KR101457000B1 - 발사체용 부품의 초 고충격 시험을 위한 충격증폭기구 및 이를 구비하는 고충격 시험기 - Google Patents

Abstract

충격플레이트의 형상적 특성에 기인한 탄성 되돌림 현상을 이용하여 피시험물에 가해지는 충격량을 배가시킬 수 있도록 한 충격증폭기구와 이를 이용한 낙하식 충격시험기가 개시된다.
본 발명은 발사체용 부품의 초 고충격 시험을 위한 충격증폭기구에 관한 것으로서 충격플레이트를 1차와 2차 플레이트로 나누어 각각 하단, 상단에 배치하고 연결봉(30)에 의해 서로를 연결한 다음, 하단의 1차충격플레이트(10)가 충격지지블록과 충돌한 직후에 2차충격플레이트(20)가 1차충격플레이트에 재차 충돌하도록 구성함으로써 1차충격플레이트의 충격반발에너지를 2차충격플레이트가 추가로 흡수할 수 있도록 하였다.
이 과정에서 충격반발에너지를 극대화 하기 위해 각 플레이트의 단면적, 두께, 부피가 조절되며 특히 1차충격플레이트는 하면에 확산부 구조를 가질 수 있다. 본 발명에 따르면 포 발사 충격과 같은 초 고충격 상태가 요구되는 충격시험을 실험실 단위의 작은 규모에서 쉽고 안전하게 수행할 수 있어 발사체용 정밀부품의 개발기간을 단축시킬 수 있으며 개발비용 또한 절감할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

발사체용 부품의 초 고충격 시험을 위한 충격증폭기구 및 이를 구비하는 고충격 시험기{Amplifying impact apparatus for higher impact test of projectile parts and the impact tester having it}

본 발명은 낙하식 충격시험장치에서 충격플레이트의 형상적 특성에 기인한 탄성 되돌림 현상을 이용하여 피시험물에 가해지는 충격량을 배가시킬 수 있도록 한 충격증폭구조의 설계기술에 관한 것이다.

충격시험은 재료의 충격물성 획득이나 제품의 충격안전성 평가를 위해 최근 거의 모든 산업용 소재와 부품에 사용되고 있으며 피충격 물체의 변형속도를 기준으로 저충격 시험과 고충격 시험으로 구분할 수 있다.

충격시험을 수행하는 장치인 충격시험기는 충격시험의 대상과 시험조건에 따라 충격해머를 이용한 진자 타격식 충격시험기와 낙하 및 발사타격식 충격시험기로 나눌 수 있다. 전자의 종류로는 샤르피 충격시험기와 아이조드 충격시험기가 있으며, 후자의 종류로는 충격응답 스펙트럼(IRS)를 이용한 낙하식 충격시험기, 레일건 또는 에어건을 이용한 발사타격식 충격시험기가 있다.

충격해머를 이용한 충격시험기는 보통 구조부재(또는 외피)의 파괴강도나 변형 정도를 측정하기 위해 사용된다. 따라서 피시험물은 시험 전에 규격화된 시편으로 가공되며, 여기에 충격량에 영향을 미치는 주요 인자인 하중과 속도 그리고 충격면적을 적절히 조합한 충격해머를 타격하여 시편이 파괴되는 타격량을 측정하여 원하는 충격 물성치를 쉽게 측정할 수 있다.

그러나 소형 전자부품과 같이 무게가 가벼운 단품 형태의 조립체로서 충격에 의한 파손여부 보다 충격 이후의 정상적 작동여부가 중요시되는 부품에 있어서는, 파괴적인 외력에 의한 부품케이스의 파손여부 보다는 관성충격에 의해 발생된 내부 구성들의 파손과 전체적인 정상작동 여부가 더 중요하다.

그러므로 위와 같은 경우에는 시험대상 물품을 일단 완제품 형태로 충격플레이트에 고정하고 이를 충격해머로 직접 타격하지 않고 충격플레이트 전체를 충격베드에 강하게 충돌시키는 방법으로 시험물에 (파손 없이) 전체적으로 강한 관성충격을 가한 다음, 이후 시험물을 재작동시켜 충격의 영향을 판단한다.

이 과정에서 주로 이용되는 것이 낙하식 충격시험장치이다.

아래 선행기술문헌 중, 문헌(1)~(3)에 걸쳐 소개되는 낙하식 충격시험기는 모두가 당해 기술분야에서 지극히 보편적으로 사용되는 충격시험기 구조를 기반으로 한다. 간단히 살펴보면, 충격시험기의 바닥 중앙에는 낙하 충격을 지지하는 충격지지블록(shock support block)이 놓여지고, 시험물이 안착 고정되는 충격플레이트(impact plate)가 투하장치(drop machine)에 의해 투하되어 상기 충격지지블록에 급속도로 낙하 충돌하는 구조로 되어 있다.

한편 아래 소개된 비특허 선행기술문헌으로서 소구경 화기의 사격충격 측정 및 충격응답스펙트럼 분석에 관한 논문에서는, 전자광학 조준경 등 소구경 화기에 탑재되는 정밀 부품이 지속적인 사격충격에 어느 정도 견딜 수 있는지를 알아보기 위해 가속도계를 화기에 장착하는 방법을 소개하고 있다.

이를 참조하면 총기 발사시 총몸에 작용하는 발사충격을 가속도계로 측정하고, 측정된 발사충격 가속도를 낙하식 충격시험기의 타격장치와 충격플레이트로 근접하게 모사할 수만 있다면 실제 발사실험을 거치지 않고도 총기 관련 정밀부품의 충격시험을 수행할 수 있음을 알 수 있다. 또한 이 같은 방법으로 실제의 충격가속도로부터 IRS데이터를 얻어내거나 또는 낙하식 충격시험기에 시험물을 안착 고정시켜 실제 충격가속도를 상회하는 낙하충격을 통해 IRS데이터를 얻어내고, 이를 통해 정밀부품의 충격내구도를 판단할 수 있음을 보여준다.

한국등록특허 10-1110110 낙하식 충격시험 설비 및 충격흡수용 블록소재 한국등록특허 10-1112585 낙하식 저속충격시험장치 한국등록특허 10-1397603 전지 셀의 충격시험장치

한국 소음진동공학회 논문집 2012년 소구경화기의 사격충격 측정 및 충격응답스펙트럼 분석

상술한 바와 같은 낙하식 충격시험 방법은 설치공간과 투하장치의 규모, 충격지지블록의 강도 등의 문제로 보통 중력가속도 기준 10000G 이하의 저속, 저충격 시험만이 가능하여 그 이상의 고충격이 요구되는 시험은 수행하기 어려웠다. 즉 무기분야로 한정하자면 발사체 자체에 대한 충격시험보다는 발사 플랫폼에 대한 충격시험만이 가능하였던 것이다.

그러나 최근 중력가속도 기준 약 15,000G 이상의 충격시험이 요구되는 정밀 부품들이 점차 늘어남에 따라 고충격 시험에 대한 수요도 늘어나고 있다.

예를 들어 유도형 포 발사체에 들어가는 정밀 전자부품들은 15,000G~20,000G 에 달하는 포 발사 충격을 이겨내야 하므로 초 고충격 상황이 구현되는 충격시험이 수행되어야 할 필요가 있다.

이 같은 초 고충격 시험을 위한 방법으로는 우선 실제 발사시험을 진행한 다음에 시험물을 비파손 상태로 회수하여 분석하는 SRS(Soft Recovery System)를 이용한 방법이 이용될 수 있다.

예를 들어 매우 긴 유체레일을 통해 발사체를 감속상태로 회수하여 분석하는 방법이나 압축공기를 이용해 발사된 발사체를 soft form에 충돌시켜 회수, 분석하는 방법, 또는 발사체에 원격추적장치와 낙하산을 달아 비파손 상태로 회수하여 분석하는 방법 등이 전형적인 SRS를 이용한 방법이 될 수 있다.

그러나 이들 방법은 비용과 시간 측면에서 많은 제약이 따를 수 밖에 없고, 작은 부품들의 경우 이들을 따로 장착하여 발사할 전용 발사체를 설계하기에도 어려운 점이 있어 많은 회수의 반복 실험이 필요할 때에는 현실적으로 채택되기 어려웠다.

본 발명은 위와 같은 어려움을 극복하고자 창안된 것으로서, 종래의 낙하식 충격시험기를 그대로 이용하되 투하장치나 충격지지블록 등을 개조하지 않고도 효과적으로 고충격 상태를 얻을 수 있도록 한 것이다.

상술한 기술과제를 해결하기 위해 본 발명은 피충격체의 한쪽 표면에 가해진 충격이 어떤 방법으로 반대쪽 표면까지 전파되는지에 대해 주목하였다.

주지하는 바와 같이 이상적인 강체(剛體)라면 충격에 의한 변형이 발생되지 않으며 충격의 전파속도는 무한대가 된다. 그러나 현실적으로 그러한 물체는 존재하지 않기 때문에 실제로는 극히 미소한 변형이 순간적으로 발생되며 이를 통해 피충격체의 한쪽 면에서 반대쪽 면까지의 충격전달은 물체(소재)의 변형이 파동의 형태로 전파된다고 할 수 있다.

한편 이상적인 균질의 고체는 탄성변형 과정에서 길이가 압축되면서 폭(단면적)이 늘어나게 된다. 이 같은 길이-폭 변형비율을 포아송비로 정의할 수 있다. 포아송비는 0~0.5 사이의 값을 가지며 비압축성 물질일수록 0.5에 가까운 값을 갖게 된다.

이로부터 고찰해보면 충격플레이트와 같이 두껍고 경도가 높은 금속판에 극히 짧은 시간동안 충격적 하중이 작용할 때, 상기 충격플레이트는 해당 시간 동안 이상적인 균질 비압축성 고체와 같은 탄성변형을 일으킨다고 가정할 수 있으며, 이는 순간적인 변형을 전제로 하고 있으므로 완전한 강체가 아니며 따라서 충격면에서 충격반대면까지 파동의 형태로 충격파가 전달된다고 가정할 수 있다.

이로부터 얻을 수 있는 결론은 충격플레이트의 한쪽면(충격면)이 작은 면적이고 반대쪽 면(충격 반대면)이 큰 면적일 때 충격(압축)에 의해 충격면이 길이방향으로 압축되는 양보다 충격 반대면의 폭이 상대적으로 덜 늘어날 수 있다는 것이며, 더 나아가서 충격플레이트의 피충격 부위가 작은 부피이고 피충격 반대부위가 큰 부피일 때 충격파동의 파장은 점차 짧아질 수 있다는 사실이다.

이에 따라 가장 큰 부피의 충격지지블록(40)을 가장 아래쪽에 배치하고, 그 다음 큰 부피의 1차충격플레이트(10)를 중간에 배치하며, 가장 작은 부피의 2차충격플레이트(20)를 가장 위쪽에 배치한 다음에 이들을 차례로 연쇄 충돌시킨다면 충격지지블록과 1차충격플레이트 간의 충돌로 인한 충격파는 적당한 시간 내에서 1차충격플레이트와 2차충격플레이트 간의 충돌시점에 이를 때까지 감쇄되거나 소실되지 않고 증폭될 수 있다. 따라서 2차충격플레이트는 자신의 운동에너지로 인해 충격지지블록으로부터 받는 충격량에다, 1차 충격후 반발력을 갖고 있는 1차충격플레이트의 충격량을 더한, 증가된 충격량을 같은 투하속도로부터 받을 수 있다.

아래에는 상술한 기술적 착안을 바탕으로 한 기술수단과 그 결합구조가 실시예를 바탕으로 구체적으로 제시된다.

본 발명에 따르면 포 발사 충격과 같은 초 고충격 상태가 요구되는 충격시험을 실험실 단위의 작은 규모에서 쉽고 안전하게 수행할 수 있어 발사체용 정밀부품의 개발기간을 단축시킬 수 있으며 개발비용 또한 절감할 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 충격증폭기구를 장착한 낙하식 충격시험기의 전체 사시도.
도 2는 충격지지블록과 충격증폭기구를 따로 도시한 결합사시도.
도 3은 충격증폭기구를 위아래에서 도시한 사시도.
도 4는 충격증폭기구를 분해 도시한 사시도.
도 5는 충격증폭기구의 4면도.
도 6은 충격증폭기구의 정면과 측면 절개 단면도.
도 7은 충격증폭기구를 이용한 충격시험 실시예의 촬영사진.
도 8a,b는 각각 종래 충격시험기의 충격량 측정그래프와 본 발명 충격시험기의 충격량 측정그래프.
도 9는 1차, 2차 충격플레이트의 형상 특성과 그로 인한 충격증폭 원리를 도시한 그림.

상술한 본 발명의 과제 해결수단을 구체적으로 뒷받침하기 위하여 도면에 포함된 본 발명의 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

다만 아래에 설명될 실시예에서 특정 전문용어로 표현된 구성요소들과 이들의 결합구조가 본 발명에 포괄적으로 내재된 기술사상을 제한하는 것은 아니다.

먼저 도 1은 본 발명의 충격증폭기구가 장착된 낙하식 충격시험기의 전체적인 모습을 간략히 도시한 것이며, 도 2는 충격증폭기구가 충격지지블록(40)위에 안착된 모습을 도시한 것이다. 충격지지블록(40)은 충격증폭기구의 낙하충돌을 지지하도록 크고 무거운 형태로 충격시험기 기둥 내부의 중앙에 배치된다.

1차충격플레이트(10)는 양 옆에 형성된 슬리이브(sleeve)를 통해 투하장치용 안내 컬럼(coluum)과 연결되어 자유낙하 또는 강제낙하 되는 원리이다. 다시 말해서 본 발명의 충격증폭기구 전체는 1차충격플레이트(10)를 통해 투하장치와 연결되어 있다.

도 2를 통해 볼 수 있는 충격장치의 전반적인 구성과 배치는 2차충격플레이트(20)와 연결봉(30)의 결합에 의한 연쇄충돌구성을 제외하고는 기존의 낙하식 충격시험기와 큰 차이가 없지만 각 구성들의 형상적, 구조적인 특징에 보다 주목할 필요가 있다.

도 3은 핵심구조인 충격증폭기구를 위아래에서 도시한 사시도이다. 또한 도 4 내지 도 6은 충격증폭기구를 도시한 분해도, 4면도, 절개단면도를 보여준다. 이들을 바탕으로 충격증폭기구의 각부 구성의 형상과 조합을 살펴보면,

먼저 1차충격플레이트(10)는 자유낙하운동 또는 강제낙하운동에 의해 하면(下面)이 충격지지블록(40)의 상면(上面)과 충돌하도록 배치된다.

다음으로 1차충격플레이트(10) 위에 놓인 2차충격플레이트(20)는, 충격지지블록(40)과 1차충격플레이트(10) 간의 충돌 직후에 하면이 상기 1차충격플레이트의 상면과 (연쇄) 충돌하도록 배치된다.

당연히, 충격시험물 또는 충격시험물 고정용 치구가 고정되는 안착부(21)가 형성되는 곳은 1차충격플레이트의 상면이 아니라 2차충격플레이트(20)의 상면이 된다.

위와 같은 연쇄충돌을 가능하게 해주는 구성은 상기 1차충격플레이트(10)와 상기 2차충격플레이트(20)를 서로 연결하는 적어도 두 개의 연결봉(30)인데 이 연결봉(30)은, 1차충격플레이트(10)에 고정 결합된 상태로 2차충격플레이트(20)를 상하운동 가능하도록 구속하며 상기 1, 2차 충격플레이트들(10, 20) 사이의 충돌거리를 조절하는 복수의 높이조절구(31)들을 더 포함하여 구성된다.

연결봉을 통한 1차, 2차 충격플레이트의 연쇄충돌에 의한 작동원리는 앞서 과제의 해결수단에서 상세히 고찰한 바와 같이 충격지지블록과 1차충격플레이트(10)와의 충돌이 일어난 후, 1차충격플레이트(10)의 위에 떠있는 형태로 장착된 2차충격플레이트(20)가 충격에 의한 반발에너지, 즉 충격파의 전파가 이루어지고 있는 1차충격플레이트와 충돌하면서 충격량을 증폭시키는 원리이다. 이는 실질적으로 낙하속도의 증가현상을 해석될수도 있지만 실체적으로 살펴보면 아래 도 8b와 같이 충격가속도가 배가되면서 충격가속도 작용시간은 짧아지는 현상을 보여준다.

도 7은 상술한 구성의 충격증폭기구를 이용한 충격시험 실시예의 촬영사진이다.

실시예에서는 고충격 시험을 위해 유도형 포탄에 장비되는 전자모듈을 준비하였다. 이는 포 발사 시 탄체에 작용하는 충격량을 모사하는 충격시험을 통해 전자모듈의 고충격에서 생존성을 알아보기 위함이며 설계목표인 피크가속도 18,000G를 구현하기 위해서이다.

우선 2차충격플레이트에 장착하기 위해 전용 치구를 제작하고 내부에 전자모듈을 장착했다. 치구 내부에는 탄약용으로 사용하는 몰딩액을 이용하여 단단히 고정하였으며 작업 후 단선이나 경화 중에 발생한 열에 의한 반도체 부품의 손상여부를 테스트를 통해 확인하였다.

도 8a는 기존의 충격시험기, 즉 1차충격플레이트와 충격지지블록간의 1차 충돌만으로 이루어지는 충격량을 측정한 그래프이며 도 8b는 앞서 도 7에서 수행한 본 발명의 충격시험에 의해 1차 충돌후 1차충격플레이트와 2차충격플레이트 간의 2차 연쇄충돌로 인한 충격량을 측정한 그래프이다.

낙하충격으로 발생한 가속도 센서 데이터를 분석한 결과 도 8a와 같이 충격시험기만을 사용했을 경우에는 약 11,000G, 2ms의 충격량이 발생되었고 충격 증폭기구를 이용한 시험결과는 약 22,400G, 1ms의 충격량이 발생하였다. 증폭기를 사용했을 경우 충격량 작용시간은 짧았지만 유도형 포탄으로 이용되는 155mm 탄약의 포발사 충격 가속도값보다 수치상으로 넘어서는 초 고충격 상황의 시현이 가능하였다.

도 9는 본 발명의 핵심 구성인 1차, 2차 충격플레이트의 형상적인 특성과 그로 인한 충격증폭 원리를 도시한 그림이다.

도 9a를 살펴보면 앞서 과제 해결수단을 통해 설명한 바와 같이 1차충격플레이트(10)는 2차충격플레이트(20)과 비교하여 평균 두께와 평균 면적 및 전체 부피가 더 크게 형성된 것을 볼 수 있으며, 또한 상기 1차충격플레이트(10)의 하부에는 아래에서 위로 올라갈수록 점차 부피가 커지는 확산부(11)가 더 형성된 것을 볼 수 있다.

여기에서 확산부(11)는 면적이 넓어지는 1차충격플레이트(10)의 상면까지 고르게 충격파를 전파시킴과 동시에 하부(하면)의 충격에너지 밀도를 상부(상면) 보다 더 높은 밀도로 유지시켜 1차충격플레이트(10)를 관통하는 충격파가 2차충격플레이트(20)의 충돌시점에 이를 때까지 감쇄되거나 소실되지 않게 하는 역할을 한다.

도 9b와 같이 충격을 받는 2차충격플레이트 보다 두께, 면적, 부피가 모두 크게 형성된 1차충격플레이트는 충격을 가하는 부위로서 피충격 부위에 충격파동을 전달할 때 충격파의 파장이 길어지지 않고 촘촘하게 만들 수 있다. 이에 따라 사실상 무한대의 크기로 볼 수 있는 충격지지블록이 1차충격플레이트를 거쳐 2차충격플레이트에 전달하는 충격에너지의 소실이 최소화 된다.

한편, 연결봉(30)과 2차충격플레이트(20) 간의 결합력은 정지된 상태에서 시험물을 안착고정하고 저절로 하강하지 않도록 하는 정도면 충분하다. 다만 1차충격플레이트(10)가 충격지지블록(40) 면으로부터 되튕기기 전에 2차충격이 일어나게 해야 하므로 높이조절구(31)의 링 개수를 조절하여 양 플레이트의 간극을 조절한다. 이는 앞서 설명한 충격량 그래프의 피크값을 보고 수차에 걸쳐 조정하여 최대 충격증폭값에 근접하도록 할 수 있다.

이상 본 발명의 기술사상을 구체적인 실시예를 통해 설명하였다. 덧붙여 본 실시예에서 미처 포함되지 않은 단순 변경 또는 간단 확장 사례가 있을 수 있겠으나, 본 발명의 기술사상은 실시예의 기술적 해석범주보다는 이하의 청구범위에서 기재되는 내용을 바탕으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명은 연결봉에 의한 연쇄충돌시 불필요한 외력의 개입여부를 최소화 하기 위해 낙하충격 시험기에 의한 수직 투하 구조를 바탕으로 기술되었다. 그러나 연결봉과 충돌거리 조절구성에 대한 적절한 설계변형이 이루어질 경우에 수평 발사식 충격시험기 등 다양한 충격시험기에 있어 효과적으로 충격을 증폭하는 기구로 적극 활용될 수 있다.

10: 1차충격플레이트
11: 확산부
12: 낙하운동 안내 슬리브
20: 2차충격플레이트
21: 안착부
30: 연결봉
31: 높이조절구
40: 충격지지블록
50: 낙하운동 안내 컬럼

Claims (5)

1. 자유낙하운동 또는 강제낙하운동에 의해 하면(下面)이 충격지지블록(40)의 상면(上面)과 충돌하도록 배치되는 1차충격플레이트(10)와, 상기 충격지지블록(40)과 상기 1차충격플레이트(10) 간의 충돌 직후에 하면이 상기 1차충격플레이트의 상면과 충돌하도록 배치되는 2차충격플레이트(20) 및 상기 1차충격플레이트(10)와 상기 2차충격플레이트(20)를 서로 연결하는 적어도 두 개의 연결봉(30)을 포함하여 구성되고,
   상기 연결봉(30)은, 상기 1차충격플레이트(10)에 고정 결합되어 상기 2차충격플레이트(20)를 상하운동 가능하도록 구속하고 또한 상기 1차 및 2차 충격플레이트들(10, 20) 사이의 충돌거리를 조절하는 복수의 높이조절구(31)들을 더 포함하여 구성되며,
   상기 2차충격플레이트(20)의 상면에는 충격시험물 또는 충격시험물 고정용 치구가 고정되는 안착부(21)가 형성되는 것을 특징으로 하는 충격증폭기구.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1차충격플레이트(10)는 상기 2차충격플레이트(20)과 비교하여 평균 두께, 평균 면적 및 전체 부피가 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 충격증폭기구.
3. 제2항에 있어서,
   상기 1차충격플레이트(10)의 하부에는 아래에서 위로 올라갈수록 점차 부피가 커지는 확산부(11)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 충격증폭기구.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 충격증폭기구;와
   상기 충격증폭기구를 자유낙하 또는 강제낙하 시키는 투하장치;및
   상기 충격증폭기구의 낙하충돌을 지지하도록 배치되는 충격지지블록(40);을 포함하여 구성되는 낙하식 충격시험기.

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