실험 및 전산모사에 의한 둔감화약의 폭발특성 연구

Abstract

화약과 같은 에너지물질의 폭발특성을 모델링 하기 위해서는 상태방정식(equation of state)과 반응속도식(reaction rat)을 알아야 한다. 상태방정식은 화약의 반응 전 고체상태와 반응 후 기체상태에 대한 열역학적 특성을 나타내는 것이며 반응속도식은 반응 전 상태에서 반응 후 상태로 전이되는 속도를 의미한다. 반응속도식은 화약의 기폭 및 성능과 같은 폭발특성에 많은 영향을 준다. 화약 별로 반응속도식의 영향은 조금씩 차이를 보이는데 일반적으로 재래식 화약으로 불리는 화약들은 폭발반응이 매우 빠르고 이로 인하여 열역학적 폭발상태에 매우 민감하다. 따라서 이런 종류의 화약들을 이상적인 화약(ideal explosives)이라 한다. 반면에 둔감화약은 이상적인 화약과 다른 폭발특성을 보인다. 즉 둔감화약은 이상적인 화약보다 폭발반응 속도가 느리고 열역학적 상태 의존성이 적기 때문에 이상적인 화약에 비하여 충격파에서 폭발파로의 전이(shock-to-detonation transition)가 서서히 일어나는 폭발특성을 보이며 임계직경(failure diameter)이 증가하게 된다. 이런 둔감화약의 폭발특성으로 인하여 둔감화약을 비이상적인 화약(nonideal explosives)이라 부르고 있으며 반응속도식이 둔감화약의 폭발특성에 매우 많은 영향을 미치기 때문에 반응속도식에 대한 충분한 이해가 있어야 둔감화약의 폭발특성을 해석할 수 있다. 본 논문에서는 주조형 둔감복합화약조성(insensitive castable PBX)인 AX-1에 대한 반응속도식을 모델링하고 이를 적용한 전산해석을 통하여 둔감복합화약조성 AX-1의 폭발특성을 살펴보고자 한다. AX-1 화약조성의 반응속도식을 모델링 하기 위하여 2차원 정상상태(steady-state) 폭발실험을 실시하였고 이를 폭발역학이론(DSD, Detonation Shock Dynamics theory)에 적용하여 폭발파면에 수직한 폭발속도를 폭발파면 곡률의 함수로 결정하였고 폭발역학이론의 주방정식(master equation)에 적용하고 수치적분 하여 반응속도식 모델을 보정하였다. 반응속도식 모델을 검증하기 위하여 AX-1 화약조성을 대상으로 실시한 쇽감도 시험인 gap 시험과 수중폭발시험(underwater explosion test)을 1차원 전산해석으로 수행하였고 정상상태 폭발시험, CAP 시험, corner turning 문제를 2차원 전산해석 하였다. 1차원 및 2차원 전산해석에는 본 논문의 반응속도식 모델을 적용하였다. Gap 시험 해석결과 전달되는 충격파 압력으로부터 폭발파로 전이되는 폭발특성이 잘 묘사되었으며 수중폭발시험 해석결과도 계측된 시험결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있었다. 2차원 정상상태 폭발해석에서 폭발파의 곡률 및 최대 압력이 시험결과와 잘 일치하였고 CAP 시험 해석에서도 미폭발반응의 시험결과와 일치된 해석결과를 얻을 수 있었다. Corner turning 문제에서도 본 논문의 반응속도식은 분기점에서의 dead zone을 잘 표현하는 것을 알 수 있었다. 이상과 같이 AX-1 화약조성에 대한 반응속도식을 모델링하고 검증하기 위하여 전산해석을 실시하였다. 본 논문의 반응속도식 모델은 폭발이론을 바탕으로 상태방정식, 직경별 폭발파면 곡률 및 폭발속도의 관계식에 대한 고유치 해(eigenvalue solution)로서 엄밀하게 결정되었으며 실제적으로 AX-1 화약조성의 비이상적 폭발특성을 타당한 정밀도로 묘사할 수 있음을 알 수 있었다.