2.1 폭발효과 및 하중 분류

충격파는 폭발원점 위치에 따라 구조물에 작용하는 폭발파의 특성이 달라진다. 폭발에 의해 방출되는 에너지는 매우 높은 온도의 가스로 변환되어 압력 선단이 강한 충격파로 주변 대기 중으로 전파된다. 비 구속 상태에서의 폭굉(Detonation)에 의한 충격파가 초음속으로 주변 대기 중으로 이동하는데, 미 국방성의 통합시설 기준 UFC (Unified Facilities Criteria)에서 제시하는 폭발 압력에 대한 시간 이력 곡선은 아래 Fig. 1과 같다.

폭발파의 도달 전 압력은 대기압(Po)상태에서 최대입사압력(Ps, peak overpressure)으로 빠르게 증가하며, 음압(negative pressure)으로 감소하였다가 대기압(Po)으로 복구되는 경향을 보인다. 폭연(deflagration)의 경우, 압력은 시간에 따라 서서히 증가하여 최대값은 폭굉(detonation)에 의한 압력보다 상당히 낮게 나타난다. 이때 발생하는 최대입사압력, 임펄스 그리고 작용 시간(T, duration of positive pressure)은 방호구조물 설계에 유효하게 적용되는 인자이다.

폭발 하중은 Table 2와 같이 폭발물의 구속 여부에 따라 구속폭발(confined explosion)과 비 구속 폭발(unconfined explosion)로 구분할 수 있으며, 구조물의 형태, 폭발 거리 등에 의해 세부적으로 나눌 수 있다.

탄약 시험장에서는 지면과 약 1 m 높이 사격 마운트에 탄약을 장전 또는 거치하여 사격함으로써, 지표면과 근접하여 폭발 하중을 형성한다. 따라서 Fig. 2와 같이 지면 폭발로 구분할 수 있으며, 사격 후 발생하는 충격파는 초기 위치에서부터 입사파와 반사파가 중첩되어 형성된다. 이러한 지면 폭발의 특성은 공중폭발보다 더 큰 폭발 하중이 전달된다.

Fig. 1. Pressure-Time Variation in Free Space Explosion (UFC 3-340-02)

Fig. 2. Ground Explosion (UFC3-340-02)

3.1 연구 대상 시설

탄약 시험장은 아래 Fig. 3과 같이 배치되어 있으며 2014년도에 완공되었다. 화포 시험 진지에서는 곡사포와 전차 탄약의 사격 시험을 진행하는데 250 m 떨어진 거리에 있는 종말탄도실 내부로 발사하여 성능평가를 수행하고 있다. 방탄 시험장은 콘크리트 건물의 실내시험장으로써 화포 시험 진지에서 약 50 m 떨어진 거리에 있으며 지상연소시험장은 약 80 m에 떨어져 있다. 이처럼 155 mm 곡사포 탄약이 비행하는 사선에 각종 시험 시설물이 노출되어 위험성이 매우 높다.

Fig. 3. Ammunition Test Site Facility Location

3.2 화포 사격 시 충격파 특성 분석

화포 시험 간 발생하는 폭발 압력의 형성 과정은 3단계 구성되며, 첫째로는 공기 분출로 발생하는 충격파(shock wave)가 형성되며, 둘째로는 포탄 이탈로 발생하는 탄자 파열파(Projectile burst shock wave), 셋째로는 포탄 이탈 후 추진 가스의 분출로 인해 발생 되는 폭풍파(Propellant shock wave)이다. 충격파 경계를 둘러싸고 원형으로 형성되는 것이 가스 기둥이며 내부에는 배럴 충격파(Barrel shock)와 마하 효과(Mach effect)가 존재한다^{(Lee and Hong, 2016)}. 다음 Fig. 4와 같이 화포 사격 시 발생하는 충격파를 도식화하였다.

Fig. 4. Cannon Fire Shockwave Characteristics

3.2.1 화포 사격 시 소음측정 실험

화포 사격 시 소음 수준을 확인하기 위해 아래 Fig. 5와 같이 실험을 설계하였으며 측정 결과는 Table 3과 같다. 실험에 사용된 화기는 155 mm 곡사포이며 탄약은 M119 계열 추진장약을 사용하였다.

Table 3. Noise Measurement Result

Measuring position	Measurement result		Distance conversion (building location)
	distance (m)	Peak (db)	distance	distance attenuation (db)	Peak (db)
N-1	19.5	169.0	19.5 m	0	169.0
N-2	19.5	175.8	–	–	–
N-3	19.5	171.2	12.8 m	+3.7	174.9
N-4	19.5	170.5	26.6 m	-2.7	167.8
N-5 (G.T)	40.0	163.5	100 m	-8	155.5

* Attenuating the distance of the point sound source: db = SPL (measurement) - 20 log [Separation distance/Measurement distance]

소음 데이터의 분포를 보면 약 160 db 이상의 수치가 계측되었으며, 시험진지 후방(N-2)의 경우 175.8 db의 가장 큰 수치를 보였다. 일반적으로 충격파에 의한 소음은 포구 측방에서의 소음의 크기가 높으나, 시험진지 상부 구조물(덮개)에 의해 충격 소음이 반사되어 오히려 후방 지역의 소음이 높게 측정된 것으로 사료 된다. 연소시험장 입구까지는 163.5 db의 크기를 보였으며, 연소시험장에서의 소음은 약 155.5 db의 수치를 가진다. 소음ㆍ진동관리법의 소음 규제 기준에서 제시하는 공사장 발파작업 최대치는 80 db이며, 이보다 2배 이상의 소음이 발생하고 있다.

Fig. 5. Noise Measurement Location

3.2.2 화포 사격 시 진동 측정 실험

화포 진지와 근접한 건축물의 진동 측정을 위해 아래 Fig. 6과 같은 위치에 진동 센서를 설치하였으며, 측정 결과는 Table 4와 같다. 측정 데이터 분포를 살펴보면, 진지 후방에 있는 시험통제실 1층과 환경처리동 벽면이 진동 기준(국도공사 전문시방서 3.3 발파계획) 대비 초과하는 것을 알 수 있다. 특히 환경처리동(V-3)의 경우 포구와 가장 근접하여 있어 기준 수치에 2배에 달하는 측정 결과가 확인되었다. 이에 따라 진동 저감을 위한 방호구조물 적용이 요구된다.

Fig. 6. Vibration Measurement Position

Table 4. Vibration Measurement Result

Measuring position	vibration speed (cm/s)			vibration standard	against the standard
	X	Y	Z
V-1	0.45	4.61	1.04	1.0 ~ 4.0 (cm/s)	Excess
V-2	0.53	0.88	0.95		satisfied
V-3	-	9.11	0.97		Excess
V-4	-	2.65	0.31		satisfied

3.3 추진기관 연소시험 충격파 특성 분석

추진기관의 충격파는 점화 직후 추진제의 고온 연소생성물이 노즐을 통해 공기 중으로 팽창, 방출되면서 발생한다. 연소시험 시 발생하는 배기 화염(Exhaust plume)은 다양한 위험 요소를 가지고 있는데 연소 초기에는 충격파와 점화기에 의한 파편이 형성되며 연소 중에는 적외선, 가시광선 등의 복사기파를 방출하고, 유독성 연소가스를 생성한다. 배기 화염의 형태는 대기 온도, 습도, 구조물 위치 등 주변 환경에 따라 특성이 현저히 달라지며, 매우 복잡한 형태의 충격파가 발생한다. 또한 지반과 구조물 충격에 의한 반사압의 형태로 압력의 세기가 증폭된다.

추진기관 노즐과 가까운 배기 화염 구간은 비점성 특성을 가지며, 배기 화염 코어를 중심으로 둘러싼 충격파가 발생 된다. 이후 화염 후면에서는 아음속 유동으로 바뀌고 마하 디스크 밖에서는 초음속 유동이 지속되며 충격파는 지면과 충격 되며, 마하 효과(Mach Stem Effect)가 연소 중 지속 발생 된다. 추진기관의 배기 화염 중심온도는 1,200 ℃ ~ 2,800 ℃ 정도의 특성^{(Dash, 1993)}을 가지며 방호구조물 배치 전 폭발열에 의한 구조 영향성 검토가 요구된다. Fig. 7은 추진기관의 초기 배기 화염의 단면 구조를 나타내었다.

Fig. 7. Exhaust Flame Structure (Davenas (ed), Solid Roket Pergamon Press)

3.3.1 추진기관 연소시험 충격파 계측실험

로켓 추진기관 지상연소시험에서 발생하는 충격파를 계측하기 위해 아래 Fig. 8과 같이 실험을 설계하였다. 추진기관의 노즐 끝단 약 8 m 지점에 폭발압력 센서를 사용하고, 열 영상 카메라(thermal imaging camera) 촬영을 통해 배기 화염의 거동과 온도분포를 확인하였다. Data 취득을 위해 200∼500kHz의 높은 샘플링 속도로 신호들을 수집할 수 있는 Dewetron사의 계측시스템을 통해 데이터를 확보하였으며 영상 계측 장비는 초당 5,000 frame 촬영이 가능한 초고속 카메라를 설치하였다.

순간적인 충격파가 발생하는 화포 사격 실험과 다르게 지상연소시험의 폭발압력과 배기 화염이 지속해서 발생함에 따라 주변 대기 온도가 급격하게 상승하였다. 이에 따라 배기 화염 후방에 설치된 센서 케이블이 손상되어 측정에 실패하였으며 배기 화염 열과 노출이 적은 충격파 발생 초기 지점에 센서를 설치하였다. 실험 결과 Table 5와 같이 최대압력은 폭발원점과 근접한 P1 지점에서 최대압력 2.79 (psi)가 측정되었다.

Table 5. Shock Wave Measurement Result

division	Measurement point (P1)	Measurement point (P2)
Maximum overpressure (psi)	2.79	2.11
Maximum overpressure arrival time (ms)	40.71	45.756
Positive pressure impulse (ms psi)	5.83	6.10
distance (m)	2.5	4.7

Fig. 8. Shock Wave Measurement Location

3.3.2 배기 화염 온도 분포 측정

연소시험동 전방부 폭발열 분포를 계측 함으로써 구조물의 형상 설계를 검토할 수 있다. 따라서 연소시험동 건물 주변으로 확산하는 화염의 온도를 측정하였다. FLIR사의 A615 열 화상 카메라를 활용하여 배기 화염의 폭발열을 계측하였으며, 측정 가능한 온도 범위는 -20 ~ +150 ℃, +100 ~ +650 ℃, +300 ~ +2,000 ℃이며 정확도는 ±2 ℃이다.

배기 화염의 열 영상 계측은 Fig. 9와 같이 Protective roof 구간의 열 분포를 계측하였으며 배기 화염의 확산 후 Protector cage 후방 구간에서 250 ~ 300 ℃의 열 분포가 형성되었다.

Fig. 9. Exhaust Flame Thermal Imaging

4.1 화포 시험장 방호구조물 적용 방안

화포 사격 진지와 시설물 사이의 안전거리를 만족할 수 없는 경우, 이에 대한 조치방안으로 방호벽을 고려할 수 있을 것이다. 기획 단계에서 이를 고려하지 않고 방호구조물을 적용하면 비경제적인 결과가 도출될 수 있다. 아래 Fig. 10은 15 m 높이 건물에 대해 방호벽을 5 m 높이로 적용하거나, 지형 단차를 3 m 두는 경우 비교 검토 결과이다. TNT 100 kg, 거리 15 m에서 폭발할 때의 방호벽 유무의 결과를 비교하면 폭압 수준은 약 5배, 최대 임펄스는 대략 2배까지의 차이를 보인다. 따라서 방호구조물의 배치와 형태를 고려하여 방호능력의 향상과 경제적인 설계가 필요하다.

따라서 화포 시험진지 주변은 방호벽을 적용하여 폭발 압력을 줄이는 것이 가장 효과적이며 아래 Fig. 11과 같이 개념도를 제시하였다. 방호벽의 외부 재료는 강성이 우수한 초대골형 파형강판을 적용하여 파편 물질에 대한 희생 패널의 기능이 가능하다.

지반충격에 의한 진동 영향은 3.2.2항의 화포 사격 시 진동 측정실험에서 살펴본 바와 같이 주변 시설에 막대한 피해를 준다. 화포 사격 시 발생하는 진동 저감 검토를 위해 Table 6과 같이 흡음재료 특성을 비교·분석하였다. 금속형 발포 알루미늄은 콘크리트, 세라믹 등 타 재료보다 흡음성, 내화성, 안정성이 우수하며 가장 경제적인 대안이다. 따라서 진동 영향을 감쇠 하는 방안으로써 방호벽 중간 채움은 발포 알루미늄을 적용하였다.

Fig. 10. Numerical Analysis of Firewall Application(Gebbeken, 2010)

Fig. 11. Protection Wall Location, Design Concept

4.2 지상연소시험장 방호구조물 적용 방안

지상연소시험장의 방호구조물 적용에 있어 검토가 필요한 주된 요소는 폭발 압력과 배기 화염에 의한 열 효과이다. Fig. 12와 같이 탄약 시험장 방호 시설 적용을 위한 시공법 검토 시 공사 기간 단축, 경제성, 유지보수 등 가장 효율적인 공법은 파형강판을 활용한 시설 구축으로 판단하였다. 따라서 연소시험동 내부에서 발생하는 유해인자로부터 대비하기 위한 구조물은 파형강판 방호 터널이 가장 효과적인 방안으로 판단된다.

방호 터널은 배기 화염 발생 시 고온의 열에 노출되며 이에 따라 방호 터널 높이를 9.5 m를 확보할 수 있도록 상세 설계가 요구되며 이를 방지 하기 위한 플레임 체크 SS-130 내화 도장을 적용한다. 파형강판은 용융아연도금 처리를 통해 강판 구조물 내구성 향상에 가장 효율적인 방안이다. 융용 아연도금은 희생적 방식 특성을 갖는 아연이 철과 합금층을 이루어 견고히 부착되며 치밀한 보호 피막을 형성한다. Table 7은 일반도장과 용융아연도금을 비교 분석한 것으로 일반도장에 비해 내구성과 경제성이 우수함을 알 수 있다.

연소 시험동의 방폭 터널형 방호구조물 구축을 통해 산불, 시설, 인명피해에 대한 방호가 요구되며 Fig. 13은 방호 터널의 개념도이다.

Fig. 12. Comparative Analysis of Construction Methods

Fig. 13. Ground Test Site Protective Structure Concept