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방탄물자 신뢰성 평가 적기 수행 및 업무 확장으로 군 전력 발전에 기여

우주항공-방산분야 협력 강화 도모

군수품 기술연구·품질연구·기관경영 발전 기여

화생방장비와 물자는 제품 생산 시점에서부터 사용 시점에 이르기까지 일정 환경 조건에서 저장된다. 이때 시간 경과에 따라 지속적인 노화가 진행되어 물성 및 성능 저하가 발생한다. 즉, 제품이 제조될 당시에는 규격을 만족하는 제품일지라도, 일정 기간이 지난 후에는 이화학적 물성이 저하되어 사용자의 요구를 충족하지 못할 수 있다. 특히, 치장물자는 특성상 일정 기간의 저장수명(shelf-life)을 요구하므로, 저장된 제품의 품질을 어떻게 보증할 것인지, 순환주기를 어떻게 설정할 것인지가 매우 중요하다. 이를 해결하기 위하여 국방기술품질원은 2006년부터 저장 화생방장비·물자 신뢰성평가(CSRP, Chemical Materiels Stockpile Reliability Program)를 수행하여, 평가 기간이 도래하는 시점에 시효 연장 여부를 결정하고 있다. 또한, 저장수명이 종료되는 연도부터 시작하는 기술시험 데이터도 축적하고 있다. 이번 글에서는 화생방장비와 물자의 저장수명을 예측하기 위한 가속 수명시험 절차를 소개하고, CSRP 데이터를 활용할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.

최근 저녁 뉴스에서 빠지지 않고 다뤄지는 소재 중 하나가 ‘안전’ 그리고 코로나19와 같은 ‘감염병(보건)’이다. 특히, 올해 1월 27일 ‘중대재해처벌법’ 시행과 코로나19로 인한 팬데믹 상황을 기점으로 안전과 보건에 대한 사회적 관심이 더욱 커졌다. 우리 원에서도 이러한 사회적 변화에 따라 모든 종사자의 안전을 확보하고 건강을 지키기 위한 조직인 ‘안전보건팀’을 올해 1월 신설하여 운영하고 있다. 본 기고문에서는 안전보건 분야 정책 환경 변화와 안전보건팀의 주요 업무를 소개하고자 한다.

4차산업혁명에 따른 과학기술의 발전과 연계하여 품질관리 분야에서도 새로운 패러다임이 요구되면서 이 시대에 필요한 품질 개념으로 ‘품질 4.0’이 주목받고 있다. ‘품질 4.0’은 품질관리에 4차산업혁명 기술을 적용함으로써 향상된 의사결정을 지원하는 품질 패러다임으로서, 이를 달성하기 위한 수단으로 데이터 획득과 분석이 그 중 핵심으로 제시되고 있다. 기품원은 이러한 품질 패러다임 전환에 능동적으로 대응하기 위해 최근 미래품질관리 전략을 수립하였으며, ‘국방품질 빅데이터 구축’을 전략과제로 선정하여 장기적으로 ‘품질 4.0’을 달성해 나갈 예정이다. 군수품 품질관리의 혁신적인 변화가 필요한 지금, 품질 데이터 분석 기반을 마련하고 활용하기 위한 준비가 시급하다.

기품원은 2006년도부터 저장수명이 도래하는 화생방장비와 물자의 시효연장을 판정하기 위하여 저장 화생방장비·물자 신뢰성평가(Chemical Materiel Stockpile Reliability Program, 이하 CSRP)를 수행하고 있다. CSRP의 신뢰성 평가를 위하여 저장수명이 종료되는 연도부터 신뢰성 시험을 시작하므로 시험결과를 데이터로 축적하고 있다. CSRP 시험결과는 화생방장비와 물자가 시간 경과에 따라 지속적인 노화가 진행되어 물성 및 성능 저하가 발현되는 자연노화를 분석할 수 있는 실제 자료이다. 가속수명시험은 사용조건보다 가혹한 일정 스트레스 조건에서의 시험데이터들을 분석하여 수명-스트레스 관계식을 추정하고, 이로부터 사용조건의 수명을 추정하기 위한 시험이다. 가속수명시험은 사용조건에서의 수명을 짧은 시간에 추정할 수 있는 장점이 있지만, 적절하지 않은 평가항목과 스트레스 수준 등을 적용하면 잘못된 결론을 초래할 수 있어 검증이 필요하다. 화생방장비와 물자에 많이 사용되는 부틸 고무에 대한 가속수명시험 결과를 자연 노화된 제품의 CSRP 데이터를 이용하여 분석한 결과를 사례로 소개한다.

국방기술품질원 국방종합시험센터는 다양한 탄약을 대상으로 ASRP(Ammunition Stockpile Reliability Program)를 통해 성능을 평가하고 있다. 하지만, ASRP 대상 품목 중 고폭탄의 사격시험 시 비정상 폭발과 같은 안전 사고로 인해 큰 인명피해 또는 재산피해가 발생할 수 있다. 이러한 고폭탄의 폭발 위험을 사전에 파악하는 것은 안전 사고를 예방하기 위한 기초 과정이다. 본 기고문에서는 고폭탄이 비정상 폭발할 경우 발생하는 폭발압력, 충격량 및 파편이 주위에 위치한 사람과 구조물에 미치는 영향을 파악하였다.

탄약 추진제는 총・포탄을 목적지까지 비행할 수 있도록 추진력을 제공하는 역할을 하며, 장비의 사용 시까지 장기간 저장되는 특성이 있다. 추진제의 주원료인 NC(Nitrocellulose), NG(Nitroglycerine, NGu(Nitroguanidine) 등은 질산염(NO3-) 화합물로서 제조 후 온도, 습도 등과 같은 환경요인에 의해 자연분해 된다. 특히, 보관 시 높은 온도나 산성 조건이 되면, 산화질소 가스가 발생하고 자연분해가 가속되어 발화의 원인이 될 수 있다. 따라서, 추진제의 분해 반응속도를 늦추기 위하여 안정제를 소량 추가하고 있다. 탄약 추진제의 신뢰성 평가는 저장 기간에 따른 추진제의 자연분해로 감소 되는 안정제 함량을 분석하여 결정하는 것이 가장 상용화된 방법이며, 선진국에서는 안정제 감량, 열 발생, 산화질소 발생 및 무게 감량 등의 다양한 방법으로 분석하고 있다. 따라서, 다양한 안정제 함량 시험규격들을 조사하여 평가 요소별로 구분하여 4개의 카테고리로 분류하였다. 추가로, 추진제의 저장수명 예측에 사용되는 시간에 따른 안정제 함량 감소를 추정하기 위한 수명예측 모델을 소개하고자 한다.

전순기 신뢰성 관리의 하나로 수명이 도래한 탄약의 신뢰성을 확인하는 저장탄약신뢰성평가(ASRP)를 수행하였고, 생산 15년차의 OO로켓탄 추진기관의 온도반복시험에서 균열이 발견되었다. 균열 원인분석 및 계속 사용 가능 여부 확인을 위해 현재 상태 확인시험, 국내외 OO로켓탄 비교분석시험, 절단시험 등을 추가 수행하였고, 특성요인도 분석을 통해 26가지 균열원인 가능 인자 중 5가지 주요 원인을 식별하였으며, 고장 메커니즘을 분석한 결과, 추진제와 응력완화 인서트의 이형성 미확보가 핵심 원인인 것으로 확인되었다. 이에 따른 후속 조치로 OO로켓탄과 유사한 구조로 설계된 □□로켓탄 제조공정의 적용 가능성과 체계 영향성 검토 후 이형제 도포 공정을 추가하였고 이에 따라 □□로켓탄 추진기관의 실제 수명이 기존대비 최소 11년 이상 연장될 것으로 기대된다.