KR101356553B1 - 기폭 시간이 자동 가변되는 신관 시스템 및 그 동작 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 신관 시스템의 동작제어방법은, 포신에 장입된 탄의 초기 기울기를 측정하고, 측정된 초기 기울기로부터 탄착지까지 도달하는 탄의 도달시간을 산출하는 단계와, 탄으로부터 분산되는 자탄의 분산시간과 상기 도달시간을 근거로 탄의 기폭시간을 설정하는 단계와, 탄이 발사되면, 신관 내의 발사감지센서가 동작하면서 제어회로부에 발사시점 정보를 전송하는 단계와, 발사시점 정보가 수신되면 상기 제어회로부가 비행시간을 카운트하는 단계 및 카운트된 비행시간과 설정된 기폭시간이 일치할 때, 상기 제어회로부가 기폭신호를 생성하여 기폭회로에 전송하는 단계를 포함한다.

Description

기폭 시간이 자동 가변되는 신관 시스템 및 그 동작 제어방법{Automatically variable fire-time setting fuze system and control method thereof}

본 발명의 일실시예들은 기폭 시간이 자동 가변되는 신관 시스템 및 그 동작 제어방법에 관한 것이다.

신관이란 폭발 장치의 장약을 점화시켜 폭발시키도록 폭발물 연쇄의 최초 과정을 일으키는 기능을 가지며, 폭발물이 기폭되면 다음 폭발물에 도폭케 하여 마침내 포탄의 작약에까지 점화되도록 하기 위한 장치를 말한다. 이러한 신관은 탄의 일부를 구성한다.

일반적으로 탄(彈)은 사용목적에 따라 고폭탄, 성형 장약탄, 철갑탄, 이중 목적탄 등 다양하게 분류되며, 각 탄의 특성에 맞는 신관 방식이 요구된다. 신관은 크게 목표물에 충돌할 때 작동하는 충격식과, 목표물을 침투하여 작동하는 지연(delay)식, 그리고 목표물에 접근하여 작동하는 근접식 등으로 분류된다. 충격식과 지연식 신관은 주로 고폭탄에, 성형 장약탄, 철갑탄(침투탄) 등에 사용되며 근접식은 고폭탄, 성형 장약탄 및 이중 목적탄(분산탄)에 사용된다.

근접식 신관(이하 근접신관이라고 함)에도 탄의 종류에 따라 작동시점(접근 거리)이 다양하여 짧게는 수십 센치미터(Cm)에서 멀게는 수 킬로미터(Km)에 이르고 있으며, 근접거리를 측정하는 방법과 원리도 다양하다. 근접신관의 작동방식은 크게 탄을 발사한 시점으로부터 사표(탄 종에 따라 다름)를 기준으로 일정시간 후 작동하는 시한 작동형 신관(시한신관)과 거리(고도)측정센서를 갖추고 표적 상공에서 탄과 표적과의 고도를 측정하여 미리 설정된 폭발고도에서 작동하는 센서 내장형 근접신관 방식이 있다.

일반적으로 포(砲)를 운용하는 운용자는 현재 포의 위치에서 표적과의 거리에 따라 포의 발사각을 조정하거나 장비에 의해 자동적으로 발사각을 조절한 후 포를 발사하게 된다. 즉, 표적과의 거리에 따라 포의 발사각이 정해지게 되며, 이것을 도식화 한 것이 포의 사표이다.

종래의 센서 내장형 근접신관은 미리 설정된 폭발고도에서 작동하는 방식으로써 분산탄과 같이 표적상공에서 자탄을 분산하는 경우, 분산된 자탄의 비행거리가 사거리(포의 발사각)에 따라 달라짐으로 인해 표적을 정확하게 타격할 수 없는 단점을 가지고 있다. 또한 자탄의 분산반경이 사거리에 따라 변화가 심해 탄두 효과를 높이는데 한계가 있었다.

본 발명의 목적은, 이러한 종래기술의 단점을 해결하기 위하여 시한장입장치가 필요 없이 신관이 자동적으로 포의 발사각을 감지할 수 있는 신관 시스템을 제공하기 위한 것이다.

또한, 분산탄의 경우 표적 상공에서 자탄이 방출된 후 자탄의 비행거리가 포의 발사각(사거리)에 상관없이 항상 일정하도록 기폭(fire) 고도를 자동으로 가변 설정할 수 있는 신관 시스템을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 신관 시스템의 동작제어방법은, 포신에 장입된 탄의 초기 기울기를 측정하고, 측정된 초기 기울기로부터 탄착지까지 도달하는 탄의 도달시간을 산출하는 단계와, 탄으로부터 분산되는 자탄의 분산시간과 상기 도달시간을 근거로 탄의 기폭시간을 설정하는 단계와, 탄이 발사되면, 신관 내의 발사감지센서가 동작하면서 제어회로부에 발사시점 정보를 전송하는 단계와, 발사시점 정보가 수신되면 상기 제어회로부가 비행시간을 카운트하는 단계 및 카운트된 비행시간과 설정된 기폭시간이 일치할 때, 상기 제어회로부가 기폭신호를 생성하여 기폭회로에 전송하는 단계를 포함한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 도달시간을 산출하는 단계는, 탄의 초기 기울기, 비행시간 및 고도가 포함된 사표 데이터를 형성하는 단계 및 상기 사표 데이터로부터 탄의 사거리를 산출하고, 탄의 사거리와 탄의 속도를 근거로 탄착지까지의 도달시간을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 기폭시간을 설정하는 단계는, 탄의 속도와 고각, 자탄의 장전시간 및 자탄이 탄착지까지 도달하는 분산반경을 근거로 자탄이 탄착지까지 일정거리를 비행하도록 분산시간을 결정하는 단계 및 상기 도달시간으로부터 상기 분산시간을 뺀 값을 기폭시간으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명의 다른 실시예는, 신관의 기폭 여부를 결정하도록 형성되는 제어회로부와, 탄이 발사되면 상기 제어회로부에 전원을 공급하도록 형성되는 전원 공급부 및 탄의 기울기를 측정하도록 형성되는 기울기 감지 센서를 포함하고, 상기 제어회로부는, 측정된 탄의 초기 기울기를 근거로 결정된 기폭시간과 탄이 발사된 이후부터 카운트된 탄의 비행시간이 일치하면 기폭신호를 발생하도록 형성되는 신관 시스템을 개시한다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어회로부는, 기 저장된 사표 데이터와 상기 초기 기울기를 근거로 탄의 사거리를 산출하고, 탄의 사거리와 탄의 속도를 근거로 탄착지까지의 도달시간을 산출하고, 탄의 속도와 고각, 자탄의 장전시간 및 자탄이 탄착지까지 도달하는 분산반경을 근거로 자탄이 탄착지까지 일정거리를 비행하도록 분산시간을 결정한 뒤, 상기 도달시간에서 상기 분산시간을 뺀 값을 기폭시간으로 설정할 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 기울기 감지 센서는, 적어도 서로 교차하는 2개의 축에 대한 상기 탄의 기울기를 감지하도록 형성될 수 있다.

본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 제어회로부로부터 기폭신호를 수신한 뒤, 탄을 기폭시켜 자탄을 분산시키도록 형성되는 기폭회로를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 신관 시스템 및 그 동작 제어방법에 따르면 운용시 기존의 신관의 기폭시간 장입을 위한 시한장입장치가 불필요하며, 고각에 따라 폭발고도를 신관 스스로 자동 계산하여 설정함으로써 표적 명중률을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 포를 운용하는데 소요되는 운용 시간과 인력을 줄일 수 있다.

따라서 포병의 운용 효율을 극대화 할 수 있는 장점이 있으며, 이 밖에도 운용인력이 탄에 인접하여 시한장입을 하지 않아도 됨으로 시한장입시 발생할지도 모르는 탄의 오작동으로부터 운용인력의 안전을 확보할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

또한, 소프트웨어에 의해 발사기울기(고각)에 따른 기폭고도를 탄력적으로 변경할 수 있음으로 인해 탄의 운용 효과를 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치의 운용개념도이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치에서 기폭지점에 따른 표적 명중 오차를 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치에서 발사고각에 따라 사거리, 탄도특성 및 기폭고도(H.O.B)가 달라지는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예로서 사거리별 탄의 비행시간을 사표로부터 도출하고, 이 자료를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 사거리별 비행시간을 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예로서 포의 발사각과 사거리 관계를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 포의 발사각에 따른 사거리를 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예로서 포의 발사각과 기폭시간과의 관계를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 포의 발사각에 따른 기폭시간을 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예로서 포의 발사각과 폭발고도와의 관계를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 포의 발사각에 따른 폭발고도를 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입방법을 나타낸 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입방법에서 탄 종에 따른 사표를 기준으로 발사각(기울기)에 따른 기폭시점을 신관의 신호처리 알고리즘에 구현할 수 있는 수학식을 도출하는 과정을 나타낸 순서도이다.

이하, 본 발명에 관련된 신관 시스템 및 그 동작 제어방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치는 신관시스템(200)과 포 시스템(100)의 초기 신관전원 공급장치(110)를 포함한다. 상기 초기 신관전원 공급장치(110)는 탄이 장입되는 과정이나 장입직후 또는 발사과정에서 신관시스템(200)에 내장된 전자회로의 작동에 필요한 초기전원을 공급하기 위한 것이다. 또한, 도 1에 나타난 바와 같이, 신관시스템(200)은 포 시스템(100)의 초기 신관전원 공급장치(110)로부터 전원을 공급받아 저장하기 위한 초기 신관전원 충전회로(210)와; 신관회로의 작동에 필요한 전압으로 변환하기 위한 전원변환회로(220); 또한, 탄이 발사된 후 신관회로에 공급할 전원인 신관용 배터리 또는 전원발생장치(230); 상기 신관전원을 공급받고, 탄의 발사시점을 감지하기 위한 발사감지센서(250); 또한 장입된 탄의 발사 고각을 측정하기 위한 기울기감지센서(260)와; 제어회로부의 기준 클럭신호를 제공하기 위한 발진회로(270)와; 표적 상공에서 탄두를 기폭시키기 위한 기폭회로(280)와; 탄의 안전과 장전작동을 수행하기 위한 안전장전장치(290)와; 상기 탄이 발사되기 직전 또는 직후에 탄 발사고각(기울기)을 감지하고와 탄이 발사되었을 때 발생되는 탄 발사신호를 수신하여 판별하는 입력센서신호 판별회로(241), 상기 센서신호들을 입력받아 탄의 발사각과 발사 후 폭발 시한값을 계산하고 장입하는 탄 기울기 판별 및 시한값 장입회로(242), 탄 발사신호부터 발사시점을 판별하는 탄 발사판별회로(243), 탄이 발사된 후 탄의 비행시간을 계산하는 탄비행시간 계산회로(244), 탄의 발사각 자료로부터 최종 기폭시간을 판별하고 기폭명령신호를 발생하는 기폭시간 판별 및 기폭명령발생회로(245)로 구성된 제어회로부(240)와; 신관의 정상작동 여부를 점검을 통해 수행할 수 있도록 하는 신관 점검회로(201)를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치의 운용개념도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치의 운용개념은 목표물 상공에서 사거리(발사 고각)에 따라 기폭지점(시간)을 자동적으로 가변 설정하는 것이 특징이다. 따라서 사거리에 따라 폭발고도(H.O.B: height of burst)가 달리 설정되며, 폭발고도의 설정은 모탄(母彈)으로부터 분산된 자탄의 분산반경과 장전거리(arming distance)를 감안하여 폭발고도를 설정한다. 일반적으로 포에서 발사된 탄은 근거리 표적일 경우 발사 고각이 낮고 탄속이 빠른 반면, 원거리로 갈수록 발사고각이 높고 종말 탄속이 느려진다. 따라서, 근거리 표적에서는 폭발고도를 낮추고, 원거리 표적에서는 폭발고도를 높여 탄두효과를 극대화하는 자탄의 분산반경을 갖도록 한다.

도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치에서 기폭지점에 따른 표적 명중 오차를 설명하기 위한 개념도이다. 탄은 발사고각에 따라 사거리가 달라지며, 표적지 상공에서 표적으로 접근하는 접근 각과 접근 속도도 달라진다.

도 3a를 참조하면, 기존 방법으로써 발사고각에 관계없이 항상 일정한 고도에서 자탄을 분산하는 경우, 표적 명중 확률이 떨어지는 것을 설명하기 위한 것이다. 예를 들면, 근거리 표적일 경우에는 자탄의 비행거리가 멀어지는 반면, 원거리 표적일 경우 자탄의 비행거리가 짧아져 자탄의 분산반경이 넓어지거나 좁아지는 현상이 발생함은 물론 모탄과 자탄의 탄도 특성이 다름으로 인해 발생하는 비행오차를 감안하면 표적 명중률이 현저하게 떨어진다.

도 3b를 참조하면, 사거리에 관계없이 분산된 자탄의 비행거리가 항상 일정하도록 발사고각에 따라 폭발고도를 달리 설정하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 즉, 목표물에 접근한 탄의 종말속도를 고려하여 분산된 자탄의 비행거리가 발사고각에 관계없이 항상 일정하게 하는 폭발고도에서 자탄을 분산하는 방법이다. 이 방법은 본 특허에서 제안한 방법으로써 탄종에 해당하는 사표로부터 발사고각 별로 기폭시간(또는 폭발고도)을 도출하고, 이를 수식화 하여 신관의 기폭알고리즘에 적용하는 방법이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치에서 발사고각에 따라 사거리, 탄도특성 및 기폭고도(H.O.B)가 달라지는 개념도이다.

도 4를 참조하면, 목표물에 접근한 탄의 종말속도를 고려하여 분산된 자탄의 비행거리가 발사고각에 관계없이 항상 일정하도록 사거리별 폭발고도를 가변하는 개념도이다. 즉, 근거리 표적에서는 폭발고도를 낮추고, 원거리 표적에서는 폭발고도를 높여서 분산된 자탄의 비행거리가 항상 일정하도록 하는 방법이다. 참고로, 포에서 발사된 탄도의 특성은 탄이 포신을 이탈하는 순간에 탄속이 가장 빠르고, 이후 공기저항을 받아 점점 감소하는 특성을 갖는다. 따라서 단거리 표적에서는 탄속이 빠르고 접근각이 완만한 반면, 원거리 표적에서는 탄속이 느리고 접근각이 크게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예로서 사거리별 탄의 비행시간을 사표로부터 도출하고, 이 자료를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 사거리별 비행시간을 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.

도 5를 참조하면, 사거리별 탄의 비행시간은 비선형특성을 가지고 있음을 알 수 있으며, 이 비선형특성을 수학식으로 나타낼 때 가능한 변환오차를 최소화하는 것이 중요하다. 최근에는 비선형 curve fitting 방법과 도구(응용 프로그램)도 많이 발전하여 상용 프로그램으로도 다양한 비선형특성을 수식화 할 수 있다. 도5와 같은 비선형 특성을 갖는 경우에는 5차 다항식을 이용하여 표현할 때 최초 사표자료와 거의 일치함을 알 수 있다. 그러나 이 결과는 모든 경우에 5차 다항식을 이용한다는 뜻은 아니며 탄의 종류에 따라 탄도특성이 달라지므로 이 탄도의 비선형특성에 따라 다양한 수학식으로 나타낼 수 있음을 뜻한다. 일예를 들어 사거리별 비행시간을 수학식으로 나타내면 도5의 그래프에서 나타낸 것과 같이 5차 다항식([수학식2])으로 표현할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예로서 포의 발사각과 사거리 관계를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 포의 발사각에 따른 사거리를 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.

도 6을 참조하면, 포의 발사각과 사거리 관계도 비선형특성을 가지고 있음을 알 수 있으며, 이 비선형 특성은 지수함수적인 특성으로 인하여 지수함수([수학식3])로 표현할 때 최초 사표자료와 거의 일치함을 알 수 있다. 그러나 포의 발사각과 사거리 관계의 모든 경우에 지수함수식을 적용한다는 뜻은 아니며 탄의 종류에 따라 탄도특성이 달라지므로 이 탄도의 비선형특성에 따라 다양한 수학식으로 나타낼 수 있음을 뜻한다.

도 7은 본 발명의 실시예로서 포의 발사각과 기폭시간과의 관계를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 포의 발사각에 따른 기폭시간을 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.

도 7을 참조하면, 포의 발사각과 기폭시간 관계도 비선형특성을 가지고 있음을 알 수 있으며, 이 비선형 특성도 도6과 같이 지수함수([수학식3])로 표현할 때 최초 사표자료와 거의 일치함을 알 수 있다. 그러나 포의 발사각과 기폭시간 관계의 모든 경우에 지수함수식을 적용한다는 뜻은 아니며 탄의 종류에 따라 탄도특성이 달라지므로 이 탄도의 비선형 특성에 따라 다양한 수학식으로 나타낼 수 있음을 뜻한다.

도 8은 본 발명의 실시예로서 포의 발사각과 폭발고도와의 관계를 신관 신호처리 알고리즘으로 구현 가능한 수학적 모델로 나타내기 위하여 상용 curve fitting 프로그램을 이용하여 포의 발사각에 따른 폭발고도를 curve fitting 하고, 수학식으로 나타낸 그래프이다.

도 8을 참조하면, 포의 발사각과 폭발고도 관계도 비선형특성을 가지고 있음을 알 수 있으며, 이 비선형 특성은 기호 논리학(logistic)적 수학식([수학식4])으로 표현할 때 최초 사표자료와 거의 일치함을 알 수 있다. 그러나 이 또한 포의 발사각과 폭발고도 관계의 모든 경우에 기호 논리학(logistic)적 수학식을 적용한다는 뜻은 아니며 탄의 종류에 따라 탄도특성이 달라지므로 이 탄도의 비선형 특성에 따라 다양한 수학식으로 나타낼 수 있음을 뜻한다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입방법을 도 1과 도 9 및 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1과 도 9를 참조하면, 본 발명에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입방법은 탄이 포 시스템(100)에 장입되는 과정에서 초기 신관전원 공급장치(110)에 의해 초기 신관전원을 공급(S11)받는 단계; 이때 신관시스템(200)은 초기 신관전원을 포 시스템(100)으로부터 공급받아 저장하기 위한 초기 신관전원 충전회로(210)와 공급받은 전압을 신관회로 작동에 필요한 전압으로 변환하기 위한 전원변환회로(220)가 작동하여 제어회로부(240)와 각 신관회로에 전원을 공급한다. 각 신관회로에 전원이 공급되면, 기울기감지센서(260)가 탄의 발사 기울기(고각)를 검출(S12)하는 단계; 검출된 탄의 발사 기울기 data는 입력센서신호판별회로(241)를 거쳐 탄 기울기 판별 및 시한값 장입회로(242)로 입력되고 여기서, 탄의 발사 기울기 정보의 판단과 기울기에 따른 기폭시점을 계산하고 저장(S13)하는 단계; 탄이 발사되면 발사감지센서(250)가 탄의 발사시점을 감지하여 탄 발사신호 판별회로(243)로 보내져 탄의 발사신호를 판단(S14)하는 단계; 탄이 발사되면 탄 비행시간 계산회로(244)에서 발사 기울기에 의해 계산된 기폭시간을 카운터(S15)하는 단계; 탄이 비행하는 동안 연속하여 기폭시점을 카운터 하다가 계산된 기폭시간에 도달하면 기폭시간판별/기폭명령발생회로(245)에서 기폭신호(S16)를 발생하는 단계; 이 기폭신호는 기폭회로(280)로 입력되고 기폭에너지를 안전장전장치(290)에 내장된 기폭관에 전달하여 탄을 기폭(S17)시키는 단계; 로 이루어진다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입방법에서 탄 종에 따른 사표를 기준으로 발사각(기울기)에 따른 기폭시점을 신관의 신호처리 알고리즘에 구현할 수 있는 수학식을 도출하는 과정을 나타낸 순서도이다.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입방법에서 주어진 탄의 사표로부터 발사각에 따른 기폭시점을 계산하기 위한 수학식을 도출하는 과정은 다음과 같다. 제어회로부(240)의 탄 기울기 판별 및 시한값 장입회로(242)에 내장될 수학식을 구하는 방법으로써 먼저, 포 체계와 탄종에 따른 사표로부터 사거리별 발사각(기울기)과 사거리별 비행시간 자료를 구축(S21)하는 단계(구축 자료는 사거리 기준 약 1 Km 간격이 될 수 있다); 구축된 사표자료로부터 자탄이 분산될 기폭시간을 발사각과 사거리별로 도출(S22)하는 단계; 이때 자탄의 분산시점은 자탄의 비행거리와 분산반경을 고려하여 결정한다. 발사각(또는 사거리)에 따른 기폭시간 자료로부터 상용 curve fitting 프로그램(예, Origin, Matlab, Excel 등)을 이용하여 발사각에 따른 기폭시간을 curve fitting 하여 연속적인 data 값을 확보함과 동시에 발사각과 기폭시간의 상관관계를 나타낼 수 있는 수학식을 도출(S23)하는 단계; 최종적으로 도출된 수학식을 탄 기울기 판별 및 시한값 장입회로(242)의 신호처리 알고리즘에 접목(S24)하는 단계; 로 이루어진다.

여기서, 발사각에 따른 기폭시간(수학식)을 신관에 접목할 때, 다수의 포체계 또는 탄에 적용되는 신관일 경우에는 다수의 수학식을 적용할 수 있음을 뜻하며, 이 경우에는 외부로부터 포 체계나 탄종을 선택할 수 있도록 하는 장치를 두는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 관련된 신관의 기폭시간 자동 가변 장입장치는, 탄 운용시 장입 또는 포구 내에서 탄의 발사각을 감지하기 위한 기울기 감지센서와; 탄 발사시 발사시점을 알기 위한 발사감지센서와; 상기 탄이 발사되기 직전 탄 발사각 감지신호와 탄이 발사되었을 때 발생되는 탄 발사신호를 수신하고, 판별하는 입력센서신호 판별회로, 상기 센서신호들을 입력받아 탄의 발사각과 발사 후 폭발 시한값을 계산하고 장입하는 탄 기울기 판별 및 시한값 장입회로, 탄 발사신호부터 발사시점을 판별하는 탄 발사감지회로, 탄이 발사된 후 탄의 비행시간을 계산하는 탄 비행시간 계산회로, 탄의 발사각 자료로부터 최종 기폭시간을 판별하고 기폭명령신호를 발생하는 기폭시간 판별 및 기폭명령발생회로로 구성된 제어회로부와; 이 제어회로부의 작동에 필요한 클럭(clock)을 발생하는 발진회로와; 탄이 발사되기 직전 초기 신관작동에 필요한 초기 신관전원 충전회로와; 탄이 발사되었을 때 신관 작동에 필요한 전원을 공급하기 위한 신관용 배터리 또는 전원발생장치와; 이 신관용 배터리와 초기 신관전원 충전회로로부터 입력되는 전원을 신관회로에서 필요로 하는 전압으로 변환하는 전원변환회로와; 기폭회로부로부터 기폭명령신호를 수신받아 기폭출력을 발생기키는 기폭회로와; 탄의 안전과 장전 기능을 담당하는 안전장전장치와; 신관의 정상작동 여부를 점검을 통해 수행할 수 있도록 하는 신관 점검회로 들 중 적어도 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 또한 탄이 포구내에 장입는 과정이나 장입되었을 때 초기 신관전원을 공급하기 위한 초기 신관전원 공급장치가 포 시스템에 위치하는 것을 포함할 수 있다.

여기에서, 기울기 감지센서는 탄이 통상적으로 원통 형태이므로 탄이 장입되는 방향이 회전(roll)방향으로 일정치 않으므로 인해 탄의 발사 기울기를 정확하게 도출하기 위해서는 2축 또는 3축의 기울기 감지센서를 적용할 수 있다.

여기에서, 발사 감지센서는 탄의 발사시점을 알기 위한 것으로서 충격센서, 가속도센서, 가속도스위치, 배터리의 활성화 시점 등 다양한 방법이 적용될 수 있다.

여기에서, 발진회로는 발사시점에서부터 탄이 기폭 될 때까지의 시간을 정확하게 카운터(counter)하기 위한 회로로서 크리스탈, 크리스탈 오실레이터, RC발진기, LC발진기 등 다양한 방법으로 발진회로를 구현하는 것을 포함한다.

여기에서, 기폭회로는 목표물 상공에서 탄을 기폭시키기 위한 기폭에너지를 기폭관에 공급하기 위한 회로로서 트랜지스터(Tr), FET, MOSFET, SCR, MCT 등 여러 종류의 스위치와 에너지 저장용 커패시터 및 저항기 등을 포함할 수 있다.

여기에서, 안전장전장치는 기폭관을 포함한 기계식 또는 전자식 안전장전장치를 모두 포함할 수 있다.

여기에서, 신관점검회로는 신관에 전원을 공급했을 때 신관의 정상작동 유무를 확인할 수 있는 신호를 제공받기 위한 회로로서 발사 감지센서, 기울기 감지센서의 정상작동 유무와 제어회로부의 초기상태와 작동상태, 기폭명령신호 출력상태, 시한값의 정밀도, 신관전원의 이상 유무 등을 포함할 수 있다.

여기에서, 초기 신관전원 충전회로는 탄이 포신 내에 장입되는 과정, 장입된 직후 또는 발사 직후에 탄 기울기 감지센서 및 발사 감지센서 작동에 필요한 에너지를 공급하고, 각 센서로부터 획득된 탄의 기울기 및 발사정보를 저장하기 위한 메모리회로의 작동에 필요한 전원을 공급하는 회로이다.

여기에서, 신관용 배터리 또는 전원발생장치는 신관에 사용될 수 있는 보존형 배터리, 열전지, 리튬전지, 터빈 발전기, 압전 발전기, 후진 관성력 발전기, 또는 발사전 또는 발사 직후 외부로부터 전원을 받는 충전식 전원장치 등 신관에 적용할 수 있는 다양한 전원장치가 포함 될 수 있다.

여기에서, 전원변환회로는 다양한 신관용 전원장치로부터 입력받은 전압을 자동 기폭시간 장입 장치의 작동에 필요한 전압으로 변환하는 회로로서 DC/DC 변환기, 전압 안정화회로(voltage regulator), 필터회로 등이 포함 될 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 신관의 자동 기폭시간 장입 방법은 탄이 발사되기 직전 또는 직후의 발사각(고각, elevation angle)을 기울기감지센서로 감지하여 탄의 발사각에 따른 사거리와 표적상공에서 탄을 폭발시킬 기폭시간을 계산하고, 계산된 기폭시간을 신관 내 메모리에 저장(장입)한다. 또한 이 기폭시간은 탄이 발사될 때 발사시점을 발사감지센서로 감지하고 이를 기준으로 탄의 비행시간을 카운터(counter) 한다. 탄의 비행시간을 카운터 하여 발사 전(또는 발사 직후)에 저장한 기폭시간에 도달하게 되면 기폭출력을 발생시켜 탄을 폭파하게 되는 것이 특징이며, 이 자동 기폭시간 장입방법으로서,

(a) 탄이 장입되는 과정 또는 장입된 직후에 신관의 기울기감지센서와 발사신호감지센서 및 메모리 작동에 필요한 초기 신관전원을 공급받는 단계;

(b) 탄이 장입된 후 탄의 사거리를 신관이 스스로 판단하기 위하여 포신의 발사 기울기를 신관에 내장된 기울기감지센서를 통해 측정하는 단계;

(c) 측정된 포신 기울기 정보의 진위를 판단하고, 이 정보로부터 사거리와 기폭시간 또는 기폭고도를 계산하여 메모리에 저장하는 단계; 여기서, 탄과 포의 종류와 장약의 량에 따른 사표(Firing table)로부터 고각(elevation)에 따른 사거리 자료를 활용하는 것을 포함한다.

(d) 탄이 발사되면 신관에 내장된 탄의 발사신호감지센서로부터 탄이 발사된 시점을 감지하고 이때를 기준으로 시한작동을 시작하는 단계;

(e) 탄이 발사되면 발사시점으로부터 비행 경과시간(flight time)을 카운터하여 메모리에 저장된 기폭시간 도달여부를 판단하는 단계;

(f) 탄의 발사기울기 정보로부터 계산된 기폭시간과 비행경과 시간이 일치하면 기폭신호를 발생시키는 단계;

(g) 기폭신호가 발생되면 기폭에너지를 기폭관으로 전달하여 기폭관을 기폭시키는 단계;

로 이루어진 신관의 자동 기폭시간 장입방법이 특징이다. 여기에서, 포신에 장입된 탄의 기울기와 사표로부터 상기 (c)항에 기술된 사거리와 기폭시간(또는 기폭고도)을 계산하여 도출하는 방법을 상세히 설명하면

(c-1) 포 체계 및 탄종과 장약에 따라 주어진 사표를 선택하고 사표 data를 구축하는 단계;

(c-2) 표적상공에서 자탄을 분산할 때 고각에 따라 자탄의 비행거리가 항상 일정하도록 주어진 사표 data로부터 기폭시점(시간)을 구하는 단계; 이때 탄은 사거리에 따라 종말속도와 낙하 각이 각각 다르므로 탄착지를 기준으로 역으로 기폭시점(자탄 분산시점)을 계산하는 것을 의미한다. 이때 탄의 비행거리는 탄의 비행속도와 경과시간으로부터 다음 수학식으로부터 구할 수 있다.

[수학식]

,

여기서,

탄의 비행거리,

탄의 비행속도,

비행경과 시간이다.

여기에서, 표적지와 기폭시점과의 거리는 자탄의 특성과 운용상의 요구조건에 따라 달라질 수 있음을 뜻하며, 통상적으로 자탄이 분산된 후 장전시간과, 자탄의 분산반경 등을 고려하여 기폭시점(시간)이 결정된다. 일예를 들면, 자탄이 분산된 후 300m를 비행할 경우 자탄의 장전과 분산반경이 요구성능을 만족할 경우 사거리에 관계없이 항상 표적 300m 전에서 자탄을 분산토록 하는 기폭시점을 구하는 것을 의미한다.

(c-3) 주어진 사표로부터 구한 탄의 발사기울기와 기폭시점(시간) 사이의 상호 관계를 수학식으로 구하는 단계; 여기서, 사표로부터 불연속적으로 구한 발사기울기와 기폭시점을 신관이 연속적인 자료로 활용하기 위해서는 발사기울기에 따른 기폭시간을 구하는 수학식을 도출하여야 한다. 이를 달성하기 위하여 상용 curve fitting 소프트웨어를 사용하는 것을 포함한다. 이때 탄의 발사각(고각)과 사거리는 비선형 특성을 가지고 있으며, 비선형 특성에 따라 다양한 함수로 나타낼 수 있음을 의미한다. 다만 함수의 선택에 따라 curve fitting 오차가 달리 발생할 수 있는데, 이 오차를 최소화하는 함수를 선택하여 구하는 것을 의미한다. 주로 탄의 비행특성은 포물선 형태이며, 비행시간이 경과할수록 속도는 감소하고, 낙하 각이 증가하는 특성을 갖는다. 고차방정식으로 표현하는 수학식의 일예를 들면 다음과 같다.

[수학식2]

여기서,

기폭시간 또는 기폭고도,

크기(amplitude) 상수항,

발사각(고각) 또는 비행 경과시간이다.

또한, 상기 curve fitting에서 오차를 줄이기 위해 지수함수(exponential associated function)로 표현하는 수학식을 적용할 수가 있는데 이에 대한 수학식을 예를 들면 다음과 같다.

[수학식3]

여기서,

기폭시간 또는 기폭고도에 해당,

의 초기값,

크기(amplitude) 상수항,

폭(width),

발사각(고각) 또는 비행 경과시간에 해당한다.

다음은 기호 논리학(logistic)적 수학식으로 표현한 예를 들면

[수학식4]

여기서,

기폭시간 또는 기폭고도에 해당,

의 초기값과 최종값이며,

발사각(고각) 또는 비행 경과시간에 해당하며,

의 중간 값이다. 또는

는 power를 의미하며,

을 만족하는 값이다.

본 특허에서는 상기 열거한 수학식에 국한하여 적용한다는 의미는 아니며, 상용 curve fitting 프로그램에서 제공하는 어떠한 수식도 적용할 수 있으며, 다만 포탄의 탄도특성에 따라 오차범위가 가장 낮은 수식을 적용하는 것을 원칙으로 한다.

(c-4) 상기 (c-3)항에서 도출한 수식에 상수항을 적용하고 최종적인 기폭시점(시간)은 발사 직전 탄의 기울기(고각)에 따라 자동적으로 계산하도록 시한장입 프로그램을 작성하여 신관에 접목하는 단계를 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 수학식의 모든 상수항은 curve fitting 과정에서 모두 도출되므로 최종적으로는 탄의 발사기울기 data만 입력되면 자동적으로 탄의 기폭시점이 결정되게 된다.

앞서 살펴본 신관의 자동 기폭시간 장입 방법을 제어회로부의 관점에서 살펴보면, 신관 시스템의 동작 제어방법은 다음의 단계들를 포함할 수 있다.

즉, 신관 시스템의 동작 제어방법은 포신에 장입된 탄의 초기 기울기를 측정하고, 측정된 초기 기울기로부터 탄착지까지 도달하는 탄의 도달시간을 산출하는 단계와, 탄으로부터 분산되는 자탄의 분산시간과 상기 도달시간을 근거로 탄의 기폭시간을 설정하는 단계와, 탄이 발사되면, 신관 내의 발사감지센서가 동작하면서 제어회로부에 발사시점 정보를 전송하는 단계와, 발사시점 정보가 수신되면 상기 제어회로부가 탄의 비행시간을 카운트하는 단계 및 카운트된 비행시간과 설정된 기폭시간이 일치할 때, 상기 제어회로부가 기폭신호를 생성하여 기폭회로에 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

그리고, 도달시간을 산출하는 단계는, 탄의 초기 기울기, 비행시간 및 고도가 포함된 사표 데이터를 형성하는 단계 및 상기 사표 데이터로부터 탄의 사거리를 산출하고, 탄의 사거리와 탄의 속도를 근거로 탄착지까지의 도달시간을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 기폭시간을 설정하는 단계는, 탄의 속도와 고각, 자탄의 장전시간 및 자탄이 탄착지까지 도달하는 분산반경을 근거로 자탄이 탄착지까지 일정거리를 비행하도록 분산시간을 결정하는 단계 및 상기 도달시간으로부터 상기 분산시간을 뺀 값을 기폭시간으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

앞서 살펴본 도달시간은 포신에 탄이 장착된 위치에서부터 탄이 기폭되어 분산된 자탄이 탄착지에 도달하기까지의 시간이다. 이러한 도달시간은 기폭시간과 분산시간을 더한 값이 될 수 있다.

상기와 같이 설명된 신관 시스템 및 그 동작 제어방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

1. 포신에 장입된 탄의 초기 기울기를 측정하고, 측정된 초기 기울기로부터 탄착지까지 도달하는 탄의 도달시간을 산출하는 단계;
   탄으로부터 분산되는 자탄의 분산시간과 상기 도달시간을 근거로 탄의 기폭시간을 설정하는 단계;
   탄이 발사되면, 신관 내의 발사감지센서가 동작하면서 제어회로부에 발사시점 정보를 전송하는 단계;
   발사시점 정보가 수신되면 상기 제어회로부가 비행시간을 카운트하는 단계; 및
   카운트된 비행시간과 설정된 기폭시간이 일치할 때, 상기 제어회로부가 기폭신호를 생성하여 기폭회로에 전송하는 단계를 포함하는 신관 시스템의 동작제어방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 도달시간을 산출하는 단계는,
   탄의 초기 기울기, 비행시간 및 고도가 포함된 사표 데이터를 형성하는 단계; 및
   상기 사표 데이터로부터 탄의 사거리를 산출하고, 탄의 사거리와 탄의 속도를 근거로 탄착지까지의 도달시간을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신관 시스템의 동작제어방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 기폭시간을 설정하는 단계는,
   탄의 속도와 고각, 자탄의 장전시간 및 자탄이 탄착지까지 도달하는 분산반경을 근거로 자탄이 탄착지까지 일정거리를 비행하도록 분산시간을 결정하는 단계; 및
   상기 도달시간으로부터 상기 분산시간을 뺀 값을 기폭시간으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신관 시스템의 동작제어방법.
4. 신관의 기폭 여부를 결정하도록 형성되는 제어회로부;
   탄이 발사되면 상기 제어회로부에 전원을 공급하도록 형성되는 전원 공급부;및
   탄의 기울기를 측정하도록 형성되는 기울기 감지 센서를 포함하고,
   상기 제어회로부는,
   측정된 탄의 초기 기울기를 근거로 결정된 기폭시간과 탄이 발사된 이후부터 카운트된 탄의 비행시간이 일치하면 기폭신호를 발생하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 신관 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어회로부는,
   기 저장된 사표 데이터와 상기 초기 기울기를 근거로 탄의 사거리를 산출하고, 탄의 사거리와 탄의 속도를 근거로 탄착지까지의 도달시간을 산출하고, 탄의 속도와 고각, 자탄의 장전시간 및 자탄이 탄착지까지 도달하는 분산반경을 근거로 자탄이 탄착지까지 일정거리를 비행하도록 분산시간을 결정한 뒤, 상기 도달시간에서 상기 분산시간을 뺀 값을 기폭시간으로 설정하는 것을 특징으로 하는 신관 시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 기울기 감지 센서는,
   적어도 서로 교차하는 2개의 축에 대한 상기 탄의 기울기를 감지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 신관 시스템.
7. 제4항에 있어서,
   상기 제어회로부로부터 기폭신호를 수신한 뒤, 탄을 기폭시켜 자탄을 분산시키도록 형성되는 기폭회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신관 시스템.

Images