동역학적 해석을 통한 소구경 화기의 회전운동 최소화 방안 연구

Abstract

본 연구의 목적은 k-2소총의 동역학적 해석과정을 통하여 총이 시간에 따라 어떠한 움직임(회전운동)을 가질 것 인지 예측하고, 총의 움직임에 영향을 미치는 설계 요소를 확인하여 화기의 연구개발에 기여하기 위한 것이다. 이와 관련하여 일과 에너지의 원리와 충격량과 운동량의 원리를 이용하여 강내탄도 과정의 동역학적 특성을 확인하였고, 총알에 대한 운동방정식을 유도하여 시간에 대한 총알의 힘과 모멘트를 계산하였다. 총이 시간에 대하여 받는 힘과 모멘트 값을 가지고 회전운동방정식을 세워서 MATLAB을 이용하여 해석을 하였으며, 시간에 따라 총이 어떤 움직임(오일러 각, 각속도)을 보일 것인지 나타내었다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다. 1) K-2소총의 운동에너지 이용도는 병진운동에 90.53%, 회전운동에 1.97%, 마찰력에 의한 에너지의 손실이 7.5%를 차지한다. 2) 강선이 총알의 추진력 감소에 미치는 영향은 0.006118%이다. 3) 시간에 대한 총의 각속도는 X방향 최대 0.3987rad/s, Y방향 최대 0.8704rad/s의 값을 가지며 Z방향의 값은 0에 가깝다. 4) 무게중심을 33% 증가 시에는 오일러 각은 최대 33.59% 증가, 각속도는 32.93%가 증가하였고, 무게중심을 33% 감소 시에는 오일러 각은 최대 33.71% 감소, 각속도는 33.54% 감소하였다. 5) 압력을 10% 증가 시에는 오일러 각은 최대 9.67% 증가, 각속도는 최대 9.68% 증가하였다. 해석결과로부터 설계 시 기하학적 요소를 고려하여 무게중심을 줄이는 것이 필요함을 제안하였고, 압력을 과도히 높이는 경우 오일러 각과 각속도 증가로 명중률 저하가 우려되기 때문에 압력을 높여서 얻어지는 효과와 손실 모두 고려하여 최적 값을 결정할 것을 제안하였다. 주요단어 : 강내탄도(Interior ballistic), 강선(Rifling), 병진운동과 회전운동(Translational Motion and Rotational Motion), 일과 에너지의 원리(Principles of work and energy), 각속도(Angular velocity), 오일러 각(Euler angle), 오일러 운동 방정식(Euler's equations of motion)