화재 시뮬레이션을 활용한 기관포탄 지연 폭발의 피해 저감 연구 : 공랭 급기구 설계 중심으로 = Fire Simulation-Based Study on Reducing Damage from Hang Fire of Ammunition : Focus on Air Inlet Design for Air Cooling

국문 초록 (Abstract)

화재 시뮬레이션을 활용한 기관포탄 지연 폭발의 피해 저감 연구 - 공랭 급기구 설계 중심으로 - 본 연구는 항공기 기관포에서 발생하는 지연 폭발의 열적 위험을 밝히고, 공냉으로 그 위험을 줄이는 방안을 규명하려는 연구이다. 기관포 시스템의 지연 폭발은 총열 외부에서 제어되지 않은 폭발로 인 해 고온의 화염과 가스를 발생시켜 인접한 전자배선 및 유압 계통에 열적 손상을 가함으로써 안전에 치명적인 위험을 가한다. 본 연구는 화재 시뮬레 이션(FDS)를 활용하여 열적 위험을 정량적으로 분석하고, 공냉을 통한 피 해 저감 방안을 제시하였다. 항공기 기관포 격실의 3차원 모델을 구축하고, 나이트로셀룰로오스 연소 특성에 기반한 화원을 분석한 결과 최고 312℃의 높은 열적 위험을 확인했다. 이를 저감하기 위한 방안으로 화원을 직접 냉 각하기 위한 수직 급기와 공기 유동 형성을 위한 수평 급기의 두 가지 방 안을 비교 분석하였다. 수직 급기는 국소 냉각 효과를 보였으나 고온 가스 분산으로 인해 2차 열적 위험을 생성하였다. 반면, 수평 급기는 안정적인 기류를 형성하여 최소 유효 급기량 1.73㎥/s에서 온도를 200℃ 손상 기준 치 이하로 유지하였다. 수평 급기구 위치 변경을 통한 121개 추가 시나리오로 설계 안정성을 검증하여 허용범위를 확인하였다. 본 연구는 항공 무장 시스템의 운용 안정성 향상을 위한 기초자료로 활용할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fire Simulation-Based Study on Reducing Damage from Hang Fire of Ammunition - Focus on Air Inlet Design for Air Cooling -
Hang fire of aircraft gun ammunition is a malfunction in which a round fails to fire at the commanded position and later ignites outside the gun barrel. This abnormal event generates high-temperature flames and gases that can thermally damage adjacent wiring harnesses and hydraulic systems, posing a serious threat to flight safety. This study quantitatively evaluates the thermal hazard of hang fire in an aircraft gun bay and proposes an air-cooling based mitigation measure using fire dynamics simulation. A three-dimensional model of the gun compartment was constructed with PyroSim and analyzed by Fire Dynamics Simulator (FDS). The fire source was defined from the combustion characteristics of nitrocellulose-based WC870 propellant, using an energy-conservation approach to determine the heat release rate per unit area. Virtual thermocouple devices were placed on electrical wiring and hydraulic pipes to record time–temperature histories. The damage criteria were set to 200°C for insulation degradation of electrical cables and 205°C, the flash point of MIL-PRF-83282 hydraulic fluid, for hydraulic system ignition risk. Baseline simulations of three hang-fire locations showed maximum temperatures up to 312°C and exposure durations above 200°C of approximately 6s, consistent with actually reported damage on wiring and hydraulic lines. To reduce this risk, two types of air-supply configurations were investigated: a vertical jet directly impinging on the fire source and a horizontal jet forming a circulating airflow in the compartment. The vertical supply provided localized cooling but caused hot-gas redistribution and secondary thermal risk. In contrast, the horizontal supply established a stable flow pattern and, at a minimum effective flow rate of 1.73 m³/s, maintained all component temperatures below the 200°C damage threshold. Additional 121 cases with varied inlet locations confirmed a practical allowable range for the cooling-air inlet. The results demonstrate that CFD-based fire simulation is an effective tool to assess the thermal consequences of hang fire and to design air-cooling configurations that improve the operational safety of aircraft weapon systems.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 방법론 3
• 1.3 관련연구동향 4
• Ⅱ. 이론적 배경 6
• 2.1 기관포탄 6
• 2.2 항공기 기관포 시스템 15
• 2.3 화재 시뮬레이션 24
• Ⅲ. 화재 시뮬레이션 28
• 3.1 시뮬레이션 기본 조건 28
• 3.2 열적 손상 평가 46
• Ⅳ. 피해 저감 52
• 4.1 피해 저감 방안 52
• 4.2 피해 저감 시뮬레이션 결과 57
• 4.3 피해 저감 위치 민감도 검증 61
• Ⅴ. 결론 및 제언 66