전투 시스템 생존 성 분석 을 위한 3 차원 관통 해석 프로그램 개발 
 A Development of 3 D Penetration Analysis Program for Survivability Analysis of Combat System 
 DOI : 10 . 6109 / jkiice . 2015 . 19 . 1 . 244 
 Publish : Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering Volume 19 , Issue 1 , p 244 ~ 250 , 31 Jan 2015 
 국방 과 관련 하 여 주 어 진 임무 를 수행 하 는 전투 시스템 은 외부 위협 에 의한 피해 를 회피 하 여야 하 며 , 만약 피해 를 입 더라도 이 를 최소 화 시켜 계속 적 인 임무 수행 이 가능 해야 한다 . 이러 한 이유 로 외부 위협 에 대한 전투 시스템 의 취약점 을 분석 하 고 , 이 를 개선 하 여 전투 시스템 의 생존 성 을 향상 시키 기 위한 목적 의 모델 링 및 시뮬레이션 기반 의 연구 가 진행 되 고 있 다 . 본 논문 에서 는 전투 시스템 생존 성 분석 을 위하 여 3 차원 관통 해석 프로그램 을 개발 하 는 것 에 관한 내용 을 다룬다 . 이 를 위해 , 전투 시스템 중 전차 를 대상 으로 외부 위협 과 방호 성능 에 따른 관통 해 석식 을 적용 하 였 다 . 실험 을 위하 여 3 차원 CAD 기반 으로 전차 를 단순 화 하 여 모델링 하 고 , 시나리오 에 따른 실험 을 통해 개발 한 프로그램 이 설정 된 장갑 과 외부 위협 의 속성 에 따른 관통 해석 및 결과 의 시각화 가 가능 함 을 보였 다 . 
 Survivability is avoidance and tolerance ability of combat systems for accomplishing mission in battle field . Therefore , the combat system has to protect or minimize any damage from threats . For this reason , many modeling and simulation based studies which analyze vulnerability of the combat system by threats , are in progress to improve survivability of the combat system . In this paper , we developed a 3 D penetration analysis program for survivability analysis of combat system . To do this , we applied the penetration analysis equation to threat and protection performance of tank . Also we implemented simple tank models based on 3 D CAD , and tested the developed program using the implemented tank models . As a result , we verified the developed program that is possible to analyze penetration by threat and protection performance of tank and to visualize its result , based on scenarios . 
 관통 해석 , 생존 성 분석 , 전투 시스템 , 전차 ( 장갑차 ) , 모델 링 및 시뮬레이션 
 전투 시스템 은 국방 과 관련 하 여 주 어 진 임무 를 수행 하 는 시스템 을 의미 한다 . 전투 시스템 은 외부 위협 에 의한 피해 를 차단 및 회피 하 거나 , 피해 를 입 더라도 그것 을 최소 화 시켜 계속 적 인 임무 수행 이 가능 해야 한다 [ 1 ] . 이 를 위해 설계 단계 에서부터 외부 위협 에 대한 전투 시스템 의 취약점 을 분석 하 고 , 이 를 개선 하 여 전투 시스템 의 생존 성 을 향상 시키 기 위한 연구 가 진행 되 고 있 다 . 전투 시스템 의 생존 성 을 저하 시키 는 대표 적 인 외부 위협 으로 는 총탄 이나 포탄 등 을 들 수 있 다 . 만약 , 전투 시스템 이 외부 위협 에 의해 피격 되 면 전투 시스템 을 구성 하 는 부품 의 파손 , 화재 ( 폭발 ) 등 을 비롯 하 여 승무원 의 부상 혹은 사망 등 의 피해 가 발생 할 수 있 으며 , 이 로 인해 전투 시스템 의 임무 수행 능력 이 상실 될 수 있 다 . 따라서 외부 위협 에 대한 전투 시스템 의 피해 를 예측 및 분석 하 여 취약 성 을 찾 고 , 전투 시스템 의 설계 / 제작 및 개선 / 보강 단계 에서부터 취약 성 을 개선 하 여 생존 성 을 향상 시켜야 한다 [ 2 - 5 ] . 이 를 위한 가장 기본 적 인 첫 단계 로서 전투 시스템 장갑 의 관통 해석 이 요구 된다 . 
 전투 시스템 의 취약 성 을 분석 하 고 이 를 개선 하 기 위한 가장 좋 은 방법 은 실제 전투 시스템 에 직접 위협 을 가해 실험 하 는 것 이 다 . 하지만 이러 한 방법 은 그 위험 성 으로 인하 여 실험 에 있 어 시공간 적 제약 이 뒤따르 며 , 많 은 경제 적 손실 을 야기 하 는 등 의 문제 를 수반 한다 . 이러 한 이유 로 인하 여 오래 전 부터 국방 분야 에 모델 링 및 시뮬레이션 ( M & S : Modeling and Simulation ) 기법 이 도입 되 었 고 , 이 를 기반 으로 하 는 분석 프로그램 이 널리 활용 되 고 있 다 . 하지만 전투 시스템 취약 성 분석 을 목적 으로 하 는 프로그램 은 외국 에서 개발 한 것 들 이 주 를 이루 고 있 다 . 하지만 이러 한 프로그램 들 은 소스 코드 등 프로그램 내부 가 공개 되 지 않 아 특정 요구 에 대한 즉각 적 인 수정 의 어려움 등 의 이유 로 인해 우리 나라 의 실정 에 맞 는 프로그램 의 개발 이 필요 하 다 [ 2 ] . 
 본 논문 에서 는 전투 시스템 의 생존 성 분석 을 위한 기초 연구 로서 관통 해석 프로그램 의 개발 에 관한 내용 을 다룬다 . 이 를 위해 , 전차 의 외부 위협 의 관통 성능 과 방호 성능 에 따른 관통 유 / 무 를 해석 하 기 위한 관통 해 석식 을 적용 하 였 다 . 또한 , 3 차원 그래픽 라이브러리 인 Open CASCADE 를 기반 으로 프로그램 을 구현 하 여 관통 해석 및 결과 를 시각 화 하 였으며 , 두 가지 시나리오 를 설정 하 여 개발 한 프로그램 을 실험 하 였 다 . 본 논문 의 구성 은 다음 과 같 다 . 2 장 에서 는 관통 해석 프로그램 개발 에 있 어서 전투 시스템 , 외부 위협 , 방호 성능 에 관한 연구 범위 를 설정 하 고 , 3 장 에서 는 관통 해 석식 을 설명 하 며 , 프로그램 의 내부 동작 과정 을 설계 한다 . 또한 4 장 에서 는 관통 해석 을 위한 3 차원 전차 모델 및 개발 한 프로그램 의 사용 자 인터페이스 를 설명 한다 . 5 장 에서 는 시나리오 를 정의 하 여 실험 을 수행 하 며 , 6 장 의 결론 및 향후 연구 로 끝 을 맺 는다 . 
 Ⅱ . 연구 목적 및 범위 
 2 . 1 . 전투 시스템 
 전투 시스템 이란 , 육상 , 해상 , 수중 , 공중 등 에서 국방 과 관련 된 임무 수행 능력 을 지닌 시스템 을 의미 하 며 , 임무 에 따라 다양 한 크기 및 종류 를 가진 전투 시스템 이 존재 한다 . 대표 적 으로 육상 에 는 전차 , 장갑차 등 이 있 고 , 해상 은 구축함 , 호위함 , 초계함 , 고속정 등 이 있 다 . 또한 , 수중 은 잠수함 이 있 으며 , 공중 은 전투기 , 폭격기 , 정찰기 , 수송기 등 이 있 다 . 본 논문 에서 는 이러 한 여러 전투 시스템 중 전차 를 대상 으로 하 는 관통 해석 프로그램 에 관한 내용 을 다룬다 . 
 2 . 2 . 외부 위협 
 외부 위협 이란 , 전투 시스템 의 임무 수행 능력 에 영향 을 주 는 외부 요소 를 의미 한다 . 전차 에 는 육상 을 비롯 하 여 공중 으로부터 가해 지 는 외부 위협 또한 존재 할 수 있 지만 , 육상 일 경우 를 중심 으로 외부 위협 의 종류 를 살펴보 면 일반 적 으로 대전차 포탄 이나 대전차 지뢰 가 있 다 . 주로 대전차 포탄 은 장갑 을 관통 하 여 피해 를 줌 으로써 전차 를 파괴 하 거나 무력 화 시키 기 위한 목적 을 지니 고 , 대전차 지뢰 는 무한궤도 를 손상 시켜 전차 의 이동성 을 저하 시키 기 위한 목적 을 지닌다 . 본 논문 에서 는 여러 외부 위협 중 대전차 포탄 에 의한 관통 을 해석 하 는 것 에 관한 내용 을 다룬다 . 
 2 . 3 . 방호 성능 
 전차 의 방호 성능 은 표면 경화 장갑 이나 균질 압연 장갑 ( RHA , rolled homogeneous armor ) 등 장갑 의 제조 / 가공 방법 에 따른 재질 및 밀도 , 두께 등 에 의해서 결정 된다 . 하지만 , 최근 에 는 외부 위협 이 계속 해서 발전 하 여 피해 가 증가 함 에 따라 방호 성능 을 높이 기 위한 수단 으로 복합 장갑 이나 반응 장갑 등 이 등장 하 게 되 었 고 , 능동 방어 체계 ( APS , active protection system ) 와 같 은 첨단 장비 도 탑재 되 고 있 다 . 이 에 따라 , 전차 의 방호 성능 은 장갑 뿐 만 아니 라 다른 요소 들 도 종합 적 으로 고려 되 어 결정 되 어야 한다 . 본 논문 에서 는 전차 의 방호 성능 은 기본 요소 만 을 고려 하 여 균질 압연 장갑 을 기준 으로 환산 하 여 적용 한다 . 
 Ⅲ . 설 계 
 3 . 1 . 관통 해 석식 
 관통 유무 및 잔류 관통 성능 의 해석 을 위해서 는 대전차 포탄 과 같 은 외부 위협 의 관통 성능 및 전차 의 장갑 효율 이 고려 되 어야 한다 . 여러 관통 해 석식 이 존재 하 지만 , 본 논문 에서 는 독일 의 CONDAT 사 에서 개발 한 장갑차 및 전차 에 대한 탄도 시뮬레이션 프로그램 인 GSS ( Gesamt Schutz Simulation ) 에서 사용 되 는 관통 해 석식 을 적용 하 였으며 이 는 식 ( 1 ) 과 식 ( 2 ) 에 나타내 었 다 [ 6 , 7 ] . 
 3 . 2 . 프로그램 의 동작 과정 
 본 논문 에서 개발 한 관통 해석 프로그램 의 동작 과정 은 그림 1 과 같 다 . 먼저 , 부품 단위 로 모델링 된 전투 시스템 의 3 차원 CAD 모델 을 불러온 후 표시 하 고 , 외부 위협 및 장갑 을 설정 한다 . 또한 표시 된 3 차원 모델 을 기반 으로 관통 해석 을 수행 할 위치 에 관 통선 ( shot line ) 을 설정 하 고 , 구현 한 3 차원 교차점 분석 함수 를 통해 관 통선 과 해당 장갑 이 교차 하 는지 를 검사 한 후 , 만약 교차 한다면 설정 된 외부 위협 및 장갑 의 속성 정보 를 관통 해 석식 에 대입 하 여 관통 해석 을 수행 하 게 된다 . 그 후 , 해석 결과 는 결과 창 에 출력 해 주 며 , 위험 도 에 따라 표시 된 3 차원 장갑 모델 의 색상 변화 를 통해 시각 화 한다 . 
 [ 그림 1 . ] 관통 해석 프로그램 흐름 도 
 Ⅳ . 구 현 
 4 . 1 . 개발 환경 및 Open CASCADE 
 전투 시스템 생존 성 분석 을 위한 3 차원 관통 해석 프로그램 의 개발 을 위한 환경 으로 운영 체제 는 Windows 7 64 bit , 개발 도구 는 Visual Studio 2008 ( . NET Framework 3 . 5 ) , 언어 는 C ++ 및 C # 을 이용 하 였으며 , 그래픽 라이브러리 인 Open CASCADE 를 이용 하 여 3 차원 모델 의 표현 을 하 였 다 . Open CASCADE 는 3 D CAD , CAM , CAE 등 을 활용 할 수 있 도록 해 주 는 3 차원 그래픽 소프트웨어 개발 플랫폼 으로 , 다양 한 기능 을 API 형태 로 제공 하 는 오픈 소스 기반 의 그래픽 라이브러리 이 다 [ 3 , 9 ] . 
 4 . 2 . 전차 모델링 
 관통 해석 을 위해 단순 전차 모델 을 3 차원 CAD 를 기반 으로 그림 2 와 같이 모델링 하 였 다 . 모델 링 한 전차 는 회전 포탑 부 ( top ) , 몸 체부 ( bottom ) , 무한궤도 ( caterpillar ) , 주포 ( cannon ) , 몸 체부 전면 장갑 ( bottom front armor ) , 몸 체부 좌 / 우측면 장갑 ( bottom left / right armor ) 으로 나누 어 진다 . 여기 서 관통 해석 의 대상 이 되 는 장갑 부분 은 몸 체부 전 / 측면 장갑 즉 , 그림 2 에서 빨간색 으로 ( 진하 게 ) 표시 된 부분 이 라고 가정 한다 . 
 [ 그림 2 . ] 관통 해석 을 위해 모델링 한 단순 전차 모델 
 4 . 3 . 사용자 인터페이스 
 구현 한 프로그램 의 사용 자 인터페이스 는 그림 3 과 같 다 . 화면 의 상단 에 파일 메뉴 및 3 차원 모델 의 확대 , 축소 , 이동 , 회전 등 을 위한 “ 3 차원 모델 시각 화 제 어부 ” 가 있 으며 , 좌측 상단 에 전투 시스템 을 구성 하 는 부품 목록 을 표시 하 고 , 그 중 관통 해석 의 대상 이 되 는 장갑 을 선택 하 기 위한 “ 구성 부품 목록 표시 및 장갑 선택 부 ” 가 위치 한다 . 좌측 하단 에 는 선택 한 장갑 에 대한 재질 , 두께 , 밀도 의 속성 을 설정 하 는 “ 장갑 설 정부 ” 가 있 으며 , 화면 의 중앙 에 전투 시스템 의 3 차원 모델 을 시각 화 하 고 , 더블 클릭 을 이용 하 여 관 통선 을 설정 하 는 “ 3 차원 모델 시각 화 및 관 통선 설 정부 ” 가 위치 한다 . 또한 화면 의 중앙 하단 에 해석 결과 를 텍스트 로 출력 해 주 는 “ 분석 결과 출력 부 ” 가 있 으며 , 화면 의 오른쪽 에 외부 위협 의 포탄 종류 및 관통 성능 을 설정 하 는 “ 외부 위협 설 정부 ” 및 “ 범례 표시 부 ” 가 있 다 . 
 [ 그림 3 . ] 관통 해석 프로그램 의 사용 자 인터페이스 
 Ⅴ . 실 험 
 구현 한 관통 해석 프로그램 을 관통 의 경우 ( 몸 체부 전면 장갑 ) 와 미관 통 의 경우 ( 몸 체부 좌측면 장갑 ) 의 두 가지 경우 에 해당 하 는 시나리오 를 설정 하 여 실험 해 보 았 다 . 
 5 . 1 . 시나리오 1 : 관통 ( 몸 체부 전면 장갑 ) 
 - 설정 : 분석 대상 으로 몸 체부 전면 장갑 ( bottom front armor ) 을 선택 하 였 다 . 이때 , 장갑 의 재질 은 “ RHA ” , 그 에 따른 밀도 는 RHA 의 기준 값 인 “ 7 . 85 g / cm 3 ” , 두께 는 “ 600 mm ” 로 설정 하 였 다 . 
 - 분석 및 결과 : 외부 위협 을 관통 성능 이 “ 650 mm ” 인 “ 운동 에너지탄 ” 으로 설정 하 였으며 , 몸 체부 전면 장갑 을 지나 도록 관 통선 을 설정 한 후 관통 해석 을 수행 하 였으며 , 그 결과 는 그림 4 와 같 다 . 그림 4 의 분석 결과 출력 부 를 보 면 , 관통 해 석식 에 의해 계산 된 잔류 관통 성능 은 약 “ 50 ” 으로 관통 이 되 었 다는 것 을 확인 할 수 있 으며 , 이 에 따라 3 차원 모델 시각 화부 의 몸 체부 전면 장갑 의 색깔 이 빨간색 으로 표시 된다 . 
 [ 그림 4 . ] 시나리오 1 의 관통 해석 결과 : 관통 ( 몸 체부 전면 장갑 ) 
 5 . 2 . 시나리오 2 : 미관 통 ( 몸 체부 좌측면 장갑 ) 
 - 설정 : 몸 체부 좌측면 장갑 ( bottom left armor ) 을 선택 하 였 다 . 이때 , 장갑 의 재질 은 “ 사용자 정의 ” , 그 에 따른 밀도 는 “ 6 g / cm 3 ” , 두께 는 “ 450 mm ” 로 설정 하 였 다 . 
 - 분석 및 결과 : 외부 위협 을 관통 성능 이 “ 250 mm ” 인 “ 성형작약탄 ” 으로 설정 하 였으며 , 몸 체부 좌측면 장갑 을 지나 도록 관 통선 을 설정 한 후 관통 해석 을 수행 하 였으며 , 그 결과 는 그림 5 와 같 다 . 그림 5 의 분석 결과 출력 부 를 보 면 , 관통 해 석식 에 의해 계산 된 잔류 관통 성능 이 약 “ – 93 . 95 ” 로 관통 이 되 지 않 았 다는 것 을 확인 할 수 있 으며 , 이 에 따라 3 차원 모델 시각 화부 의 몸 체부 좌측면 장갑 의 색깔 이 초록색 으로 표시 된다 . 
 [ 그림 5 . ] 시나리오 2 의 관통 해석 결과 : 미관 통 ( 몸 체부 좌측면 장갑 ) 
 Ⅵ . 결론 및 향후 연구 
 모델 링 및 시뮬레이션 기반 의 분석 프로그램 은 다양 한 분야 에서 활용 되 고 있 다 . 시공간 의 제약 및 비용 등 의 문제 로 국방 분야 에서 도 많이 적용 되 고 있 으나 , 대부분 의 분석 프로그램 은 외국산 이 주 를 이루 고 있 어 우리 나라 의 실정 에 맞 는 모델 링 및 시뮬레이션 기반 분석 프로그램 의 개발 이 요구 되 어 왔 다 . 본 논문 에서 는 전투 시스템 의 통합 적 인 생존 성 분석 을 위한 첫 단계 로서 관통 해석 프로그램 의 개발 에 관한 내용 을 다루 었 다 . 개발 한 프로그램 은 전차 의 외부 위협 과 방호 성능 등 을 설정 하 고 , 관 통선 에 해당 하 는 장갑 이 교차 하 는지 를 검사 한 후 , 관통 해 석식 을 적용 하 여 그 결과 를 분석 하 고 , 3 차원 으로 시각 화 해 준다 . 개발 한 프로그램 은 생존 성 향상 을 위하 여 전투 시스템 의 설계 및 제작 단계 에서 활용 될 수 있 을 것 이 다 . 관통 해석 의 결과 로 얻 어 진 잔류 관통 성능 은 전투 시스템 내부 의 부품 에 미치 는 영향 분석 에 활용 될 수 있 을 것 이 다 . 
 향후 연구 로 는 첫째 , 전투 시스템 의 특성 등 을 고려 하 여 전차 뿐 만 아니 라 다른 전투 시스템 으로 의 분석 대상 을 확대 하 는 것 이 필요 하 며 , 둘째 , 대전차 포탄 뿐 만 아니 라 다른 외부 위협 ( 대전차 지뢰 혹은 육 / 해 / 공 으로부터 가해 지 는 다른 위협 등 ) 들 을 종합 적 으로 고려 하 기 위한 연구 가 필요 하 다 . 셋째 , 방호 성능 에 영향 을 주 는 요소 들 ( 복잡 장갑 , 반응 장갑 , 능동 방어 체계 등 ) 을 정량 적 으로 표현 해 주 기 위한 연구 가 필요 하 다 . 
 1 . Said Michael O . 1995 “ Theory and practice of total ship survivability for ship design , ” [ Naval Engineers Journal ] Vol . 107 P . 191 - 203 
 2 . Hwang H . G . , Kim H . K . , Lee J . S . 2012 “ An agent based modeling and simulation for survivability analysis of combat system , ” [ Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering ] Vol . 16 P . 2581 - 2588 
 3 . Hwang H . G . , Kim H . K . , Lee J . S . , Lee H . J . , Park J . S . 2013 “ A development of penetration analysis program for analyzing survivability of combat system , ” [ in Proceeding of The 2013 Annual Conference of Korea Institute of Military Science and Technology ] P . 1997 - 1998 
 4 . Burdeshaw M . D . , Abell J . M . , Price S . K . , Roach L . K . 1993 “ Degraded States Vulnerability Analysis of a Foreign Armored Fighting Vehicle , ” 
 5 . Hwang H . G . , Lee J . S . , Lee S . C . , Park Y . J . , Lee H . P . 2013 “ A development of flash fire prediction program for combat system , ” [ Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering ] Vol . 17 P . 255 - 261 
 6 . 2007 “ GSS Attack Simulation Manual ( Version 0707 - 04 ) , ” 
 7 . 2007 “ GSS Target and Technology Description ( Version 0707 - 05 ) , ” 
 8 . Hwang H . G . , Kim H . K . , Lee J . W . , Lee J . S . 2014 “ A study on importance estimation of critical components for combat system survivability analysis , ” [ in Proceeding of The 1 st Annual Conference of Next Defense ] P . 145 - 146 
 9 . Open CASCADE Technology . Open CASCADE documentation [ Internet ] .