식으로 된 것이다.

7은 탄체(1)의 타측단부를 밀봉하고 있는 강철블럭이다.

본 발명에 의한 전점화 방식의 기폭 메커니즘은 다음과 같다. 전기뇌관(6)이 분산-점화장약(4)을 기폭시키면 그 폭발력에 의해 탄체가 파열되면서 슬러리상태 또는 액체상태로 되어 있는 연료(5)가 공기 중에 연무(aerosol) 형태로 분산된다. 먼저 연료(5) 중 점화촉매제 성분이 분산-점화장약(4)의 폭발로 인하여 발생한 폭발가스와 에너지에 의해 먼저 점화되고 이것이 공기 중 산소와 반응하여 이산화탄소, 일산화탄소, 질소, 수증기, 고체 탄소와 같은 고온의 연소생성물과 화학적 에너지를 만들며, 이것이 무수히 많은 점화원 역활을 하게 된다. 점화원에 의해 연료(5)의 주성분과 산소의 반응이 폭발적으로 일어나고 최종적으로는 연료-공기 혼합물 구름 전체에 걸쳐 폭발이 일어나게 된다. 분산-점화장약(4) 이 점화되어 폭발이 일어나기까지 소요되는 시간은 불과 수십 msec 이하이며, 연료-공기 혼합물 구름의 폭발이 시작된 이후 수백 msec 이상 동안 폭발이 계속 유지된다.

즉, 본 발명의 기폭방법은 기존의 FAE탄과는 다르게 분산된 연료-공기 구름 속에 무수히 많은 점화원을 분산시켜 폭굉을 일키는 메카니즘이므로 종래 FAE탄의 2차 기폭장치를 사용하는 것보다 훨씬 단순하다.

본 발명은 분산-점화장약을 기폭시켜서 주성분과 점화촉매제 성분을 일시에 공기 중으로 분산시키고, 연료 주성분-공기 구름 속에 고르게 분산되어 있는 점화촉매제와 산소의 반응에 의한 생성물과 연소에너지가 무수히 많은 점화원으로 작용해서 연료 주성분-공기 구름을 폭굉시키도록 되어 있으므로 기폭방법이 매우 간단하고 작동 신뢰도도 높다.또 본 발명은 FAE탄의 구조를 간단하게 할 수 있으므로 제작이 용이하고 제조비용이 낮은 FAE탄을 제공 할 수 있다.

Claims (2)

1. 탄체(1)의 내부에 설치되어 있는 분산-점화장약의 폭발에 의하여 분말상 고체연료 또는 액체연료와 액상의 점화촉매제와의 혼합물이 공기중으로 분산되어 연료-공기 구름을 발생시키며, 상기 연료-공기 구름중에 분산되어 있는 점화촉매제와 공기중의 산소와의 반응에 의하여 발생한 고온의 연소에너지를 가진 무수히 많은 점화원이 상기 연료 주성분-공기 구름을 폭발시키도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료기화 폭발탄(Fuel Air Explosive)의 기폭방법.
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