Prediction Model for the Dispersion Pattern of Pre-Controlled Fragments from a Multi- Layer Ring Casing

고성능 폭약이 채워진 원통형 껍데기가 한쪽 끝에서 폭발할 때, 금속 외피는 단순히 무작위적인 파편 구름으로 흩어지지 않는다. 대신, 폭발의 힘은 금속을 바깥쪽으로 밀어내어 특정한 각도로 날아가는 뚜렷한 조각들로 분해한다. 이러한 거동은 공학자들이 파편이 균일하고 예측 가능한 조각들로 부서지도록 외피의 모양을 의도적으로 설계하는 현대 무기인 사전 제어 파편 탄두(pre-controlled fragmentation warheads)에서 매우 중요하다. 목표는 이 조각들이 정확히 어디로, 얼마나 빠르게 이동할지를 제어하여 무기가 최대의 효과를 가지고 목표물을 타격하도록 보장하는 것이다. 그러나 날아가는 파편의 정확한 경로를 예측하는 것은 어려운 문제이다. 폭발은 금속을 통해 전달되는 복잡한 압력파를 생성하며, 이 파동은 원통의 모든 지점에서 동일하게 작용하지 않는다. 압력은 폭발이 시작되는 지점 근처에서 가장 강하고 먼 쪽 끝에서는 약해지는데, 이러한 경사(gradient)는 파편이 위치에 따라 서로 다른 방향으로 밀려나게 만든다. 수십 년 동안 과학자들은 수학적 규칙을 사용하여 이 각도를 추측해 왔지만, 이러한 규칙들은 비행하는 동안 금속이 휘어지고 회전하는 미묘한 방식을 설명하지 못해 예측에서 상당한 오류를 초ら했다.

난징 과학기술 대학교와 북화안 산업 그룹의 연구팀은 적층된 금속 링으로 만들어진 유형의 탄두에 대한 이 특정 퍼즐을 해결하기 위해 나섰다. 이러한 다층 링 외피는 제작 비용이 저렴하고 매우 일관된 크기의 파편을 생성하기 때문에 인기가 높다. 연구진은 왜 이 링들로부터 나온 파편들이 그러한 각도로 날아가는지를 이해하고, 그 거동을 정확하게 예측할 수 있는 새로운 방법을 구축하고자 했다. 그들은 먼저 폭발에 대한 상세한 컴퓨터 시뮬레이션을 생성했다. 강력한 소프트웨어를 사용하여, 그들은 탄두를 폭약으로 채우고 주변을 공기로 둘러싼 원통의 4분의 1 모델로 모델링했다. 그들은 원통의 길이, 개별 링의 높이, 금속에 새겨진 홈의 깊이, 심지어 사용된 폭약의 종류까지 바꾸어가며 21가지의 서로 다른 탄두 버전을 테스트했다. 가상 폭발이 전개되는 과정을 관찰함으로써, 그들은 모든 개별 파편이 생성되어 바깥쪽으로 날아가는 속도와 방향을 추적할 수 있었다.

시뮬레이션 결과, 기존 이론이 놓쳤던 명확한 패턴이 드러났다. 파편은 중심에서 직선으로 날아가는 것이 아니라 기울어진다. 폭발이 시작되는 끝부분 근처에서 파편은 후방을 향해 뒤로 기울어진다. 반대쪽 끝 근처에서는 앞으로 기울어진다. 중간 부분에서는 거의 직선으로 밖을 향해 날아간다. 이러한 기울어짐은 폭발이 원통의 길이를 따라 속도 차이를 만들기 때문에 발생한다. 중간 부분의 금속은 양 끝단의 금속보다 더 강하게 밀려나며 더 빠르게 움직인다. 파편이 날아갈 때, 이 상단 모서리와 하단 모서리 사이의 속도 차이는 마치 비틀거리며 움직이는 팽이처럼 파편이 회전하게 만든다. 연구진은 이 기울기의 크기가 개별 금속 링의 높이와 사용된 특정 폭약을 통해 전달되는 폭발파의 속도에 크게 의존한다는 것을 발견했다. 놀랍게도, 그들은 금속 외피의 재질, 탄두의 전체 직경, 그리고 금속에 새겨진 홈의 깊이가 파편이 날아가는 각도에는 거의 영향을 미치지 않는다는 것을 발견했다. 기울어짐은 거의 전적으로 폭발 자체에 의해 생성된 속도 차이에 의해 주도되었다.

이 관찰을 유용한 도구로 바꾸기 위해, 연구팀은 새로운 예측 모델을 개발했다. 그들은 파편의 각도가 두 가지 별개의 힘이 함께 작용한 결과라는 것을 깨달았다. 첫 번째는 파편을 바깥쪽으로 보내는 폭발의 직접적인 밀침이다. 두 번째는 링을 따른 속도 차이에 의한 기울어짐이다. 파편이 폭발 후 방향 변화를 멈추는 데 걸리는 시간을 측정함으로써, 그들은 정확한 기울기 양을 계산할 수 있었다. 그들은 "안정화 시간(stabilization time)"이라고 부르는 개념을 도입했는데, 이는 파편의 비행 경로가 안정되는 순간을 의미한다. 그들은 이 시간이 링의 높이 및 폭발파의 속도와 직접적인 관련이 있다는 것을 발견했다. 이 관계를 사용하여, 그들은 외부의 밀침과 기울어짐을 결합하여 각도를 예측하는 공식을 만들었다. 이 새로운 공식을 컴퓨터 시뮬레이션과 대조했을 때, 한쪽 끝에서는 각도가 음수이고 다른 쪽 끝에서는 양수이며 중간에서는 평평한 복잡한 곡선을 거의 완벽하게 포착하며 일치하는 결과를 보였다.

컴퓨터 모델의 정확성을 확인하기 위해, 연구진은 실제 탄두를 제작하여 통제된 환경에서 테스트했다. 그들은 두 가지 다른 버전의 링 외피 탄두를 제작하여 강철판 앞에서 폭발시켰다. 고속 카메라와 센서를 사용하여, 그들은 파편이 판에 부딪히는 위치와 속도를 정확하게 기록했다. 실제 결과는 컴퓨터 시뮬레이션과 밀접하게 일치했으며, 파편이 실제로 시작 부분에서 뒤로 기울어지고 끝 부분에서 앞으로 기울어진다는 것을 확인해주었다. 이 새로운 공식을 실제 측정값에 적용했을 때, 예측 오차는 15% 미만이었다. 이는 기존 방식이 탄두 양 끝에서 최대 70%까지 오차가 발생할 수 있었던 것과 비교하면 엄청난 개선이었다. 연구진은 또한 자신들의 공식을 사각형이나 구형 등 다른 형태의 사전 형성 파편을 연구한 다른 과학자들의 데이터와 대조했다. 이 공식은 해당 데이터들에 대해서도 잘 작동했으며, 이는 기울기의 물리학이 그들이 연구한 링 외피 유형뿐만 아니라 다양한 종류의 원통형 탄두에 적용될 수 있음을 시사한다.

이 연구는 엔지니어가 파편이 날아갈 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 탄두를 설계할 수 있는 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다. 기울어짐이 원통을 따른 속도 차이에 의해 발생하며, 이 기울어짐이 링의 높이와 폭발 속도를 기반으로 예측될 수 있다는 것을 이해함으로써, 설계자들은 이제 훨씬 더 큰 확신을 가지고 무기의 살상 범위를 계산할 수 있다. 이 연구는 외피의 재질과 탄두의 직경이 비행 각도를 결정하는 주요 요인이 아님을 확인시켜 주었으며, 이를 통해 엔지니어들은 원하는 효과를 달야하기 위해 링의 치수와 폭약의 종류에 집중할 수 있게 되었다. 이 새로운 모델은 현대 탄약 설계의 개선을 위한 명확하고 실용적인 경로를 제시하며, 폭발 에너지가 필요한 곳에 정확히 전달되도록 보장한다.