서론

전체 면적의 70% 이상이 산악지형으로 이루어진 한반도의 군사작전 환경을 고려할 때 지상전력은 기동간 다양한 임무를 수행한다. 특히 강이나 하천과 같은 지형 장애물에 대한 극복을 위한 가장 직접적인 해결방안은 기동무기체계에 도하(渡河)능력을 부여하는 것이라 할 수 있다.[1]

하지만 보병전투차량과 같은 기동무기체계는 수상운행만을 목적으로 개발된 장비는 아니기 때문에 실제 수상운행 시 차량의 침수 및 전복 등의 위험에 항시 노출되어 있다. 따라서 탑승자의 수상 생존성 확보를 위해서는 궤도차량의 수상 불완전 요소 역시 필히 제거되어야 하며, 수상운행 중 발생할 수 있는 다양한 상황에 대해 연구함으로써 차량과 탑승자에 대한 수상 안전을 확보할 필요가 있다.[2]

K21 보병전투차량의 경우 도하작전을 수행할 시 차체의 전면에서 발생한 파도가 차체로 들어오는 것을 방지하고 조종수의 시야 및 차체의 건현(상부 갑판에서 수위까지의 거리)을 확보하기 위해 파도막이(bow plate) 조립체를 전개한다. 파도막이가 설치되지 않을 경우에는 선수가 수면 아래로 잠기게 되므로 파도막이의 원활한 전개는 임무수행에 필수적인 요소이다.[3]

군에서는 K21 보병전투차량의 운용간에 발생한 파도막이 조립체의 부족 전개 현상을 불만 사항으로 제기하였다. 따라서 본 기고에서는 K21 보병전투차량의 파도막이 조립체 전개 개선에 대해 기술하고자 한다. 기고문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 파도막이 부족 전개 현상 파악 및 원인분석에 대해 기술하고 개선 방안을 제시한다. 끝으로 3장에서는 개선 결과를 서술하며 결론한다.

본론

파도막이 조립체 부족 전개 현상

앞서 언급한 바와 같이 파도막이 조립체는 보병전투차량의 수상 운행간에 조종수의 시야 및 탑승자의 생존성을 확보하는 등의 중요한 기능을 담당한다. 전투상황에서 파도막이 조립체가 전개되지 않으면 도하지점에서 파도막이를 완전히 전개시키기 위해 운용자가 차체 외부로 나가게 되고 이 인원은 적의 화력으로부터 보호받을 수 없게 되는 상황을 초래하게 된다. 또한 파도막이를 상부지지대에 완전히 결합하지 않은 상태에서 수상운행을 하면 파도막이에 가해지는 물의 저항(560kgf)에 의해 파도막이 조립체에 기계적 손상을 유발하며 이는 곧 차체 침수 위험으로 이어진다. 아래 그림 1은 파도막이 조립체 부족 전개 상태(좌)와 이를 해소하기 위해 인위적으로 추가 인상(우)을 하는 사진이다.

원인 분석

작동오일 점도 감소

하절기의 경우 연속적인 파도막이 전개 및 수납, 차량 주행 후 등으로 작동오일 온도가 상승하게 된다. 이에 따라 오일의 점도가 낮아져 파도막이를 전개에 구동력을 제공하는 펌프의 토출압력과 효율이 저하되고 이러한 상황에 기인한 구동력 부족 발생 가능성이 있다. 오일의 점도가 낮은 상태에서는 마찰과 끌림이 감소하여 기계적 효율은 상승하지만 체적 효율이 감소하여 전효율은 오히려 감소¹⁾하게 된다.

파도막이 작동오일은 열이 많이 발생하는 동력장치 구동환경 특성상 15W40을 사용하고 있으며 일반적으로 유압작동유로 많이 사용되고 있는 MIL-PRF-5606(OHA)보다 점도가 높으며 40℃ 기준으로 약 8배의 높은 수치를 보인다. 온도에 따른 점도는 아래 표 1과 같다.

온도에 따른 점도 감소로 인해 추정되는 파도막이 전개 부족 현상을 입증하기 위해 아래 그림 3과 같이 측정 치구를 설치하고 파도막이 전개 부족 길이를 측정하였다. 측정은 가온 전후로 구분하여 진행하였으며 그 결과는 표 2에 나타내었다.

입증 시험결과, 파도막이 오일 가온 후(하절기)의 파도막이 전개 높이가 상대적으로 낮았으며 이를 통해 오일 점도에 따라 파도막이 전개 길이가 상이함을 확인하였다.

운용 장기화에 따른 노후화

훈련 및 교육 등 장비 운용 기간이 장기화됨에 따라 파도막이 전개에 구동력을 제공하는 유압펌프의 구성품들이 노후화 되어 펌프의 효율 저하가 발생할 가능성이 있다.

동력장치 유압펌프는 그림 4와 같이 피스톤, 실린더 블록, 피스톤 링, 오일씰, O-링 등으로 구성되는데 이러한 구성품들이 노후화되면 내부 누유가 발생하게 되고 펌프 효율 저하로 이어진다. 또한, 구동계에서 외부 충격 등으로 인한 링크간의 마모와 유격으로 구동력 저하가 발생할 수 있다. 그림 5는 파도막이 구동장치 구성도를 나타내었다.

운용 장기화에 따른 장비 노후화를 확인하기 위해 군에 인도된 6대의 장비를 선정하여 파도막이 전개 시험을 수행하였다. 시험용 장비들의 가동시간 및 주행거리는 표 3에 나타내었다. 총 6대의 장비 가운데 1, 2호기는 정비교육에 사용되었으며 3, 4호기는 사격교육, 마지막으로 5, 6호기는 조종교육 위주로 운용되었다. 따라서 사용 목적에 따라 노후되는 부위가 상이할 수 있다. 예를 들어 사용기간과는 별개로 조종교육에 사용된 장비는 누적 주행거리가 높기 때문에 정비교육에 사용된 장비에 비해 동력전달과 관련된 각종 구동장치가 보다 더 노후되었을 것으로 추정 가능하다.

시험용 장비 6대에 대하여 앞서 제시한 그림 3과 동일하게 파도막이 전개 부족 길이를 측정하였다. 그 결과는 그림 6에 나타내었다.

가동시간에 대한 파도막이 전개 부족 간격 결과에서는 경향성이 확인되지 않았다. 따라서 가동시간에 따른 영향은 낮은 것으로 판단된다. 하지만 주행거리에 따른 파도막이 전개 부족 간격 결과에서는 경향성이 확인되었다. 주행거리가 길수록 파도막이 전개 부족 간격이 증가하는 것으로 보아, 누적 주행거리가 파도막이 구동장치 노후화에 영향을 미친 것으로 판단된다.

개선 방안

앞선 2.2절에서는 파도막이 조립체 전개 부족 현상에 영향을 줄 수 있는 요인들을 살펴보았다. 본 절에서는 현상을 개선할 수 있는 방안에 대해 서술한다.

첫 번째 방안으로는 파도막이 전용 유압시스템 구성이다. 현재 파도막이 구동장치는 동력장치의 냉각팬 구동장치 유압펌프를 사용하고 있으므로 차량 주행 후와 파도막이 펼침 반복 작동 후 등에는 냉각팬 구동오일 온도가 상승하게 되고 장기간 운용에 따른 노후화 등으로 유압효율이 저하되어 성능에 영향을 미치므로 별도의 유압시스템을 구성해야 한다. 문제의 원인을 가장 직접적으로 해결할 수 있는 방안이지만 과다한 중량, 탑재 공간 및 상당한 비용을 고려해야 하는 단점이 존재한다.

두 번째 방안으로는 엔진제어기에 탑재된 내부 프로그램을 수정하여 고정 회전수를 증대시켜 파도막이 높이를 상승시키는 방안이다. 현재 탑재된 프로그램상 기어선택기 중립(N) 상태에서 조종수조종판의 수상운행장치 화면에 파도막이 펼침 메뉴 선택 시 차체제어컴퓨터는 파도막이 전개를 위해 특정 고정회전수를 선택하게 되는데, 이 고정회전수는 엔진제어기 프로그램에서 정하고 있다. 여기서 소프트웨어 수정을 통해 고정회전수를 약 10% 증대시킴으로써 파도막이 전개 구동력을 상승시켜 파도막이 전개 부족 현상을 해소하는 방법이다.

세 번째 방안은 차체제어컴퓨터 소프트웨어 수정을 통해 가속페달 작동만으로 파도막이 높이를 상승시키는 방법이다. 엔진제어기는 고정회전수 제어 중에는 가속페달 신호를 무시하고 지정된 고정회전수로 동작하게 된다. 그러나 두 번째 방안을 통해 적용된 10% 증가된 특정 고정회전수로도 파도막이가 충분히 전개되지 않는 상황이 발생할 경우, 추가적인 가속페달 누름을 통해 입력되는 회전수가 지정된 특정 고정회전수를 초과하도록 만들어 운용자가 엔진 회전수를 직접 제어하는 방안이다. 이 경우 운용자의 편의와 필요에 따라 회전수를 조절하여 파도막이 전개를 수행할 수 있으므로 차체 내부 인원이 외부로 나가 인력으로 파도막이 전개 부족을 해결할 필요가 없는 장점이 있다.

파도 막이 조립체 전개 부족을 개선할 수 있는 방안으로는 앞서 언급한 세 가지 방안이 고려되었으나 비용과 시간적인 측면에서 비교적 소요가 적은 두 번째 방안과 세 번째 방안을 함께 채택하는 것이 합리적이라고 판단하였다. 선정된 방안을 해당 장비에 적용하기 위해 소프트웨어 기술변경 및 야전 소급을 수행하였다.

결론

본 기고에서는 K21 보병전투차량에서 발생한 파도막이 전개 길이 부족 현상에 대하여 다각도로 원인분석을 수행하였고 문제의 원인을 식별하고 개선하였다.

1. 파도막이 전개에 사용되는 구동 펌프의 성능은 내부 오일의 온도에 영향을 받는다. 따라서 장비의 구동열에 의해 오일의 온도가 상승하거나 하절기와 같은 운용환경에서는 파도막이 전개 높이가 부족할 가능성이 있다.

2. 주행거리가 긴 장비일수록 파도막이 구동장치의 노후화 등으로 인해 파도막이 전개 부족 길이가 높은 것을 확인하였다.

3. 장비 내부에 탑재된 프로그램 및 소프트웨어 수정을 통해 파도막이 부족 전개 현상을 해소할 수 있다.