전투차량 장전제어기 오작동 개선 사례 및 최적화 방안

서론

전투차량의 장전제어기는 안정적인 사격 임무 수행을 위한 핵심 구성 요소 중 하나이다. 그러나 특정 운용 환경에서 장전제어기의 간헐적 오작동이 발생하는 문제가 보고되었으며, 이는 군의 작전 수행에 영향을 미칠 수 있는 중요한 신뢰성 문제로 대두되었다. 특히, 전투차량의 포신을 특정 각도 이상으로 올릴 경우 고저제한 스위치가 활성화되면서 차체 장전기가 간헐적으로 전진 및 후진하는 현상이 관찰되었으며, 이에 대한 원인분석과 개선 방안 마련이 필요하였다. 해당 문제를 분석하기 위해 두 개의 전투차량 제조사를 대상으로 시험을 진행한 결과, 특정 제조사의 장비에서만 동일한 현상이 발생하는 것이 확인되었다. 추가로 전체 입출력 신호와 노이즈를 분석했을 때, 장전제어기에 입력되는 노이즈와 출력되는 신호가 복합적으로 작용하여 발생한 가능성이 큰 것으로 추정되었다. 이에 따라 장전제어기의 핵심 구성 요소에 대한 개선을 통해 오작동 문제를 해결하고, 장비의 신뢰성을 향상시키는 방안을 도출하고자 한다. 본 기고문에서는 문제의 원인을 분석하고, 개선 방안을 도출하여 시험을 통해 검증하는 과정을 다룬다. 또한, 개선 전후의 성능을 비교하여 장전제어기의 최적화 방안을 제시하고자 한다. 이를 통해 향후 전투차량의 장전제어기 설계 및 운용에서 고려해야 할 요소들을 도출하고, 유사한 문제를 예방할 수 있는 기초 자료를 제공하는 것을 목표로 한다.

오작동 문제 정의

사용자 불만 제기 사항

전투차량 운용 중 포신을 특정 각도 이상 올릴 경우 그림 1과 같이 고저제한 스위치가 활성화되면서 장전제어기가 의도치 않게 전진 및 후진하는 현상이 발생하였다. 이러한 간헐적 오작동은 군 운용자로부터 보고되었으며, 사격 임무 수행 중 예기치 않은 움직임이 발생하면 안전상의 위험 요소가 될 수 있다는 점에서 해결이 시급한 문제로 인식되었다.

오작동 재현 시험

문제의 원인을 규명하기 위해 두 개의 전투차량 장전제어기 제조사를 대상으로 재현 시험을 수행하였다. 시험 결과, 특정 제조사에서만 동일한 현상이 반복적으로 발생하였으며, 이는 해당 제조사의 장전제어기 설계 및 구성 요소에 기인할 가능성이 큼을 시사하였다.

관련 연구

전투차량 장전제어와 관련하여 장전장치 밸브류 국산화 개발을 위한 시험방안 설계 및 평가에 관한 연구[1]와 급속장전장치 탄 흐름을 해결하고자 급속장전장치 구조를 분석, 모델링 및 해석프로그램을 이용한 비행거리 최적화를 통해 새로운 장전 밀대캡을 제작하고 장전 신뢰성을 검토한 연구[2]도 있었다. 또한, K56 탄운차 서보제어기의 통신오류에 대한 개선연구[3]에서 회로카드 조립체에 대한 분석이 제시되었다.

그림 1. 전투차량 장전제어기 오작동 현상

전투차량 포신상태	고저제한 스위치	장전기
전투차량 포신을 00º 이상 올린 상태	포신이 00º 이상 되면 고저제한 스위치 작동	간헐적인 장전기 전/후진

그림 1. 전투차량 장전제어기 오작동 현상

오작동 원인 분석

해당 현상에 대한 원인을 그림 2와 같이 크게 네가지로 분류하고 하나씩 점검하는 방식을 통해 오작동 원인식별을 수행하였다. 장전제어기에 입력되는 신호와 노이즈, 장전제어기에서 출력되는 신호와 노이즈를 각각의 시험을 통해 확인하였다. 첫째, 장전제어기에 입력되는 신호의 경우 표 1을 통해 볼 수 있듯 A社 장비와 B社 장비에 따라 현상이 발생하지 않기 때문에 불량의 원인이 아님을 알 수 있다. A社 장비는 전투차량 1호기에서 고저제한 스위치를 5회 입력하게 되면 오작동이 발생하였고, 다음 회차에서는 1회 입력했을 때 바로 오작동이 발생하였다. 둘째, 장전제어기에 입력되는 노이즈의 경우 장전제어기의 하위 구성품목인 EMI 필터, 배선조립체, 회로카드조립체의 노이즈에 의해 발생할 가능성이 있다. 이는 개선 방안에서 자세하게 다룰 예정이다. 셋째, 장전제어기에서 출력되는 신호의 경우 TJ라인을 통해 오실로스코프로 확인한 결과 입력한 신호가 없음에도 돌아오는 신호가 확인되어 추가적인 원인이 발견되었다. 넷째, 장전제어기에서 출력되는 노이즈의 경우 마찬가지로 TJ라인을 통해 오실로스코프로 확인한 결과 노이즈가 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 정리해보면 장전제어기에 입력되는 노이즈와 출력되는 신호로 인한 원인으로 추정되며 각각의 개선방안을 수립하여 해당 현상을 제거되었는지 그 효과성을 확인해볼 필요가 있다.

개선 방안

개선 요소 및 적용 방법

장전제어기의 오작동 원인 중 입력 신호는 그림 2와 같이 제조사별 장착 재현 시험을 통해 A社의 장전제어기만 오작동 발생을 확인함으로써 이상 없음을 확인하였다. 입력 노이즈를 개선하기 위해 다음과 같은 세 가지 개선 방안을 적용하였다. 첫 번째로 EMI 필터를 개선하였다. 기존 EMI 필터의 감쇄율을 향상시켜 외부 간섭을 효과적으로 차단하였다. 구체적으로, EMI 필터에 X-Capacitor, Y-Capacitor를 추가하여 회로 개선을 통해 입출력 신호 감쇄율을 개선하고, 인덕터의 용량 증가를 통해 노이즈 감쇄율을 개선하였다. 둘째, 배선조립체 접지를 보강했다. 기존 9개소의 접지를 견본을 참고하여 12개소로 확대하여 전자기 간섭으로 인한 신호 변화를 최소화하였다. 마지막으로 회로카드조립체를 개선했다. 기판 내 그라운드 보강을 통해 접지면을 증가시켜 신호 안정성을 확보하였다. 구체적으로 회로카드조립체의 하위부품 목록 전수 확인 및 관리항목을 설정하여 연결기 3개소의 접지저항을 보강하였다. 출력 신호는 A社의 장전제어기에서 신호 입력을 하지 않더라도 TJ 라인의 출력 신호가 발생함을 확인하였다. 따라서 개선 후 고장 현상 관련 핀의 신호를 확인하여 이상 여부를 확인하였다. 출력 노이즈는 전자파 시험(MIL-STD-461E)를 수행하여 EMI 및 EMS 특성을 평가, 주변장치 간 전자파간섭 여부를 확인하였다. 장전제어기의 오작동 원인 중 출력 신호를 개선하기 위해서 그림 3과 같이 국방규격과 현품 간 품목 비교와 접지저항의 결합성을 확인하였다.

시험결과

시험은 입력 노이즈 원인분석, 출력 신호 원인분석, 출력 노이즈 원인분석으로 나누어 수행되었다. 입력 노이즈 원인분석은 1차로 Capacitor 추가를 통해 EMI필터 회로 개선의 결과를 부착시험 결과를 통해 재현하였으나 오작동이 발생하였다. 2차로 인덕터 용량 증가를 통해 EMI 필터 용량 개선을 진행한 후 부착시험을 진행하였으나 오작동이 발생하였다. 3차로 배선조립체의 접지를 12개소로 추가하고 회로카드조립체의 접지면을 증가시켜 부착시험을 진행하였으나 오작동이 발생하였다. 4차로 회로카드조립체의 하위부품을 전수 확인 후 연결기 3개소의 접지저항을 기존 6~10Ω을 2.5 mΩ 이하로 보강하여 부착시험을 진행한 결과 더 이상 오작동이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다.

위의 개선품의 출력 신호를 부착시험을 통해 원인분석을 한 결과 40핀으로 구성된 TJ 라인의 출력 신호가 정상임을 확인할 수 있었다.

개선품의 출력 노이즈 원인분석한 결과 표 2와 같이 전자파 시험(MIL-STD-461E) 결과 전 항목에 대하여 규격 만족함을 확인할 수 있었다.

개선 요소인 EMI 필터, 배선조립체, 회로카드조립체의 개별효과를 확인하였을 때 EMI 필터, 배선조립체의 경우 오작동이 발생하기 위한 입력 횟수가 점점 늘어나는 것을 통해 신호의 안정화가 일부 관측이 되었으나 결과적으로 오작동은 발생하였다. 해당 오작동의 핵심 요인으로는 회로카드조립체의 연결기 3종의 접지저항으로 식별되었고, 이를 개선한 경우 오작동이 발생하지 않음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 향후 장전제어기의 설계 시 EMI 필터, 배선조립체, 회로카드조립체의 접지가 중요한 요소임을 확인할 수 있었다.

결론: 제조업 혁신의 새로운 시대

본 기고에서는 전투차량 장전제어기의 간헐적 오작동 문제를 해결하기 위해 다양한 원인 분석과 최적화 방안을 도출하고, 시험을 통해 그 효과를 검증하였다. EMI 필터 개선, 배선장치 접지 보강, 회로카드조립체 개선을 통해 장전제어기의 신뢰성을 향상시킬 수 있음을 확인하였으며, 특히 회로카드조립체의 개선이 오작동 제거에 핵심적인 영향을 미치는 것으로 분석되었다. 향후 연구에서는 회로카드조립체 연결기의 품질 관리 기준 강화, 접지저항 측정 및 기술자료의 보완이 필요하다. 또한, EMI 영향을 실시간으로 모니터링할 수 있는 시스템 도입과 예방적 정비체계 구축을 할 수 있다면 장비의 장기적인 안정성과 운용 효율성을 제고할 수 있을 것으로 기대된다. 이를 통해 전투차량의 장전 시스템의 성능과 신뢰성을 극대화하고, 향후 군의 작전 수행에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.