성형작약탄두는 원통형 실린더 형태의 화약과 콘 형태의 금속 라이너를 결합한 구조로, 이로부터 형성된 초고속 제트는 수십 밀리미터에 이르는 철판을 관통할 수 있는 위력을 갖고 있다. 이는 중장갑을 장착한 전차와 같은 고위협 기동 무기 체계를 무력화하는 용도로 유용하게 활용되고 있다.

성형작약탄두의 침투 현상을 기술한 다양한 연구가 1940년대 이후로 지금까지 꾸준히 이어지고 있다. Birkhoff, et al.의 유체역학적 침투(Hydrodynamic Penetration) 이론은 수 km/s 이상의 초고속 제트(Hypervelocity Jet)가 표적에 충돌할 때, 그 충돌 지점에는 표적의 강도를 훨씬 초과하는(10 GPa 이상) 높은 압력이 발생하기 때문에 제트와 표적 재료의 거동을 유체의 흐름으로 가정한 유체역학적 침투 이론(Hydrodynamic Penetration Theory)을 제시하였다[1]. Eichelberger [2]와 Pack and Evans [3]는 표적의 강도와 초고속 제트의 침투 현상에 대한 실험적 분석을 통하여 Birkhoff, et al.의 유체역학적 침투 이론을 표적의 강도의 영향을 고려할 수 있는 이론으로 발전시켰다. 초고속 제트의 불균일 속도 분포를 고려한 침투 이론이 Abrahamson and Goodier [4]에 의해 제시되어 보다 일반적인 침투 현상을 분석할 수 있게 되었다.

이와 같은 침투 이론 외에도 수치해석을 이용한 연구를 통해 금속 표적은 물론 세라믹, 복합소재 및 콘크리트와 같은 다양한 소재의 표적을 대상으로 한 연구들과[5-9], 더 우수한 침투 능력 확보를 위한 라이너 설계 개선에 대한 연구들도 이루어졌다[10,11].

초고속 제트의 유체역학적 침투 이론의 유효성에 관하여, Gooch, et al.은 제트의 속도에 따라 침투 현상을 지배하는 인자가 제트와 표적의 밀도비(γ) 우위에서 표적 강도(Y) 우위로 전환됨을 보였다[12]. Kang [13,14] 및 Kang and Sin [15]은 유한요소해석 및 초고속 관통이론의 변형을 통해 유체역학적 침투 이론에 상응하는 제트의 침투 특성 및 침투 이론의 적용 범위에 대하여 연구하였다.

이와 같은 많은 연구를 통해 길고 빠른 초고속 제트일수록 침투 능력이 우수하다고 알려져 있다. 일반적으로 제트의 속도는 선두에서 가장 빠르며 후방에 이를 수록 느린 속도 구배를 갖는다. 이 속도 구배에 의해 표적까지 이동하는 동안 제트는 연장되는데, 과도한 연장은 제트의 끊어짐(Break-Up)을 초래하며 끊어진 제트의 침투 능력은 이전에 비해 감소한다고 받아들여지고 있다. 따라서, 끊어짐을 지연시키는 것이 더 큰 침투 능력 확보에 유리하다. Chou and Carleone은 제트의 항복응력과 밀도의 비(Y⁄ρ)가 제트의 끊어짐에 주는 영향에 대하여 Y⁄ρ이 낮을 수록 끊어지는 시기가 늦어짐을 보였다[16]. Carleone, et al.은 수치해석을 통해 제트의 넥킹(Necking)을 유발하는 임계파장(Critical Wavelength)은 연장률(Stretching Rate)와 관련되어 있음을 보였다[17]. 그리고 Hirsch [18,19]는 끊어짐 발생 시간과 성형작약탄두의 형상 설계를 연계한 연구를 수행하였다. 이러한 연구에도 불구하고, 제트의 끊어짐은 당연히 침투 능력의 감소를 유발하는 것으로 받아들여지고 있는 경향이 크다.

이에 저자는 그 원인에 대한 명시적인 설명이 필요하다 판단하였고 이전의 이론을 적용하여 제트의 물리적 특성 변화와 침투 능력 사이의 영향성을 살펴보기로 하였다. 본 연구는 제트 끊어짐과 침투 능력 감소의 상관관계를 총 세 가지 경우로 구분하여 분석하였다. 먼저 Abramson and Goodier (A-G) 이론[4]을 기반으로 끊어지지 않은 선형 속도 분포를 갖는 제트의 침투 능력을 분석하였다(경우 1). 다음으로 끊어짐을 고려할 수 있도록 A-G 이론을 변형하여 끊어진 제트 세그먼트의 길이 변화를 변수로 침투 특성을 분석하였다(경우 2). 마지막으로 끊어진 세그먼트의 길이도 감소되고 속도 구배 마저 사라진 후의 침투 능력을 Birkhoff, et al. [1]을 이용하여 분석하였다(경우 3).

이를 통해 초고속 제트의 끊어짐에 인한 침투 능력 감소는 끊어짐 자체가 원인이기보다, 끊어진 후 제트 세그먼트들의 길이 감소 및 속도 구배 감소에 기인함을 보였다.

본 연구는 끊어진 제트 세그먼트의 표적 침투 특성을 이론적인 접근을 통해 고찰하였다. 먼저, A-G 이론[4]을 선형적인 속도 분포를 갖는 제트에 대한 식으로 변형하였다. 또한, 하나의 제트가 여러 세그먼트로 분할 되었을 때, 한 세그먼트의 표적침투량은 그 세그먼트의 표적 표면으로부터의 거리와 앞선 세그먼트들의 누적 침투량이 더해진 거리를 이격거리로 치환하여야 함을 보였다.

이러한 이론적 배경을 통하여 제트가 끊어지지 않은 경우 1, 제트가 끊어지면서 일정한 비율만큼 세그먼트의 길이가 짧아진 경우 2, 그리고 끊어진 제트의 길이가 극단적으로 짧아져 속도 구배가 사라진 경우 3과 같이 구분하여 총 침투량의 변화를 비교하였다.

이를 통해 제트가 끊어지는 경우 발생하는 표적 침투 능력 감소는 끊어짐 자체에 기인하기보다는 끊어진 후의 각 제트 세그먼트들의 길이 감소에 의한 것이 주요한 것으로 본 연구의 결과를 통해 예상할 수 있다.

다만 속도가 4 km/s 이상인 초고속 제트에 한정하여 연구가 이루어진 점, 실험을 통한 연구의 신뢰성 검증하지 못한 점이 이 연구의 실적용은 제한 사항을 갖는다. 하지만 실험 방법론을 확립하기에 앞서 이론적 고찰을 시도한 것은 의의가 있다고 판단된다. 이러한 연구는 향후 관련 분야의 연구에 있어, 제트의 끊어짐 이후에도 길이 수축이 적게 발생할 수 있는 라이너 재료의 선정 또는 제트 형성 메커니즘을 개발하는 연구에 기여할 것으로 기대된다.