근접방어무기체계에서 사용하는 안테나 장치는 목표물을 탐지하는 주요 장치로써 적 항공기 및 대함 유도탄과 근접 해상테러 위협에 효과적으로 대응하고 교전 환경에서의 생존성을 보장해야 한다. 함정의 생존성을 보장하기 위해 일반적인 환경조건 뿐만 아니라 수중무기의 수중 폭발과 기관포 운용 시 전달되는 충격하중을 고려한 교전 운용 시나리오에 대해서 안테나 장치의 구조건전성 및 레이더의 성능 기준을 만족해야 한다. 군용 함정에 장착되는 장치의 경우 일반적인 환경조건은 미국 국방성이 제정하는 국방 표준 규격인 MIL-STD^(1,2)를 따라서 장치의 내구성 및 내충격성에 대한 설계 및 시험 기준이 적용된다. 내충격성 검증을 위해 MIL-S-901D⁽³⁾에서 규정하는 충격시험 규격이 있지만 장치 제작 후 시험이 가능하고 시험 평가 비용 및 일정 등의 리스크가 발생하는 문제와 국내 시험 가능한 시설이 많지 않고 대형 구조물의 경우 시험 시설이 없는 문제로 인해 M&S (modeling and simulation)를 통한 검증이 요구된다.

함정용 장비의 충격 해석 방법으로는 독일 해군의 내충격성 규격인 BV043⁽⁴⁾에서 제시하는 과도 응답 해석(transient response analysis)을 적용한다. BV043 규정은 함정의 종류, 배수량, 장비 탑재 위치, 충격 방향에 따라 충격 응답 스펙트럼(shock response spectrum)을 시간 이력의 바닥가진 신호로 변환하여 제공하고 이를 활용하여 장비의 내충격성을 검증하고 크기, 비용, 중량 등의 제약이 존재하는 장비에 대해서 해석을 통한 검증이 수행되었다^(5~8).

기관포에 대한 충격 수준은 MIL-STD-810H⁽¹⁾의 METHOD 519.8에서 실측한 데이터를 활용하거나 충격 응답 스펙트럼(shock response spectrum)을 생성하는 방법에 대해 제시하고 있다.

이 연구에서는 수중 폭발 및 기관포 충격하중 환경에서 기관포가 장착된 함정용 안테나 장치의 구조건전성과 성능을 분석하기 위하여 유한요소 해석 모델을 구축하고 모드 해석과 과도 응답 해석을 수행하였다. 과도 응답 해석을 위해 BV043 규정과 기관포의 실측 데이터를 활용하여 안테나 장치 마운트부의 응답에 대해 시간 이력의 신호로 변환하였다. 최종적으로 응력 기반 평가를 통해 구조건전성을 분석하고 가속도 기반 평가를 통해 성능을 평가하였다.

이 연구는 수중 폭발과 기관포 운용 시 전달되는 충격하중을 고려한 교전 운용 환경에서 안테나 장치의 내충격성을 분석하기 위해 수행되었다. 먼저, 안테나 장치의 유한요소 해석 모델을 구축하고 모드 해석을 수행하였다. 모드 해석 결과, 1차 모드는 146.1 Hz이고 6차 모드까지 300 Hz 이내에서 발생하였다. 모드 해석 결과를 기반으로 충격하중 주파수 영역 내에 영향이 있을 구성품을 확인하였다. 그리고 교전 운용 환경 모사를 위해 BV043 규정과 기관포의 실측 데이터를 활용하여 안테나 장치 마운트부의 응답에 대해 시간 이력의 신호로 변환하여 과도 응답 해석을 수행하였다.

내충격성 분석을 위해 유한요소 해석 결과를 기반으로 구조물의 응력 기반 평가와 구성품의 가속도 기반 평가를 수행하여 구조건전성과 레이더의 성능을 평가하였다. 구조건전성 평가 결과, 하우징 내부 2 t 두께의 판재에서 최대 응력이 발생하였고 충격 방향이 BV043(Z) + machine gun일 때 최소 안전여유 값 0.6을 확인하였다. 성능 평가에서는 마찬가지로 충격 방향이 BV043(Z) + machine gun일 때 서포터(supporter)의 체결부에서 최대 가속도 응답이 나오는 것을 확인하였고 최소 안전여유 값 0.2를 확인하였다. 구조건전성 및 성능 평가에서 모두 3차 모드와 5차 모드에 의해 응력 집중과 최대 가속도 응답이 발생한 것으로 판단되고 안전여유 값도 모두 0보다 큰 것을 확인하여 구조적으로 안전하고 성능적으로 문제가 없다고 판단하였다. 이 연구에서 제시하는 수중 폭발과 기관포 충격을 동시에 고려한 내충격성 평가 방법을 활용하여 기관포 충격뿐만 아니라 다른 충격하중에 대한 복합 충격과 다양한 플랫폼에서 복합 내충격성 평가에서도 활용 가능할 것으로 기대된다.