유도탄고속함 함포 근접신관마비장치 마비율 시험결과 분석

서론

대한민국 해군은 고속정, 구축함, 상륙함(LSTⅡ, Landing Ship Tank Ⅱ), 유도탄고속함(PKG, Patrol Killer Guided-missile) 등 다양한 함정을 활용하여 해상통제, 해군력 시현, 전략적 억제 등의 임무를 수행하고 있다[1]. 해군 함정 중 PKG함은 노후화된 기존 고속정을 대체하기 위해 생존성과 화력을 증대하여 2008년 1번 함이 취역하였다. PKG함은 만재배수량이 570톤급이며, 최고속도는 40노트(74km/h)이다. 탑재 무장은 76mm, 40mm 함포가 있으며 한국형 함대 미사일 해성을 탑재하고 있다[2]. PKG함은 그림 1과 같이 연안 방어의 임무 특성상 대공·대함전을 수행할 경우가 많아 대공·대함전 응전 능력이 중요하다[3].

PKG함의 대공·대함전 응전을 위해 해군은 여러 수단 중 성형파편탄(PFF, Pre-Formed Fragmentation)을 채택하여 사용하고 있다. PFF탄이란 탄두 내부에 균일한 파편을 만들어 대공 표적에 근접한 경우 폭발하고, 폭발 시 파편이 발산되어 표적에 대한 파괴 범위를 극대화하도록 설계된 탄약이다. 또한, PFF탄으로 대함 표적을 목표로 하는 경우 PFF탄은 근접신관마비장치를 통해 내부 회로를 변경해 함대 표면의 철갑을 뚫고 내부에서 폭발할 수 있도록 기능한다.

PKG함의 상황에 따른 대응을 위해 PFF탄의 근접신관마비장치의 정상 작동 여부는 교전 결과를 좌우하는 결정적 변수로 작용한다. 근접신관마비장치의 마비율이 저조하다는 ’17년 군의 자체실험 결과가 제시되어 해당 무기체계의 운용 신뢰성에 대한 문제가 제기되었다. 이는 단순 품질문제를 넘어 전투 준비태세 전반에 영향을 줄 수 있는 사안으로 객관적이고 체계적인 검증이 요구되었다. 이에 국방기술품질원은 군, 관계기관, 제작업체 협조를 받아 PKG함 2척, LSTⅡ함 1척에서 3차례에 걸쳐 883발의 PFF탄을 실사격하여 PFF탄과 근접신관마비장치의 기능적 정합성을 정량적으로 검증하였다. 본 기고는 해당 시험의 배경, 수행과정, 분석 결과를 통해 제기된 문제의 실체를 규명하고자 한다.

PFF탄 및 근접신관마비장치 작동구조

PFF탄은 다기능 신관(Multi Option Fuse)으로 자폭·충격·근접 3가지 기능이 있다. 자폭 기능은 목표물 명중 실패 시 아군 지역에서 폭발을 방지하기 위한 안전기능이다. 충격 기능은 목표물을 직접 타격 및 폭발하여 적 무기체계의 무력화를 위한 기능이다. 근접기능은 목표물에 직접 닿지 않고 근거리에서 폭발하여 탄의 파편으로 적 무기체계를 무력화하는 기능이다. PFF탄은 신관 작동준비 완료 시 자폭·충격·근접기능이 모두 활성화되고, 목표물에 따라 근접신관마비장치를 통해 PFF탄의 기능을 조절한다. 그림 2는 PKG함 함포 내 근접신관마비장치의 형태이다. 탄 이송 중에 PFF탄이 근접신관마비장치를 통과한다. 이때 PFF탄이 근접신관마비장치의 샤시, 접지, 접촉레일에 3점 접촉하면 DC 전압에 의해 신관 활성화 시에도 자폭·근접기능이 마비되어 충격 기능으로만 작동한다.

PFF탄 마비율 저조 현상

17년도 1~4월 해군이 PKG함 함포에서 3회에 걸쳐 사격 시험한 결과 연발 사격 시 PFF탄의 마비율은 약 00.0%로 확인하였다. 이에 해군은 국방기술품질원으로 낮은 마비율에 대해 성능 확인 요청을 진행하였으며, 같은 해 5월 국방기술품질원 주관 장전시험 결과 마비율 84.3%인 것을 확인하였다. 표 1은 시험 회차별 PFF탄의 마비율을 나타낸 표이다. 국방기술품질원은 해군주관 사격시험과 기관주관 장전시험의 마비율 차이를 규명하기 위해 추가 사격시험의 필요성을 인지하였으며, 저조한 마비율이 사실인 경우를 대비하여 이후 해군과 국방기술품질원과의 별도 품질협의체를 통해 개선방안을 구체화하였다.

PFF탄 마비율 저조 현상 개선방안

함포 근접신관마비장치 작동 구조상 단발 대비 연발 사격에서 신관과 접촉 레일의 접촉시간이 짧다. 단발 사격은 격발 대기시간이 전부 접촉 레일과 PFF탄의 접촉시간이 되어 자폭·근접기능 회로의 마비 시간을 충분히 확보할 수 있다. 반면에 연발 사격의 경우 장전, 이송, 송탄 과정을 고려하면 발사 속도 미만의 회로 마비 시간이 주어질 수밖에 없다. 따라서 자폭·근접기능 회로 마비 시간 측면에서는 연발 사격이 단발 사격 대비 악조건으로 볼 수 있다. 연발 사격 기준으로 짧은 접촉시간과 기타 요인으로 인해 신관의 근접기능 회로 변경에 필요한 에너지가 부족한 경우 신관 마비율이 저조할 수 있다. 현 구조 내에서 효과적인 개선을 위해 접촉 레일과 접촉 레버의 재질변경으로 저항을 낮추고, DC 전압을 높여 자폭·근접기능 회로 마비에 필요한 에너지를 충분히 제공할 수 있도록 개선방안을 선정하였다. 개선방안(재질변경/전압상승)의 상세 내용은 표 2와 같이 접촉 레일과 접촉 레버의 재질변경을 통해 저항을 0.015Ω 감소시키는 방안과 연동 부품에 과부하를 최소화할 수 있도록 전원공급기의 기존 전압에서 2V 승압하는 개선방안을 선정하였다. 각각의 개선방안을 적용하는 방안과 동시에 적용하는 방안은 실사격을 통해 검증하기로 하였다.

PFF탄 마비율 확인시험 조건

PFF탄 마비율 확인 시험계획 변수 조건 선정

이 시험의 목적은 17년도 저조한 PFF탄 마비율 데이터 검증과 각 개선방안의 개별 및 동시 적용의 효과성을 확인하는 것이 최우선과제이다. 만약 17년도 시험결과가 PKG함 함포의 일반적인 상태라면 원상태와 전압상승/재질변경 적용을 비교하여 개선품 효과를 확인하는 것이 차선 과제이다. 시험의 변수 조건은 표 3과 같이 PFF탄 LOT, 개선방안 적용 여부, 발사 간격, 함 종류로 설정하였으며, 그 외의 조건은 상수 조건으로 설정하였다. PFF탄 LOT의 경우 17년도에 사용한 탄은 ASRP(저장탄약신뢰성평가, Ammunition Stockpile Reliability Program) 등급이 상대적으로 낮아 탄의 영향성을 배제하기 위해 23년도 ASRP 등급이 높은 LOT로 선정하여 1, 2차 시험을 수행하는 것으로 계획하였다. 3차 시험의 경우 17년도와 23년도 LOT의 영향성 확인을 위해 원상태의 조건으로 시험하는 것으로 계획하였다. 개선방안 적용과 발사 간격은 함포 내 구조적 영향성을 알기 위해 변수 조건으로 선정하였고, 함포 외 함정 고유조건에 의한 차이를 파악하기 위해 PKG함 외 LSTⅡ함에서 동종의 함포로 시험하기로 하였다. 함포 간의 차이를 배제하기 위해 사격 전 장전검사와 운용자교범 내 장비 점검절차를 준수하여 사전 점검을 완료하였다.

PFF탄 마비율 확인시험 계획 세부 내용

사격시험은 표 3과 같이 원상태, 전압상승/재질변경 동시 적용, 전압상승 적용, 재질변경 적용, 원상태로 PFF탄 17/23년도 LOT 각각 사용하는 6개 조건의 시험을 계획하였다. 사격 발수는 각 조건을 55발(단발)/104발(연발) 사격하며, 개선방안 개별 적용의 경우 영향성 파악이 목적이므로 탄의 효율적 사용을 위해 25발(단발)/40발(연발) 사격으로 계획하였다. 다만 원상태와 개선방안 동시 적용 조건의 마비율 차이가 10%p 미만일 경우 개선방안 개별 영향성은 무의미하므로 개선방안 개별 적용 조건 시험을 생략하는 것으로 계획하였다. 1차 시험은 함대의 전원 계통의 용량 차이가 마비율에 영향을 미치는지 확인하기 위해 LSTⅡ함에서 원상태와 개선방안을 적용하여 마비율을 확인하였다. 2차 시험은 함대의 사용연도가 마비율에 영향을 미치는지 확인하기 위해 가장 오래된 PKG함에서 원상태와 개선방안을 적용하고 1차 시험과 비교할 것이다. 3차 시험은 탄의 생산연도 영향성을 확인하기 위해 17년도에 사격한 동일 PKG함에서 동일로트(17년도 LOT)와 23년도 LOT(1, 2차 시험 LOT) PFF탄을 사용하여 1, 2차 시험결과와 비교할 것이다.

관측 및 자폭·근접기능 마비판정

그림 3은 PFF탄의 강외 탄도 구간을 구분한 그림이다. 그림에서 볼 수 있듯이 시험 시 PKG·LSTⅡ 내 함포, 타겟, 관측함 2대를 동원한다. 먼저 함포에서 출발한 PFF탄은 아군의 피해를 줄이기 위해 안전구간이 설정되어 있고 안전구간 내 폭발은 탄의 불량을 의미한다. 안전구간을 지나면 탄의 자폭·근접·충격 기능이 모두 활성화되고 근접신관마비장치에 의해 자폭·근접기능의 마비 여부에 따라 탄도가 달라진다. 먼저 PFF탄이 근접신관마비장치에 의해 마비된 경우 자폭·근접기능의 회로는 DC 전압에 의해 마비되고 탄은 타겟에 도달하여 관측함 2가 관측한다. 만약 근접신관마비장치를 활성화하였으나 자폭·근접기능의 마비에 필요한 에너지가 충분하지 못한 경우 자폭·근접기능은 여전히 활성화되어 자폭 작동구간 내 폭발하게 되고 이때 관측함 1에서 관측할 수 있다. 따라서 관측함 1의 관측구간인 자폭 작동구간에서 관측될 경우 PFF탄 마비 불량으로 판단하고, 관측함 2의 관측구간인 타겟에서 관측될 경우 정상 마비로 판단하였다.

PFF탄 마비율 확인시험 결과

1차 시험결과

1차 시험의 PFF탄 근접신관마비장치 마비율은 99.6%로 총 250발 사격 중 1발이 자폭하는 것을 관측하였다. 1차 시험은 표 4의 PFF탄 마비율 확인시험 회차별 계획에 따라 LSTⅡ함에서 원상태와 개선품의 단발/연발 시험을 진행하였다. 표 5와 같이 원상태 단발 사격은 총 50발 중 자폭 0발로 마비율 100%로 관측하였다. 다음으로 원상태 연발 사격은 총 91발 사격 중 자폭 0발로 단발과 마찬가지로 마비율 100%로 관측하였다. 다음 시험은 개선품 단발 사격이나 원상태 단발 사격 마비율 90% 이상으로 관측되어 탄약의 효율적인 사용을 위해 개선품 단발 사격은 생략하였다. 마지막으로 개선품 연발 사격은 109발 중 자폭 1발로 마비율 99%로 관측하였다. 이후 계획된 시험은 원상태의 마비율이 높고 개선품과 유의미한 차이가 발견되지 않아 개선방안 개별 적용 사격시험은 생략하였다.

2차 시험결과

2차 시험의 PFF탄 근접신관마비장치 마비율은 97.1%로 총 245발 사격 중 7발이 자폭하는 것을 관측하였다. 2차 시험은 1차 시험과 마찬가지로 표 4의 PFF탄 마비율 확인시험 회차별 계획에 따라 가장 오래된 PKG함에서 원상태와 개선품의 단발/연발 시험을 진행하였다. 표 6과 같이 원상태 단발 사격은 총 50발 중 자폭 2발로 마비율 96%로 관측하였다. 다음으로 원상태 연발 사격은 총 99발 사격 중 자폭 4발로 마비율 96%로 관측하였다. 다음 시험은 개선품 단발 사격이나 원상태 단발 사격 마비율 90% 이상으로 관측되어 탄약의 효율적인 사용을 위해 개선품 단발 사격은 생략하였다. 마지막으로 개선품 연발 사격은 96발 중 자폭 1발로 마비율 99%로 관측하였다. 이후 계획된 시험은 원상태의 마비율이 높고 개선품과 유의미한 차이가 발견되지 않아 개선방안 개별 적용 사격시험은 생략하였다.

3차 시험결과

3차 시험의 PFF탄 근접신관마비장치 마비율은 91.1%로 총 338발 사격 중 30발이 자폭하는 것을 관측하였다. 3차 시험은 1, 2차 시험과 달리 원상태·개선품의 마비율 확인이 아닌 탄약 LOT별 마비율 영향성을 보기 위한 시험이었다. 따라서 3차 시험은 17년도 PFF탄의 저조한 마비율이 발생했던 PKG함에서 원상태로 17/23년도 PFF탄 LOT로 단발/연발 시험을 진행하였다. 표 7과 같이 단발 사격의 경우 17년 LOT 원상태 사격은 총 50발 중 자폭 4발로 마비율 92%, 23년 LOT 원상태 사격은 총 50발 사격 중 자폭 9발로 마비율 82%로 관측하였다. 다음 시험은 연발 사격으로 17년도 LOT 원상태 사격은 총 120발 중 자폭 10발로 마비율 92%, 23년 LOT 원상태 사격은 총 118발 중 자폭 7발로 마비율 94%로 관측하였다.

결론 및 고찰

17년도 PFF탄의 마비율 약 00.0%가 사실일 경우 해당 무기체계를 탑재한 함대는 작전 운용이 제한될 소지가 있어 반드시 검증이 필요하였다. 1~3차 사격시험 결과 단발 사격은 총 200발 중 15발이 폭발하여 평균 마비율 92.5%, 연발 사격은 총 633발 중 23발이 폭발하여 평균 마비율 약 96.4%로 근접신관마비장치의 성능은 이상 없으며 개선품 적용이 불필요한 것으로 판단하였다. 1, 2차 시험으로 함대 차이(LSTⅡ·PKG), 발사 간격(단발/연발), 개선품 적용 여부를 변수 조건으로 시험하였으나 17년도 저조한 마비율에 비해 24년도 1, 2차 시험 마비율(약 98.4%)이 현격히 높은 것을 확인하였다.

17/24년도 마비율 차이의 이유를 명확히 확인하기 위해 17년도 마비율 시험 대상인 동일 PKG함에서 당시 사용하였던 17년도 LOT PFF탄과 23년도 LOT PFF탄을 사용하여 3차 사격시험을 하였으나 17/23년도 LOT PFF탄 역시 마비율 90% 이상으로 17년도 당시 저조한 마비율과 상당한 차이를 보였다. 24년까지 기품원 주관으로 변수와 상수 조건을 통제하며 1~3차 사격시험을 진행한 결과 마비율은 90% 수준으로 유사한 결과를 볼 수 있었다. 반면에 17년도 군에서 진행한 사격시험은 연발, PKG함 조건에서 마비율 약 00.0% 외 관측방법, 불량 판정 기준 등 상세 시험 조건을 알 수 없었다. 17/24년도 마비율 확인시험의 마비율 차이의 원인은 시험방법 미흡, 탄 불량의 원인이 있을 수 있으나 탄 불량으로 보기에는 마비율 차이가 현격하여 시험방법의 미흡으로 판단하였다. 17년도 시험방법에 대해 상세히 알 수는 없으나 변인 통제 수준으로 보았을 때 24년도 마비율 확인시험의 신뢰도가 높을 것이 예상되어 최종적으로 신관마비장치 개선품 적용은 불필요한 것으로 결정하였다. 이 검증을 위해 군·관계기관·제작업체 인력 및 PFF탄 883발과 상당한 시간이 소요되었다. 이번 시험을 통해 적절한 시험계획 수립의 중요성을 다시 한번 확인할 수 있었다.