수출품 155MM 추진장약의 탄두 호환성 검증 사례

서론

155MM 추진장약 HW70은 자주포용 추진장약으로 국내 운용 중인 155MM 추진장약 K676 및 K677 장약을 NATO 기준에 부합하도록 통합 개발한 장약이다. HW70은 모듈형 장약으로, 동일한 장약 구성이라도 탄두 형상과 무게에 따라 발사 성능(탄속, 강내 최대 압력) 등이 달라질 수 있다. 해당 장약은 NATO 표준 탄두인 L17A3를 기준으로 개발되었으나, L17A3는 국내 수급이 제한된다는 한계가 있다. 따라서. 국내 수급이 용이한 K307 탄두를 시험평가에 사용할 수 있도록 호환성 검증을 수행하였다. 검증 결과 K307 탄두를 적용할 경우 L17A3 대비 탄속은 - 0.0m/s, 압력은 + 0,000 psi로 보정값이 산출되었다.

JBMoU의 개념 및 목적

BMoU는 Joint Ballistics Memorandum of Understanding의 약어로, 주요 목적은 탄약의 설계·제조·운용 규격을 표준화하여 여러 국가의 포병시스템이 동일한 탄약을 사용할 수 있도록 상호보완성을 확보하기 위함이다. 추진장약 측면에서는 단순한 치수나 구경의 일치가 아닌 장약의 연소 특성, 모듈화 방식, 환경/안전 평가, 강도평가 등 장약이 발사체 및 포 시스템과 함께 작동할 때 생기는 전반적 거동을 규격화하는 것이 핵심이다. 즉, JBMoU는 “어떤 장약을 어느 포에서 안전하고 예측가능하게 발사할 수 있는가”를 기술적으로 규정하는 합의라고 볼 수 있다. 표 1에 JBMoU 충족을 위한 필수 평가항목을 나타내었다.

155MM 추진장약 HW70이란?

155MM 추진장약 HW70은 NATO 국가 수출을 위해 한화에어로스페이스(주)에서 JBMoU 요구조건 및 NATO 표준 39/52 구경 포신 기준을 충족시킬 수 있도록 자체 개발한 자주포용 추진장약이다. HW70은 국내에 운용되는 K677 장약과 동일한 다기 추진제를 사용하는 모듈형 장약으로 모듈의 개수로 탄두의 사거리와 추진력을 필요에 따라 조절할 수 있다. 표2에 155MM 추진장약의 형상 및 제원을 나타내었다.

155MM 추진장약의 형상 및 제원

형상	제원
	모듈 수	6호
	포구 속도	945 m/s
	적용 화포	K9
	적용 탄두	155MM 자주포용 탄두

표 2. 155MM 추진장약의 형상 및 제원

호환성 검증 탄두 종류

호환성 검증은 HW70 개발에 적용된 NATO L17 탄두를 기준탄두로, 국내에서 운용 중인 K307 탄두의 호환성 및 성능 특성을 검증하였다. 탄두 간 차이점은 크게 형상과 질량으로 구분할 수 있으며, K307의 탄두 길이가 L17 대비 39 mm 짧고, 질량은 2.8 kg 크다. 또한, K307은 탄의 비행 중에 형성되는 탄저 항력을 감소시켜 사거리를 연장하기 위한 항력 감소제를 포함하고 있다. 그림 1에 호환성 검증에 탄두의 형상을 나타내었다.

그림 1. 탄두 형상 (a) L17, (b) K307

강내 탄도학 관점에서 본 탄두-추진장약 호환 특성

강내 탄도학은(Interior Ballistics)은 추진제가 연소해서 생성한 가스압이 탄두를 가속하는 과정에서 나타나는 압력·가속·열·마찰 등의 물리적 상호작용에 관한 것이다. 강내에서 추진제가 점화되면 약립의 표면에서 가스가 발생하여 약실 내의 압력은 급격히 증가한다. 그러나 탄두가 받는 마찰저항이 크기 때문에 약실 내의 압력이 상당히 높아질때까지 탄두는 움직이지 않는다. 탄두가 저항을 이겨내고 움직이기 시작하면 탄두가 이동함으로써 생기는 연소실 체적의 증가보다 더 빨리 추진가스가 생성되므로 추진가스의 압력은 계속 증가하여 최고압력에 도달한다. 그림 2에 탄두의 이동에 따른 강내에서의 압력 및 속도 변화를 나타내었다.

이러한 강내 탄도학적 관점에서 보면 동일한 추진장약이라도 탄두에 따라 내부 탄도 거동이 달라지는 것은 자연스러운 현상이다. 탄두는 포신 내부에서 추진 특성에 관여하는 직접적인 요소로, 질량 및 형상 등의 기계적 특성은 압력형성 및 포구초속 형성 과정 전체에 변화를 유도한다.

가장 직접적인 변화 요인은 탄두 질량이다. 이러한 특성은 뉴턴 2법칙에 기인하며, 식 1로 나타낼 수 있다.

식 1

=탄두 단면적, =압력, =탄두 질량, =포구초속, =강내 탄두 이동거리

위 식과 같이 탄두의 질량이 증가할수록 동일한 압력에서도 가속도는 낮아지고, 탄두의 이동이 지연된다. 이는 곧 챔버 체적 증가 속도를 감소시켜 압력-시간 곡선의 피크 시점과 상승률을 변화시킨다. 결과적으로 탄두의 질량이 증가하면 최대 압력이 커지고, 높은 압력 구간을 길게 유지하는 경향이 발생하며 포구 속도는 낮아지게 된다.

탄두 단면적 또한 추진장약 성능에 영향을 미치는 주요 변수로, 동일한 압력 조건에서도 단면적의 크기에 따라 탄두가 받는 유효 추진력이 달라진다. 단면적이 커질수록 초기 가속력이 증가하지만, 동시에 탄두가 이동하면 증가시키는 챔버 체적 또한 더 빠르게 확장되기 때문에 압력 완화가 빨라지고 압력-시간 곡선의 형상이 변형된다. 반대로 단면적이 작으면 가속은 느리지만 체적 증가가 지연되어 압력이 상대적으로 오래 유지되며, 특정 조합에서는 과압 위험이 커질 수 있다. 이러한 단면적 변화는 포구초속, 최대 압력, 가속 패턴 등 내부 탄도 전체에 영향을 주어 동일 추진장약이라도 탄두 설계에 따라 결과가 일관되지 않게 되는 주요 원인으로 작용한다. 그 외에도 강내 탄도학에 영향을 미치는 탄두 요소로 드라이빙 밴드의 마찰특성, 장전 조건 등이 있으며, 탄두 특성에 따라 추진장약의 성능 특성이 상이하므로 포병 체계에서 강내 탄도 기반의 탄두 호환성 검증은 필수적이라고 볼 수 있다.

호환성 검증 방향

155MM 추진장약 HW70에 대한 탄두 호환성 검증은 NATO 표준 탄두인 L17A3을 기준으로, 국내 운용 탄두인 K307을 적용했을 때의 적합성을 평가하는 방식으로 수행되었다. 호환성 검증은 국내 수락시험과 동일한 기준으로 수행되었으며, 크게 세가지 축을 중심으로 평가되었다.

첫째, 새로운 탄두를 적용했을 때, 압력이 기준치 이내에서 형성되는지 확인하는 내부 탄도 적합성이다. 기준 탄두 대비 개별 최대 압력 및 로트 평균 압력 구배 특성, 차압 발생 여부가 핵심이다. 둘째, 평균 탄속 및 탄속 편차 규격 충족 여부이다. 평균 탄속과 탄속 편차의 규격 충족 여부는 장약의 품질 기준을 분석하는 중요한 요소로 동일 장약이라도 탄두 특성으로 인해 탄속이 저하되거나 편차가 증가하는 사례가 발생할 수 있다. 셋째, 온도 및 환경 조건 검증으로, 상온(21℃) 및 고온(63℃) 조건에서 시험을 수행하여 온도 민감도에 따른 장전, 과도한 화염, 잔사 등 특이사항 발생 여부를 확인하였다. 표 3은 호환성 검증을 위한 시험 조건 및 계측항목을 나타낸 것이다.

호환성 검증 결과

호환성 시험은 상온의 경우 포신 2대를 사용하여 탄두 별 7발 사격하였으며, 고온의 경우 포신 1대를 사용하여 탄두 별 7발 사격하여 평균 탄속 및 편차, 최대 압력, 평균 압력, 압력 편차, 평균 차압, 최대 차압을 평가하였다.

상온 시험 결과 K307과 L17A3의 탄속 차이는 - 0.0 m/s로 K307 탄두 중심 탄속을 000.0 m/s로 설정할 경우 L17A3 탄두에서는 중심 탄속이 000.0 m/s 일 것으로 예상되었으며, K307과 L17A3의 압력 차이는 + 0,000 psi로 K307 탄두 적용 압력 00,000 psi 이하로 설정하면 L17A3의 압력 규격을 만족할 것으로 예상되었다. 해당 시험 결과를 기준으로 상온 시험 시 K307의 호환 가능성을 검토하였을 때, 산출된 약실 평균 압력이 00,000 psi로 K307의 금속 부품시험 압력 범위 내에 해당하고, 기타 장전, 과도한 화염, 잔사 발생, 차압 관련한 특이사항이 미발생하여 호환 적용 가능할 것으로 판단되었다.

고온 시험 결과는 K307과 L17A3의 탄속 차이는 - 0.0 m/s로 K307 탄두 중심 탄속을 000.0 m/s로 설정할 경우 L17A3 탄두에서는 중심 탄속이 000.0 m/s 일 것으로 예상되었으며, K307과 L17A3의 고온 시험 압력 차이는 + 0,000 psi로 K307 탄두 적용 압력 00,000 psi 이하로 설정하면 L17A3의 압력 규격을 만족할 것으로 예상되었다. 다만, K307의 금속 부품시험 최대 압력 기준이 00,000 psi이기 때문에, 고온 시험에서 K307 최대 압력 기준은 00,000 psi 이상 초과하면 안전상 시험이 불가능할 가능성이 있으므로, 고온 시험에서 K307의 최대 압력 규격 기준은 00,000 psi로 설정이 필요함을 확인하였다. 이러한 시험 결과는 강내 탄도학적 관점의 분석과도 동일함을 입증할 수 있다.

결론

해외 수출물량이 증가함에 따라 155mm 추진장약은 더이상 단일 포신과 제한된 탄두 조합에만 국한되지 않고, 국가별로 상이한 포신 길이, 챔버 체적, 탄두의 형상과 질량 등 다양한 조건에서 운용되고 있다. 이러한 다양성은 이번 실사례 검증에서도 확인되었듯이, 장약 자체의 품질만으로는 예측할 수 없는 새로운 변수를 만들어낸다. 동일한 장약이라도 탄두의 내부 탄도적 특성이나 포신의 마찰·체적·강도 조건에 따라 압력, 탄속, 사거리 특성이 크게 달라질 수 있기 때문이다.

따라서 방위산업의 수출 확대 환경에서 가장 중요한 품질 활동은 호환성 검증 기준의 체계적 확립과 신뢰 가능한 데이터의 지속적 축적이다. 포신과 탄두 구성에 따라 장약이 어떤 방식으로 반응하는지, 어떤 조합에서 위험요인이 증가하는지, 그리고 어느 범위까지가 안전 운용의 허용 구간인지 명확히 규정할 수 있다면, 이는 장약의 성능과 안전성을 과학적으로 보증할 수 있는 근거가 된다. 나아가 이러한 데이터 기반의 품질보증 체계는 수입국의 신뢰를 확보하고, K-방산이 글로벌 시장에서 지속적으로 경쟁력을 강화하는 데 중요한 기반이 될 것으로 판단된다.