KR20090106468A - 발사물 등의 총구 속도 측정 방법 - Google Patents

발사물 등의 총구 속도 측정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무기 배럴이나 발사 배럴(1) 또는 총구 브레이크(3)를 도파관으로서 사용할 것을 제안하지만, 이 도파관은 관련 도파관 모드(TE; TM)의 차단 주파수 미만으로 작동된다. 송신 커플러(6, 10.1, 11.1)는 관련 도파관 모드를 여자시킨다. 오실레이터(4)가 신호를 생성하며, 이 신호는 그 후 송신 커플러에 이른다. 도파관과 발사물(2)은, 수신 커플러(7, 10.2, 11.2)에서의 전자기장이 발사물(2)의 위치에 의해 영향을 받는 시스템을 형성한다. 발사물(2)과 수신 커플러(7, 10.2, 11.2) 간의 거리의 변화에 기인하는 수신 커플러(7, 10.2, 11.2)의 위치에서의 전자기장의 강도의 고유한 변화율이 측정되고, 총구 속도(V0)를 결정하는 데 사용된다.

Description

발사물 등의 총구 속도 측정 방법{METHOD FOR MEASUREMENT OF THE MUZZLE VELOCITY OF A PROJECTILE OR THE LIKE}
본 발명은 발사물 등의 총구 속도 측정 방법에 관한 것이다.
공지의 측정 장치 및 방법은 일반적으로 무기의 총구 브레이크(muzzle break) 뒤에 설치되는 적어도 한쌍의 코일을 사용한다. 이 경우에 코일은 서로 규정된 거리를 두고 배치되며, 속도(V0)는 코일에 의해 형성된 거리만큼 이동하기 위해 발사물이 필요로 하는 시간에 의해 결정된다.
그러한 하나의 장치가 CH 691 143 A5로부터 공지되어 있다. 발사물의 속도를 측정하기 위해서, 2개의 센서가 발사 속도가 높은 총포(gun)에 있는 무기 배럴(weapon barrel)의 총구에 인접하게 서로 소정 거리를 두고 장착관 상에 배치된다. 자기 플럭스의 변화에 응답하는 이들 센서는 평가 전자 장치에 연결되고, 2개의 코일로 구성된 코일쌍과 폐쇄 자기 회로를 갖는다. 또한, 일반적으로, 발사물이 총구 영역을 벗어나기 전에 이러한 방식으로 갱신되는 측정된 발사물의 속도 또는 신관 작동 시간(fuze actuation time)이 정보로서 발사물에 도달한다.
DE 697 09 291 T2(EP 0 840 087 B1)에는 발사물의 초기 속도를 제어하는 수 단이 개시되어 있다. 이 경우, 총구 속도에 관련된 파라메터를 측정할 수 있는 센서 수단이 마련된다. 이것은 적어도 무기 배럴이나 무기 배럴에 인접하게 설치되고, 무기 배럴에 인접한 곳에서 추진 가스가 가열되는 결과로서 발생하는 무기 배럴에서의 고압을 기록할 수 있는 센서에 의해 행해진다. 스트레인 게이지가 센서로서 제안되며, 이 스트레인 게이지는 무기 배럴과 접촉하도록 되어 있다. 이 경우, 무기 배럴의 스트레인이 측정된다. 발사물의 이동과, 이에 따른 발사물의 속도는 2개의 개별 센서를 통한 발사물 통과의 등록 간의 시간차로부터 결정된다.
DE 103 52 047 A1은 서로 소정 거리를 두고 배치된 적어도 2개의 센서가 무기 배럴에 인접하게 통합되거나 무기 배럴에 직접 통합되는 것을 제안한다. 발사물이 이들 센서를 통과할 때, 이들 센서는 발사물의 베이스에 인접한 곳의 가스압의 결과로서 스트레인을 감지하고, 이 스트레인은 전기 신호로 변환되고, 필요하다면 증폭후에 하류의 신호 처리부에 공급된다. 길이 방향 측정 도웰(dowel) 형태의 수정 센서가 센서로 사용되는 것이 바람직하며, 이 수정 센서는 무기 배럴에 인접한 장착 링이나 무기 배럴 둘레에 설치되거나 무기 배럴에 직접 설치된다. 수정 센서는 매우 작은 압력 변화도 신호로 전환하고, 그 자체가 물리적으로 매우 강건하며, 정확하게 설치되도록, 즉 무기 배럴에 대해 슬라이드할 수 없도록 확실하게 접촉되게 통합될 수 있다는 주요 장점을 갖는다. 이에 따라, 무기 배럴 상의 기계적 하중은 간접적인 압력 측정에 관한 측정 결과에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 더욱이, 센서는 가스압의 영향을 직접 받지 않으며, 기존의 하우징뿐만 아니라 고정된 구조체에 설치된다.
이와 달리, DE 10 2005 024 179 A1는 전체적으로 순간 총구 속도의 직접적인 측정을 배제하고 있는데, 그 이유는 실제 총구 속도는 발사물의 순간 대기 속도(air speed)에 관한 정보에 의해 결정, 다시 말해서 실제 총구 속도가 이 정보로부터 계산되기 때문이다. 또한, 발사물의 발사 시간은 순간 총구 속도에 기초하여 표준 총구 속도 예정 발사 시간에 의해 보정되고, 현재 신관 작동 시간으로서 사용된다. 바람직하게는, GHz 범위의 마이크로파 송신기가 이러한 정보를 발사물에 송신하는 데 사용되고, 예컨대 발사 제어 컴퓨터에 의해 결정되는 순간 신관 세팅을 탄약 또는 발사물에 송신한다.
EP 0 023 365 A2에 개시되어 있는 바와 같은 다른 방법은 원형 도파관인 무기 배럴을 작동시키고 무기 배럴에서의 발사물의 도플러 속도를 측정하는 것이다. 이 경우, 신호의 주파수는 관련 도파관 모드의 차단 주파수보다 높다. 이 경우 형성되는 전자기파는 무기 배럴에서 전파되고, 발사물에 의해 반사된다. 더욱이, 이로 인해 순간 속도에 좌우되는 도플러 주파수 시프트가 이루어진다.
이것은 2개의 센서가 서로 규정 거리를 두고 배치되어야 한다는 단점을 갖는다. 이러한 구성은 무기 배럴의 총구에 인접한 측정 장치를 연장한다. 이것은 전체 무기의 불안정성을 야기할 수도 있고, 서브 캘리버 무기(subcaliber ammunition)을 사용할 때 문제를 일으킬 수도 있다. 무기 배럴로부터 빠져나올 시에 해제되는 폐기 사보(sabot)는 측정 장치를 손상시킬 수 있다. 더욱이, 센서는 무기 배럴 내에 또는 무기 배럴 상에 직접 장착되어야 한다. 여러 경우에, 무기 배럴 공급업자와 총구 속도 측정 장치 공급업자는 동일하지 않다. 이것은 가능하 다면 비교적 어려운 조건하에서 센서가 배럴에 인접하게 또는 배럴에 설치될 수 있다는 것을 의미한다. 총구 속도 측정 장치는 무기 배럴 자체에서 임의의 간섭없이, 사용되는 무기 배럴과는 무관하게 작동해야 한다. 다른 단점은 마이크로파 송신기에 의한 무기 배럴 외측에서의 발사 시간 프로그래밍과 대기 속도 측정이 송신기와 발사물 간의 정보 전달을 위해서 소정량의 내간섭성(interference immunity)을 필요로 한다는 것이다. 방해 전파(jammer)에 의해 야기되는 의도적인 간섭뿐만 아니라 자연적인 간섭은 대기 속도 측정을 방해할 수도 있고, 대기 속도 측정을 완전히 불가능하게 할 수도 있다. 더욱이, 송신기 방출물은 외부 "전자전 요소(electronic war factor)" 방법에 의해 검출되 수 있어, 총포의 위치가 확인될 수 있다. 이에 따라, 적군이 총포의 위치를 확인하고, 총포를 공격하는 대응책을 개시할 수 있다. 오늘 날의 핵심은 "보지만 보이지는 않는"이다. 총포의 위치가 방출물에 의해 누설되면, 이 총포는 효과적인 무기 시스템으로 인해 큰 위험 상태에 있게 된다. 더욱이, 도플러 주파수 시프트의 측정은 오실레이터 안정성을 위한 특정 요건을 필요로 한다. 발포에 기인하는 진동은 순간 송신기 주파수를 변경시킬 수 있고, 주파수 시프트의 정확한 측정에 대한 복잡성을 증가시킬 수 있다. 더욱이, 무기 배럴은 개방 원형 도파관으로서의 역할을 하고 안테나로서의 역할을 할 수도 있다. 이것은 외부 모니터링 장치가 방출물을 검출할 수 있고, 총포의 위치를 판별할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은, 마찬가지로 어떠한 접촉도 수반하지 않고, 더 이상 마지막으로 언급한 결점을 갖지 않는 총구 속도 측정 수단을 특정하는 목적을 기초로 한다.
상기 목적은 특허 청구항 1의 특징부에 의해 달성된다. 종속항에는 유리한 실시예가 특정되어 있다.
본 발명은 무기 배럴이나 발사 배럴 및/또는 총구 브레이크의 일부를 마찬가지로 도파관(도파관은 매우 높은 전기 전도성 벽을 갖는 특유한 단면 형상을 지닌 배럴에 의해 얻어짐)으로 사용하는 사상을 기초로 한다. 구체적으로, 직사각형 및 원형 도파관이 폭넓게 사용되지만, 이러한 도파관은 관련 도파관 모드의 차단 주파수 미만으로 작동된다. (이와 관련된 원리에 대해서는, 인용되는 http://people.ee.ethz.ch/~kkrohne/AMIV/Wellenleiter.pdf 제24면 내지 제 33면 또는 http://prp0.prp.physik.tu-darmstadt.de/~ejakobi/Mikrowel.pdf 참고). 어떠한 전자기파도 이러한 방식으로 작동되는 도파관에서 전파될 수 없고, 이에 따라 도파관을 따른 에너지 수송이 존재하지 않는다. 전자기장은 도파관의 방향으로 지수함수적으로 감소하고, 이것은 저항에 의한 감쇠에 기초한다기보다는 맥스웰 방정식의 해법이다.
이 경우, 전자기장은 원형 도파관에 대한 제약과, 발사물에 대한 제약을 충족해야 한다. 이 경우, 원형 도파관은 반드시 정확한 원형 단면을 가질 필요가 없다는 점에 유념해야 한다. 사실상, 소망하는 횡방향 전자기장 분포를 달성하기 위해서 도파관의 벽에 프로파일이 포함될 수도 있다. 이것은 총구에 있는 리브 구조가 모드 선택을 보정하는 방법을 예시하는 도 3에 도시되어 있다. 모든 제약 조건이 충족될 때, 이것은 이제 도파관에서의 발사물의 위치 z = zp에 의해 결정되는, 위치 z = 0(ZK = 0일 때)에서의 신호 강도를 형성한다. 필요하다면, 보다 양호한 모드 선택을 위해 송신 커플러(3.1)와 수신 커플러(3.2) 사이의 오프셋(ZK)을 사용할 수 있다. 그러나, 일반적으로 ZK는 0이어야 하며, 이것은 송신 커플러(3.1)에 가장 가까운 수신 커플러에만 적용된다. 도 3에 예시한 경우는 송신 커플러(3.1)와 수신 커플리(3.2)를 포함하는 구성을 보여준다. 그러나, 측정 정확도를 증가시키기 위해서 도 4에 도시한 바와 같이 송신 커플러(4.1) 앞에 복수 개의 수신 커플러(4.2)를 직렬로 서로 매우 근접하게, 이에 따라 배럴 단부의 방향으로 컴팩트한 형태로 설치하는 것도 가능하다. 이 경우, 총구 브레이크는 인위적으로 연장되지 않고, 이에 따라 긴 총구 속도 측정 장치의 단점을 회피한다.
측정 장치는 총포 배럴에 의해 또는, 배럴, 발사물, 배럴의 총구 영역, 예컨대 총구 브레이크, 적어도 하나의 오실레이터, 송신 커플러, 최소의 수신 커플러 또는 복수의 수신 커플러- 개수는 소망하는 측정 장치의 측정 정확도에 좌우됨 - 형태의 어떠한 다른 발사 장치에 의해 형성된다.
이러한 단순한 측정 장치는 총구 영역과 총구 브레이크가 인위적으로 연장될 필요가 없다는 장점을 갖는다. 측정 장치는 총구 브레이크에 직접 포함된다. 더욱이, 측정 장치는 무기의 형태(풀 캘리버 또는 서브 캘리버)에 상관없이 사용될 수 있다. 배럴과 총구 영역, 구체적으로는 일반적으로 총포 배럴에 인접하게 사용되는 총구 브레이크가 측정 장치의 일부이기 때문에 측정 장치는 컴팩트하다. 측정 정확도 자체는 오실레이터 주파수와 무관하기 때문에, 사용되는 오실레이터는 공지의 도플러 주파수 측정의 경우에서와 같이 주파수에 대해 고도로 안정될 필요는 없다. 저주파수와 고주파수가 각각 언더슈트되거나 오버슈트되어서는 안된다는 것만이 필요하다. 간단한 측정은 또한 주파수보다는 엔벨로프(envelope)가 검출된다는 사실의 결과로 인한 것이다. 측정 장치는 단일 모드로 작동될 수 있다.
첨부 도면을 참고하고 예시적인 일실시예를 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.
도 1은 발사물의 총구 속도를 측정하는 측정 장치의 원리를 보여주는 도면이고,
도 2는 도 1에 도시한 바와 같은 제한된 원형 도파관의 개략도이며,
도 3은 총구 브레이크에 포함되고, 모드 선택을 위한 리브 구조가 장착되어 있는 측정 섹션의 도면이고,
도 4는 복수의 커플러를 지닌 도 3의 측정 섹션에 관한 도면이다.
도 1 및 도 2에는 측정 방법을 위한 측정 장치의 기본적인 구성이 도시되어 있다. 측정 장치(100)는 이 경우에는 총구 브레이크(3)를 지닌 총포 배럴(1)과, 오실레이터를 여자시키기 위해 신호 공급부(5)를 통해 송신 커플러(6)에 전기 접속되는 오실레이터(4)를 포함한다. 수신 커플러(7)가 신호 수신을 위해 사용되고, 수신 신호용 케이블(8)을 통해, 검출기(9.1)와 신호 처리부(9.2)를 포함하는 수신 유닛(9)에 연결된다. 2개의 커플러(6, 7)는 총구 브레이크(3)에 통합되고, 커플러 쌍을 형성한다.
이 경우에 오실레이터(4)는 송신 커플러(6)를 통해 도파관 모드로 여자(TE; TM)된다. 이예시적인 실시예에서, 관련 도파관 모드의 차단 주파수 미만의 주파수가 선택된다. 소망하는 도파관 모드는 기계적 및 전자기적 모드 선택에 의해 여자된다. 배럴(1)[도 1의 도파관(1')]과 발사물[도 2의 실린더(2')]로 구성된 시스템은 발사물(2)의 위치 z = zp에 좌우되는, 위치 z = 0에서의 신호 강도를 형성한다. 수신 커플러(7), 이 경우에 픽업 센서는 이 신호를 수신하며, 이 신호는 수신 유닛(9)에 이른다.
이미 설명한 바와 같이, 측정 장치(100)는 총구 브레이크에 통합된 도파관 또는 도파관의 일부에서의 도파관 모드의 차단 주파수보다 낮은, 선택된 도파관 모드로 작동된다. 기본 모드뿐만 아니라, 보다 높은 도파관 모드도 가능하다. 횡방향 전기(TE) 모드와 횡방향 자기(TM) 모드 사이의 구별이 이루어진다. 이 경우에 상기 2개의 모드가 사용될 수 있다.
도 2를 참고하여 측정 방법의 기본적인 원리를 다소 보다 상세히 분석하겠다. 원형 도파관(1')이 원통형 핀(2)에 의해 경계가 정해지면, 전자기장은 한편으로는 도파관 벽에 인접한 제약을 만족해야 하고, 다른 한편으로는 실린더 베이스에 인접한 제약을 만족해야 한다. 원칙적으로, 도파관 벽과 실린더 베이스는 전도성이어야 한다. 이것은 이들 표면에 인접한 전자기장의 접선 방향 성분이 "E = 0 V/m(0)"이고, 이들 표면에 인접한 자기 유도는 "B = OT(0)"이라는 것을 의미한다. 이것은 2개의 필드 구성 요소, 즉 도파관 벽에 인접한 제약만을 만족하는 고유한 전자기장과, 고유한 전자기장과 동일한 횡방향 분포를 갖고, 이에 따라 또한 도파관 벽에 인접한 제약을 만족하는 다른 구성 요소의 도입에 의해 달성된다. 고유한 전자기장 구성 요소는 위치 z = 0에서 여자된다. 주파수는 선택된 도파관 모드의 차단 주파수보다 낮다. 실린더 베이스에 인접한 제약, z = zp를 만족시키기 위해서, 전기장 강도의 접선 방향 성분과 고유한 전자기장의 자기 유도의 법선 방향 성분의 중첩에 의한 소거를 지닌 제2 필드 구성 요소가 생성된다. 2개의 성분의 중첩은 실린더 베이스의 위치 z = zp에 좌우되는, 위치 z = 0에서의 신호 강도를 형성한다.
이제 위치 z = 0에서의 신호 강도의 시간 프로파일을 분석하면, 총구 속도(V0)를 추론하는 것이 가능하다.
도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 소망하는 도파관 모드는 기계적 구성 조치, 이 경우에는 예컨대 도파관 벽에 인접한 리브 구조에 의해 여자될 수 있다. 더욱이, 모든 선택은 송신 커플러(10.1)에 의한 여자의 타입에 의해 보조된다. 도 3에는 총구 브레이크의 일부인 도파관이 도시되어 있다. 필요하다면 송신 커플러(10.1)와 수신 커플러(10.2) 간의 오프셋(ZK)이 보다 양호한 모드 선택을 위해 사용될 수 있다. 그러나, 일반적으로, ZK는 0이어야 하며, 이것은 단지 송신 커플 러(10.1)에 가장 근접한 수신 커플러에만 적용된다.
도 4에는 복수 개의 수신 커플러(11.2)에 의해 측정 정확도를 향상시키는 방법이 도시되어 있다. 배럴 단부에서 가장 멀리 떨어져 있는 수신 커플러(11.2)의 배럴 단부로부터의 거리는 송신 커플러(11.2)의 배럴 단부로부터의 거리와 동일하다. 이것은 어떠한 수신 커플러(11.2)도 송신 커플러(11.1) 뒤에 배치될 수 없다는 것을 의미한다.
종래 기술에 따른 전술한 방법은 본 명세서에서 제안한 아래의 측정 장치의 특징에 의해 해결된다.
- 커플러(송신 커플러 및 수신 커플러)는 서로 매우 근접하게 배치될 수 있으며, 이에 따라 총구 브레이크(3)에 통합될 수 있다. 총구 브레이크를 연장시킬 필요가 없다. 더욱이, 커플러는 가능하다면 배럴에 설치될 수도 있다.
- 측정 장치는 무기 배럴에 통합될 수 없을 때에만 총구 브레이크에 통합된다(도 3). 따라서, 측정 장치는 배럴과 무관하며, 이에 따라 배럴 공급업자와도 무관하다.
- 측정은 총구 브레이크 또는 배럴 내에서 일어나고, 이에 따라 간섭에 대한 보다 양호한 저항을 얻는다.
- 도파관은 차단 주파수 미만으로 작동되고, 도파관의 길이는 또한 외부 방출을 최소화한다.
- 오실레이터는 어떠한 엄격한 요건도 필요로 하지 않는데, 그 이유는 도플러 주파수를 측정할 필요가 없기 때문이다.

Claims (9)

  1. 발사 배럴(1) 또는 총구 브레이크(3)가 도파관으로서 사용되는, 무기 배럴(weapon barrel)이나 발사 배럴(1)에 인접하거나 총구 브레이크(3)에 인접한 발사물(2) 등의 총구 속도를 측정하는 총구 속도 측정 방법에 있어서,
    상기 도파관은 관련 도파관 모드(TE; TM)의 차단 주파수 미만으로 작동되는 것을 특징으로 하는 총구 속도 측정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발사물의 순간 속도[V(t)]가 연속적으로 측정되고 저장되는 것을 특징으로 하는 총구 속도 측정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도파관에서의 발사물의 순간 속도 프로파일은 시간에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 총구 속도 측정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 총구 속도(V0)의 예상은 발사물(2)이 도파관을 떠나기 전에 도파관에서 이동하고 있는 동안 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는 총구 속도 측정 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 총구 속도(V0)를 측정할 수 있도 록, 평가 시간은, 발사물이 정확히 측정되는 신호가 0이 되는 경항이 있거나 측정되는 신호가 어떠한 다른 특징적인 응답을 갖는 수신 커플러의 지점에 있는 시간이 되도록 선택되는 것을 특징으로 하는 총구 속도 측정 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 내지 어느 한 항에 따른 총구 속도 측정 방법을 실행하기 위한 측정 장치(100)로서,
    무기 배럴 또는 발사 배럴(1)과,
    총구 브레이크 등(3)과,
    신호 발생기(4), 그리고
    적어도 하나의 수신 커플러(7, 10.2, 11.2)의 측정 신호를 평가 장치(9)로 보내기 위한 수신 라인(8)
    을 구비하며, 상기 신호 발생기는 무기 배럴 또는 발사 배럴(1)의 여자를 위해 신호 공급부(5)를 통해 적어도 하나의 송신 커플러(6, 10.1, 11.1)에 전기 접속되는 것인 측정 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 신호 발생기(4)는 연속파 모드(CW 모드)의 캐리어를 생성하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 신호 발생기(4)는 변조 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 생성기(4)는 오실레이터인 것을 특징으로 하는 측정 장치.
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