국방에 기여하는 국방기술품질원의 이야기
기술로 품질로
120mm 박격포 포수전시기
전원차단 현상 개선
글 기동화력3팀 손민구 연구원
2021년 최초생산품 검사를 마치고 야전 배치를 위해 본격적인 양산체제에 돌입한 120mm 자주박격포는 2022년 후속양산 계약에 따라 2025년까지 기계화부대에 배치 완료될 예정이다.
이에 국방기술품질원은 우수한 품질의 무기체계가 군에 납품될 수 있도록 철저한 품질관리를 수행하고 있으며, 그 과정에서 개선이 필요한 장비·부품을 식별하여 개선함으로써 군의 임무수행 능력을 높이고 있다.
본 기고에서는 120mm 박격포의 성능·품질을 공학적인 관점에서 개선한 사례를 소개한다.
현대전은 국가별 첨단 무기체계 개발 경쟁으로 전쟁 비용이 비약적으로 상승하여 효율적인 지휘체계 운용과 효과적인 전략·전술이 필요한 실정이다. 군은 전략적 수단으로 통합전장관리체계(C4I)를 통해 효과적인 지휘체계 운용을 추구하고 있다. 이는 전황 정보를 실시간으로 수집하여 지휘관이 최적의 판단을 할 수 있게 한다.
120mm 박격포는 화력지원을 담당하는 기동식 화력 무기체계로 4.2인치 박격포를 개량한 차세대 박격포이다. 120mm 박격포 사격통제장비는 사격제원을 자동 산출하고 이에 따라 무기체계의 구동 장치를 조절하는 장비로 무기체계 운용자가 지휘관의 판단을 신속하고 정확하게 이행할 수 있게 한다. 120mm 박격포와 같이 사거리가 긴 무기체계의 경우 사격통제장비의 사용 여부에 따라 명중률이 크게 달라진다. 사격통제장비가 비정상 작동할 경우 수동사격이 가능하나 명중률이 떨어져 기습효과의 상실과 전투력에 손실이 발생하기 때문에 무기체계 화력 측면에서 사격통제장비는 중요한 역할을 한다.
120mm 박격포의 장전, 발사, 조준 등의 사격 기능을 확인하는 시험에서 포수전시기의 전원이 차단되어 사격제원 확인 및 장비 제어가 불가능한 상황이 발생하였다. 포수전시기 전원차단 현상이 군 작전 수행에 미치는 영향을 고려하였을 때 포수전시기 전원공급 로직을 개선할 필요가 있었다.
추론하고 시험장 주변 조건을 실험적으로 모사하여 전원차단 현상을 재현하였다. 재현시험 결과 온도조건에 따라 사격시험 대상뿐만 아니라 양산품에서도 전원차단 현상이 발생함을 확인하였다. 전원공급 로직의 검토를 통해 전원차단 현상을 유발할 수 있는 내부 신호를 추론하였으며, 저온 조건에서 정상/고장상태의 영상신호 출력값 비교로 문제 현상의 원인을 파악하였다. 문제 신호를 배제하는 소프트웨어를 적용하여 입증시험을 진행하였고, 해당 시험에서 저온 조건의 전원차단 현상 해소를 확인하여 양산품에 적용하였다. 포수전시기 전원차단 현상 원인분석 연구를 통해 향후 포수전시기와 유사한 사격통제장치 전원계통 회로설계 시 참고할 사항을 제시하였다.
포수전시기 구성
120mm 박격포 포수전시기는 그림 3와 같이 전원 보드(Power Board), 모기판 조립체(Main Circuit Board Assembly), 주제어 보드(Main Control Board), 구동 보드(Drive Circuit Board), 전시판(LCD Panel)으로 구성된다. 전원 보드는 외부 전원을 각 구성장치가 필요한 출력으로 변환하여 공급한다. 전원공급 후 모기판 조립체를 통해 주제어 보드가 화면 전시에 필요한 DVI(Digital Visual Interface) 신호 및 디스플레이 신호를 생성한다. 구동 보드는 주제어 보드에서 생성된 신호를 확인하고, POWER ON/OFF 신호를 생성하여 전원 보드로 전달한다. 전시판은 내부 신호를 받아 운용자 화면에 설정된 정보를 전시한다.
사격 시 발생한 문제 현상
정상적인 포수전시기의 경우 그림 4와 같이 ‘전원 LED(Power LED)’ 점등 후 2~3초 내 ‘상태 LED(Steady State LED)’가 점등되며 화면이 정상적으로 출력되어야 한다. 그러나 사격시험 간 발생한 포수전시기의 경우 전원 LED 점등 후 상태 LED가 2~3초간 점멸 후 전원 및 상태 LED가 모두 소등되었다.
포수전시기 전원 LED가 작동한 것은 전원이 정상적으로 공급된 것을 의미한다. 반면에 상태 LED가 소등된 것은 내부 신호 생성 및 통신의 문제로 전원차단 프로세스가 작동한 것이다. 따라서 사격 간 발생한 현상은 전원차단 프로세스를 일으킬 수 있는 내부 신호 또는 통신의 문제로 볼 수 있다. 전원차단 현상의 원인을 식별하기 위해 표 1과 같이 이전 정상 사격시험들과 전원차단 현상이 발생한 사격시험의 차이점 비교 시 신호 생성 및 통신문제를 일으킬 수 있는 요인은 사격시험 온도조건으로 선정하였다.
| 항목 | 이전 정상사격 조건 | 문제 발생 사격 조건 |
|---|---|---|
| 규격 | KDS 0000 | 동일함 |
| 검사기관 | 국방기술품질원 | 동일함 |
| 시험장소 | 인제 | 동일함 |
| 시험온도 | 0~35℃ | -8℃ 이하 |
| 시험장비 | 사격통제시스템 | 동일함 |
| 탄약 조건 | 최초생산탄 | 동일함 |
| 탄 수량 | 00 | 동일함 |
표 1. 주요 원인 선정표
재현시험
고장 장비는 상온에서 정상 작동하였으며, 저온에서 표 2와 같이 4%로 전원차단 현상이 재현되는 것을 확인하였다. 저온 조건에서만 전원차단 현상이 재현되어 박격포 사격시험 전·후 상황과 일치하였다. 전원차단 현상의 발생 범위 확인을 위해 고장 장비와 정상 장비를 저온 조건에서 전원작동을 시험하였다. 그 결과, 표 2과 같이 전원차단 현상 발생 확률이 고장 장비 약 4.7%, 정상 장비 약 1.3%임을 확인하였다. 고장 장비와 정상 장비의 전원차단 발생 빈도에 차이가 있었으나 양산 장비에서 해당 현상이 발생할 가능성이 확인되었다.
| 고장 장비의 온도조건 | 총 시험횟수 | 고장횟수 |
|---|---|---|
| 상온조건 | 50 | 0 |
| 저온조건 | 50 | 2 |
| 저온조건 | 총 시험횟수 | 고장횟수 |
|---|---|---|
| 정상상태 포수전시기 | 150 | 7 |
| 고장상태 포수전시기 | 150 | 2 |
표 2. 재현시험 온도조건
정상/고장상태 주제어 보드 내 신호 비교
전원차단 현상을 유발하는 신호 오류를 확인하기 위해 정상/고장상태 포수전시기를 국방규격에 따라 저온 전원작동 상태를 시험하였다. 표 3은 정상상태 포수전시기의 주제어 보드 내 DVI, DISPLAY, POWER 신호 상태를 각각 150회 확인한 그래프이다. 정상상태 그래프의 경우 전원 보드에서 주제어 보드로 전원공급 후 DVI ON 신호가 생성되고 이를 DISPLAY ON 신호로 변환한다. 구동 보드는 DISPLAY ON 신호를 인식 후 POWER ON 신호를 생성하며 전시판이 정상 작동한다. 고장상태의 경우 주제어 보드 내 전원공급 및 DVI ON 신호는 정상적으로 발생하나, DISPLAY 신호가 짧게 ON/OFF를 반복(글리치 현상1))하며 일정 시간 이후 전원 및 DVI 신호가 OFF로 전환되는 것을 확인할 수 있었다. 불안정한 DISPLAY 신호 발생 직후 전원이 차단된 것으로 보아 글리치 현상이 POWER OFF 신호를 유발함을 알 수 있었다.
표 3. 주제어보드 내부 영상신호 분석결과
- * 글리치 현상 :
- 값을 저장하는 장치가 특정 신호 패턴 아래에서 짧은 시간 동안 본래 의도된 값이 아닌 다른 값들 사이에서 움직이는 현상
개선방안 및 입증시험
포수전시기 전원차단 현상은 주제어 보드에서 발생한 글리치를 DISPLAY OFF 신호로 인식하여 POWER OFF 신호가 발생한 것이 원인이다. 이 글리치는 간헐적으로 발생하며 전원 로직 과정에서 삭제가 필요한 데이터임을 실험적으로 확인하였다. 따라서 전원차단 현상을 막기 위해 글리치와 POWER ON/OFF 신호 분리가 필요하고, 그 수단으로 구동 보드에서 POWER ON/OFF 신호 전환을 위해 DISPLAY ON/OFF 신호를 확인하는 프로세스를 표 4와 같이 삭제하였다.
표 4. 개선 전/후 포수전시기 작동 프로세스
입증시험은 기능사격 시험에서 전원차단 현상이 발생한 제품과 그 제품의 소프트웨어를 수정한 개선품으로 실시하였으며, 재현시험 조건에서 전원 ON/OFF 시험을 각각 100회 반복하였다. 그 결과, 개선 전과 개선 후가 표 5와 같이 3%에서 0%로 줄어 개선 효과를 확인하였다. 현재 양산된 박격포에 개선 프로그램 적용 후 동일 현상은 발견되지 않아 개선된 것으로 판단하였다.
| 분류 | 총 시험횟수 | 고장횟수 |
|---|---|---|
| 개선 전 | 100 | 3 |
| 개선 후 | 100 | 0 |
표 5. 개선 전/후 포수전시기 저온 전원작동시험 결과
원인분석을 통해 포수전시기 전원차단 현상이 주제어 보드에서 발생한 글리치인 것을 확인하여 DISPLAY ON/ OFF 신호를 무시하는 방안으로 전원차단 현상을 개선하였다. 본 장비는 주제어 보드 내 영상신호 변환 과정에서 DISPLAY ON/OFF 신호를 무시했을 때 운용 영향성이 없어 해당 방안을 채택하였으나 무기체계 전원계통 회로도 설계 시 글리치 발생을 대비하여 다음과 같은 방안을 고려해야 할 것으로 보인다.
첫째, 전원차단 현상은 저온 환경에서 전원 인가 직후 글리치가 발생하였다. 따라서 글리치 발생 확률이 높은 전원 인가 직후 구간은 글리치를 무시하는 소프트웨어 설정이 필요할 것으로 판단된다. 둘째, 저온 전원 작동시험에서 전원차단 현상이 약 3% 재현되어 간헐적 발생을 확인하였다. 무기체계 사격통제장비 등 전자장비의 온도 영향성 확인 시 간헐적 품질문제 발생을 대비하여 시험횟수를 충분히 확보하는 것이 필요하다.