KR101916598B1

KR101916598B1 - 균일한 크기의 파편의 성형을 유도하는 파편성형라이너 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101916598B1
Application number: KR1020170090698A
Authority: KR
Inventors: 방성호
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2018-11-07

Abstract

본 발명은 탄체와 주장약 사이에 위치하는 라이너에 있어서, 원뿔의 꼭짓점이 상기 탄체의 중심축을 향하도록 형성되는 원뿔형 공극을 포함하며 상기 공극은 상기 탄체의 길이방향으로 등거리 이격되어 형성되고 상기 탄체의 원주방향으로 등거리 이격되어 형성되며 상기 주장약의 기폭 시 폭발에너지가 상기 공극으로 집중되어 상기 공극을 손상시킨 후 상기 공극과 접하는 상기 탄체의 공극주위부로 상기 폭발에너지를 전달시킴으로써 상기 탄체가 상기 공극의 배열에 기준하여 균일한 크기의 파편으로 성형하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너에 관한 것이다.
또한, 라이너의 제작방법에 있어서, 소재를 두께가 균일한 시트형태로 압연 가공하는 압연가공단계, 상기 소재를 적용할 탄두 제원에 기준하여 재단하는 재단단계, 상기 소재를 원통형으로 접합하는 접합단계, 상기 소재의 선단과 후단을 둥글게 말거나 국소 경화하는 선후단 가공단계, 상기 소재에 길이방향과 원주방향으로 상기 공극을 가공하는 공극가공단계를 포함하며 상기 공극가공단계는 60°C 내지 80°C 의 승온상태에서 소성가공으로 진행하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너의 제작방법 및 상기 제작방법에 의해 제작된 파편성형라이너에 관한 것이다.

Description

균일한 크기의 파편의 성형을 유도하는 파편성형라이너 및 그 제조방법{FRAGMENTATION LINER INDUCING FORMATION OF UNIFORM SIZE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 탄두의 탄체 내부에 부착되어 탄체를 균일한 육면체의 파편으로 형성을 유도하는 파편성형라이너 및 그의 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄체에 별도의 가공을 수반하지 않고 내화학성 및 내구성 시트 소재 표면에 규칙적 배열의 원뿔형의 공극이 제작된 파편성형라이너를 탄두의 탄체 내부에 부착하여 탄두 기폭 시 공극주위의 탄체 소재가 파열되는 방법으로 탄체를 균일한 크기의 파편으로 성형시킬 수 있도록 하는 파편성형라이너 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 항공기 및 대공유도무기 등의 대공 표적을 제압할 목적으로 파편탄두가 사용되며, 파편형성법에 따라 자연형(natural), 조절형(controlled), 성형형(preformed)로 나뉜다. 첫 번째로 자연형 파편탄두는 파편탄두 중 제작이 가장 용이하나, 파편형상은 탄체 소재의 인성(toughness), 취성(brittleness), 결정립(grain) 크기 등의 재료적 요소와 고폭화약의 폭압의 크기, 폭발파 전파 등의 화학특성에 민감하게 영향을 받아 불규칙한 파편화 특성을 갖는다. 두 번째로 성형형 파편탄두는 대공표적 등을 제압할 수 있는 유효질량을 갖는 파편을 정육면체(cubic), 구형(sphere) 등의 다양한 형태로 제작하여 탄체에 특정 배열대로 부착한 탄두로서, 표적제압 능력은 쉽게 확보할 수 있으나, 파편 배열을 유지할 수 있는 별도의 하우징(housing) 또는 탄체가 필수적이다. 또한, 주장약의 화약에너지가 분산됨에 따라 파편의 비행속도가 감소하는 기능적 단점이 있다. 두 종류의 파편탄두의 단점을 보완하기 위해 탄체를 활용하고, 특정 설계된 파편형상을 갖도록 설계된 파편탄두가 조절형 파편탄두이다. 탄체 내부 혹은 외부에 별도의 노치가공을 하거나, 탄체 외벽에 특정 부위를 취화시켜 탄두 기폭 시 별도 가공부위를 중심으로 탄체가 파편화된다.

그러나 이와 같은 조절형 파편탄두의 경우 탄체에 별도의 노치공정 또는 열처리공정이 수반되어야 하며, 특히 노치공정은 노치의 가공각도에 제한되고, 탄체의 직경과 길이 등에 의해 가공난이도가 크게 증가할 수 있다. 국소 열처리법 또한 별도의 공정에 따른 추가비용 발생이 야기되며, 가공정밀도에 따라 파편성능이 민감하게 반응하여 이에 따라 파편탄두 성능에 영향을 끼치게 된다.

[문헌1] US 7886667 B1 (Ernest B.) 2008.10.15.

[문헌1] Joseph Carleone, Tactical Missile Warheads, 1993, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 387-464쪽

상기 종래기술의 문제점을 해결하고자 본 발명은 탄두의 내부에 부착되어 탄체를 균일한 크기의 파편으로 성형을 유도하는 파편성형라이너 및 그 제작방법에 관한 것이다. 화약의 기폭 시 폭파에너지가 화약의 골 부분으로 집중되는 먼로 효과(Munroe effect)를 이용하여, 파편성형라이너의 표면에 가공된 규칙적 배열의 원뿔형 공극을 중심으로 탄체가 먼저 파손되고, 탄체가 팽창함에 따라 탄체 파손부위를 중심으로 균열이 성장하며, 팽창 임계점에 도달할 시 탄체가 균일한 형태로 파편화된다. 파편성형라이너의 소재는 주장약 간의 양립성을 만족하여야 하며, 주장약 충전 시 변형이 발생하지 않도록 내구성을 가져야 한다. 본 발명에서는 타 조절형 파편탄두에 비해 가공이 용이하며 탄체가 균일한 형상으로 파편화를 유도하는 파편성형라이너를 확보하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 탄체와 주장약 사이에 위치하는 라이너에 있어서, 원뿔의 꼭짓점이 탄체의 중심축을 향하도록 형성되는 원뿔형 공극을 포함하며 공극은 탄체의 길이방향으로 등거리 이격되어 형성되고 탄체의 원주방향으로 등거리 이격되어 형성되며 주장약의 기폭 시 폭발에너지가 공극으로 집중되어 공극을 손상시킨 후 공극과 접하는 탄체의 공극주위부로 폭발에너지를 전달시킴으로써 탄체가 공극의 배열에 기준하여 균일한 크기의 파편으로 성형하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너이다.

본 발명은 내화학성과 내구성을 특성으로 하는 소재에 규칙적 배열의 원뿔형 공극을 가공한 파편성형라이너를 탄두의 탄체 내부에 부착하여 주장약의 화약에너지가 빈 공간으로 집중되는 먼로 효과를 이용함으로써 탄체에 별도의 가공을 수반하지 않고 균일한 크기의 파편을 성형하는 조절형 파편탄두로 활용 가능하다. 이는 타 탄두체계에 별도의 추가설계 없이 적용할 수 있으며, 파편 비행속도의 감소가 발생하지 않아 파편의 표적관통성능의 저하를 방지하는 파편성형라이너를 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 파편성형라이너가 적용된 탄두의 사시도 및 부분 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 파편성형라이너의 제작 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 파편성형라이너가 적용된 탄두의 정면도 및 폭발에너지의 전달방향을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 파편성형라이너가 적용된 탄두가 파편화되는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명에 따른 파편성형라이너의 제작방법 순서도이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시 예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 구성은 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

본 발명은 탄체(102)와 주장약(103) 사이에 위치하는 라이너에 있어서, 원뿔의 꼭짓점이 상기 탄체의 중심축을 향하도록 형성되는 원뿔형 공극(104)을 포함하며 상기 공극은 상기 탄체의 길이방향으로 등거리 이격되어 형성되고 상기 탄체의 원주방향으로 등거리 이격되어 형성되며 상기 주장약의 기폭 시 폭발에너지가 상기 공극으로 집중되어 상기 공극을 손상 시킨 후 상기 공극과 접하는 상기 탄체의 공극주위부(141)로 상기 폭발에너지(131)를 전달시킴으로써 상기 탄체가 상기 공극의 배열에 기준하여 균일한 크기의 파편으로 성형하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너(101)에 관한 것이다.

상기 파편성형라이너(101)는 상기 주장약(103)과 양립할 수 있도록 내화학성과 내구성이 큰 소재로 형성되며 상기 소재는 PP, ABS수지, HDPE 중 어느 하나 이상으로 제조될 수 있다.

라이너의 제작방법에 있어서, 소재를 두께가 균일한 시트형태로 압연 가공하는 압연가공단계(S10), 상기 소재를 적용할 탄두 제원에 기준하여 재단하는 재단단계(S20), 상기 소재를 원통형으로 접합하는 접합단계(S30), 상기 소재의 선단과 후단을 둥글게 말거나 국소 경화하는 선후단 가공단계(S40), 상기 소재에 길이방향과 원주방향으로 상기 공극을 가공하는 공극가공단계(S50)를 포함하며 상기 공극가공단계는 60°C 내지 80°C 의 승온상태에서 소성가공으로 진행하는 것을 특징으로 한다.

상기 파편성형라이너(101)의 제작방법에 의해 제작된 상기 파편성형라이너는, 원뿔의 꼭짓점이 상기 탄체(102)의 중심축을 향하도록 형성되는 원뿔형 공극(104)을 포함하며 상기 공극은 상기 탄체의 길이방향으로 등거리 이격되어 형성되고 상기 탄체의 원주방향으로 등거리 이격되어 형성되며 상기 주장약(103)의 기폭 시 폭발에너지(131)가 상기 공극으로 집중되어 상기 공극을 손상 시킨 후 상기 공극과 접하는 상기 탄체의 공극주위부(141)로 상기 폭발에너지를 전달시킴으로써 상기 탄체가 상기 공극의 배열에 기준하여 균일한 크기의 파편으로 성형하는 것을 특징으로 한다.

상기 공극(104)의 원주방향 이격거리(214)는 하기의 <수학식 1>을 이용하여 산출하며 상기 공극의 길이방향 이격거리(215)는 상기 공극의 원주방향 이격거리의 0.8배 내지 1.2배이다.

<수학식 1>

여기서,

는 공극 간 원주방향 이격거리이고,

은 탄체의 내측 원주길이이며, N은 원주방향으로 비산시키고자 하는 파편의 개수이다.

도 1은 본 발명에 따른 파편성형라이너(101)가 적용된 탄두의 부분 단면도이다. 도 1을 참고하면 알 수 있듯이, 상기 파편성형라이너(101)의 외부면과 상기 탄체(102)의 내부면이 접합된 상태이다. 상기 주장약(103)은 주조형 화약으로서, 상기 파편성형라이너(101)의 내부면 안쪽에 충전되어있다. 상기 탄체 내부의 원주길이(112)와 상기 주장약 충전 깊이(113)는 상기 파편성형라이너 제작 시 반영되어야 할 요소이며, 상기 탄체 두께(111)는 상기 파편성형라이너의 상기 공극의 깊이(213)를 결정하는 주요 요소다. 상기 파편성형라이너(101) 적용 시 형성되는 파편의 비산범위는 원주방향과 길이방향으로 나뉘며, 상기 원주방향으로의 비산범위와 상기 길이방향으로의 비산범위(122)는 상기 파편성형라이너의 공극의 배열간격(214, 215)에 따라 결정된다.

상기 원주방향으로의 비산은 하기의 <수학식 2>을 통해 계산되는 일정한 각도로 배열된다. 또한, 목표 지점을 기준으로 원주방향으로의 파편 선밀도는 하기의 <수학식 3>을 통해 산출할 수 있다.

<수학식 2>

여기서,

는 원주방향으로의 배열 각도이고, N은 원주방향으로 비산시키고자 하는 파편의 개수이다.

<수학식 3>

여기서, d는 탄두로부터 목표 지점까지의 직선 거리이고,

는 목표 지점에서의 파편 선밀도이며, N은 원주방향으로 비산시키고자 하는 파편의 개수이다.

상기 길이방향으로의 비산범위는 대체적으로 탄체 면을 기준으로 상향각(

) 및 하향각(

)을 갖고 있으며, 탄두의 몸체 형태 및 주장약의 화학적 특성에 의해 편중되는 특성을 갖는다. 대부분의 파편탄두의 길이방향으로의 비산범위는 하기의 <수학식 4>를 만족하며, 본 발명에 의해 제작된 파편성형라이너가 적용된 파편탄두의 정확환 비산범위 분석을 위해서는 해당 탄두에 대한 기술 시험이 필수적이다.

<수학식 4>

여기서,

는 파편의 비산 상향각이고,

는 파편의 비산 하향각이다.

도 2는 본 발명에 따른 파편성형라이너의 제작방법 공정도이고, 도 5는 본 발명에 따른 파편성형라이너의 제작방법 순서도이다.

도 2 또는 도 5를 참고하여 상기 파편성형라이너(101)의 제작방법을 설명하면, 먼저 탄두에 적용하기 적합한 수준의 내화학성 및 내구성을 갖는 소재를 압연 가공을 통해 두께가 0.2 mm 내지 0.3 mm로 일정한 얇은 시트형으로 제작한다(S10). 상기 소재는 상기 탄두 내부에 상기 주장약(103)을 충전 시 상기 파편성형라이너(101)와 상기 주장약의 양립성을 만족하며, 내구성을 가지고 있어 변형되지 않아 상기 적용 탄두의 기폭 시 상기 탄체(102)를 균일한 크기로 파편화를 유도할 수 있어야 한다. 내화학성 및 내구성을 갖는 상기 소재는 상기 주장약(103)의 성분에 따라 PP(polypropylene), ABS 수지(acrylonitrile butadiene styrene copolymer) 및 HDPE(high density polyethylene) 등이 사용될 수 있다.

다음으로 두께가 일정한 얇은 상기 소재를 상기 탄두 제원에 맞게 재단한다(S20). 이 때, 재단된 얇은 시트형 상기 소재의 길이는 적용할 상기 탄체 내부의 원주길이(104)와 접합여유 부분(211)의 길이의 합과 같으며, 상기 소재의 너비는 상기 주장약 충전 깊이(113)와 같다. 상기 접합여유 부분(211)은 상기 파편성형라이너(101)의 탄성회복력 등의 재료 물성을 고려하여 약 5 mm 내지 10 mm로 한다.

상기 재단된 얇은 소재를 원통형으로 접합시키되 상기 접합여유 부분(211)에 접착제를 사용하여 접합한다(S30). 상기 원통형 소재의 선단과 후단을 약 2 mm 내지 3 mm 부위에 기계적 하중을 가하여 둥글게 말거나, 열을 가하여 경화시킨다(S40). 해당 공정을 통해 상기 원통형 소재의 단면계수가 증가함에 따라 상기 공극(104) 가공 시 상기 파편성형라이너(101)의 형태 틀어짐을 방지하고, 상기 탄체(102) 내부 적용 시 요구되는 구조적 내구성을 강화할 수 있다. 선단과 후단이 둥글게 말리거나 경화된 원통형 상기 소재의 표면에 규칙적 배열의 상기 공극(104)이 형성되도록 60℃ 내지 80℃의 승온상태에서 소성 가공한다(S50).

상기 공극의 원주방향의 배열 간격(214)은 원주방향으로 비산하는 파편 개수에 반비례하며, 탄체 내부의 원주길이(112)와 원주방향으로 비산하는 파편 개수의 역수의 곱과 같고 이는 상기 <수학식 1>과 같이 표현할 수 있다.

또한, 상기 공극(104)의 길이방향의 이격거리(215)는 상기 공극의 원주방향 이격거리(214)의 약 0.8배수 내지 1.2배수로 한다. 또한, 상기 공극의 최대 지름(212)은 약 3 mm 내지 5 mm이며, 상기 공극의 최대 깊이(213)는 상기 탄체(102)의 두께의 0.8배수 내지 1.2배수로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 파편성형라이너가 적용된 탄두의 정면도 및 폭발에너지의 전달방향을 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 파편성형라이너가 적용된 탄두가 파편화되는 과정을 나타내는 순서도이다.

상기 파편성형라이너(101)가 적용된 파편탄두조립체(100)를 기폭하면 도 4에서와 같이 상기 주장약(103)의 폭발에너지(131)가 상기 파편성형라이너(101)의 공극(104)에 도달하여, 먼로 효과에 의해 상기 탄체(102)의 공극주위부(141)가 먼저 파열되고, 파열된 상기 공극주위부(141)를 중심으로 상기 탄체의 파편(142)이 균일한 크기로 파열되는데 상기 균일한 크기의 파편은 상기 공극의 배열에 기준하여 파열된다. 따라서 상기 본 발명을 적용하면 원하는 파편의 크기나 원하는 파편의 개수에 맞춰 상기 파편성형라이너(101)를 제작하여 상기 파편탄두조립체(100)에 적용함으로써 균일한 파편을 확보할 수 있는 것이다.

이상에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

100 : 파편탄두조립체
101 : 파편성형라이너
102 : 탄체
103 : 주장약
104 : 공극
111 : 탄체의 두께
112 : 탄체의 내부 원주길이
113 : 주장약 충전 깊이
131 : 폭발에너지
141 : 탄체의 공극주위부
142 : 탄체의 파편
211 : 접합여부 부분
212 : 공극의 최대 지름
213 : 공극의 최대 깊이
214 : 공극의 원주방향 이격거리
215 : 공극의 길이방향 이격거리

Claims

탄체와 주장약 사이에 위치하는 라이너에 있어서,
원뿔의 꼭짓점이 상기 탄체의 중심축을 향하도록 형성되는 원뿔형 공극; 을 포함하며,
상기 공극은 상기 탄체의 길이방향으로 등거리 이격되어 형성되고 상기 탄체의 원주방향으로 이격되어 형성되며 상기 주장약의 기폭 시 폭발에너지가 상기 공극으로 집중되어 상기 공극을 손상시킨 후 상기 공극과 접하는 상기 탄체의 공극주위부로 상기 폭발에너지를 전달시킴으로써 상기 탄체가 상기 공극의 배열에 기준하여 균일한 크기의 파편으로 성형하며,
상기 공극의 배열은 하기 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너.

(여기서, d는 탄두로부터 목표 지점까지의 직선 거리이고,
는 목표 지점에서의 파편 선밀도이며, N은 원주방향으로 비산시키고자 하는 파편의 개수임.)
제1항에 있어서,
상기 공극의 원주방향 이격거리는 하기 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너.

(여기서,
는 공극 간 원주방향 이격거리이고,
은 탄체의 내측 원주길이이고, N은 원주방향으로 비산시키고자 하는 파편의 개수임.)
제2항에 있어서,
상기 공극의 길이방향 이격거리는 상기 공극의 원주방향 이격거리의 0.8배 내지 1.2배 인 것을 특징으로 하는 파편성형라이너.
제3항에 있어서,
상기 파편성형라이너는 상기 주장약과 양립할 수 있도록 내화학성과 내구성이 큰 소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너.
제4항에 있어서,
상기 파편성형라이너는 PP, ABS수지, HDPE 중 어느 하나 이상으로 제조되는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너.
파편성형라이너의 제작방법에 있어서,
소재를 두께가 균일한 시트형태로 압연 가공하는 압연가공단계;
상기 소재를 적용할 탄두 제원에 기준하여 재단하는 재단단계;
상기 소재를 원통형으로 접합하는 접합단계;
상기 소재의 선단과 후단을 둥글게 말거나 국소 경화하는 선후단 가공단계;
상기 소재에 길이방향과 원주방향으로 공극을 가공하는 공극가공단계; 를 포함하며,
상기 공극의 배열은 하기 수학식을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너의 제작방법.

(여기서, d는 탄두로부터 목표 지점까지의 직선 거리이고,
는 목표 지점에서의 파편 선밀도이며, N은 원주방향으로 비산시키고자 하는 파편의 개수임.)
제6항의 파편성형라이너의 제작방법에 의해 제작된 파편성형라이너에 있어서,
원뿔의 꼭짓점이 탄체의 중심축을 향하도록 형성되는 원뿔형 공극; 을 포함하며
상기 공극은 상기 탄체의 길이방향으로 등거리 이격되어 형성되고 상기 탄체의 원주방향으로 등거리 이격되어 형성되며
주장약의 기폭 시 폭발에너지가 상기 공극으로 집중되어 상기 공극을 손상시킨 후 상기 공극과 접하는 상기 탄체의 공극주위부로 상기 폭발에너지를 전달시킴으로써 상기 탄체가 상기 공극의 배열에 기준하여 균일한 크기의 파편으로 성형하는 것을 특징으로 하는 파편성형라이너.