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2012년 10월 14일 일요일

전자기력을 이용한 포에 대하여 1 - 레일건




(위의 짤방은 본문 내용과는 상관이 없음, 클릭하면 원본을 보실 수 있습니다. )


 이전에 레일건에 대한 소식을 블로그에 올려서 좋은 반응이 있기에 전자기력을 이용한 화기 - 특히 총이나 포라고 할 수 있는 것 - 들에 대해서 보다 자세히 포스팅 해봅니다. 편의상 경어는 생략합니다. 1부는 레일건에 대한 이야기이고 2부는 코일 건 및 전열 화학포에 관한 내용입니다. 


 1. 레일건 이전의 화기


 중세 시대 화약이 발명되고 난 이후 인류는 투석기나 화살 처럼 사람의 힘을 이용하는 대신 화학 에너지를 사용해서 무기를 발사하는 방식을 발전시켜 왔다. 이렇게 개발된 대포와 총기들은 전쟁의 양상을 바꾸었을 뿐 아니라 역사를 바꾸는 전기를 마련했다고 할 수 있다. 서구 열강이 세계를 장악하던 시절 강력한 총포의 힘은 지구상 대부분의 국가들을 무력으로 지배할 수 있는 힘의 원동력이었다.


 그런데 중세 시대 사용되던 조잡한 대포에서 현대의 발달된 화기에는 엄청난 차이가 있기는 하지만 화학 에너지를 사용한다는 한가지 공통점이 있다. 즉 약실안의 작약의 화학적 폭발 에너지를 운동 에너지로 바꾸어서 내부의 발사체 (총탄이든 포탄이든) 가 총구로 나가게 만드는 방식이었다.



(중세에 대포의 조잡한 그림. 1326년에 제작된 그림으로 아마도 중세 시대의 대포인 것은 확실한데 발사체가 무엇인지 확실치는 않다. 출처 : De Nobilitatibus Sapientii Et Prudentiis Regum Manuscript   This image (or other media file) is in the public domain because its copyright has expired)


 화약이라는 마술같은 화학물질이 발명되면서 총포 개발자들은 더 강력한 대포를 개발하기 위한 끊임없는 경주를 시작했다. 그에 따라 점차 크고 강력한 대포들이 개발되었지만 사실 대포의 발전사를 보면 꼭 포구의 구경이 커지는 방향으로만 발전 한 것은 아니었다. 더 큰 구경과 많은 작약을 사용할 수록 더 강한 대포가 되긴 했지만, 결국 두껍고 무거운 대포가 탄생했으며 이는 기동성에 큰 제약을 가했기 때문이다.따라서 같은 구경이라도 더 큰 발사체를 더 먼 거리까지 더 빠른 속도로 더 정확하게 발사하게 만드는 것이 대포 개발자들의 큰 과제였으며 더 나아가 같은 성능이라면 더 가벼운 대포를 제작해야 했다.



(오스만 제국이 1453년 콘스탄티노플 함락때 사용한 포와 같은 Dardanelles Gun. 두개의 포신을 연결해서 사용하며 각각의 길이는 5.2 미터, 무게는 16.8 톤 이다. 무식하게 큰 구경과 두꺼운 청동을 이용해서 포를 제작한 결과 300kg 돌 포탄을 1600 미터 정도 날릴 수 있었지만 거대한 크기 때문에 이동이 극히 곤란한 것은 물론이고 발사속도도 극도로 느려서 하루에 15발이 전부였다. 이와 같은 대형 사석포는 요새 공방전과 같은 특수한 임무에 사용되었는데 결국 새로 건설되는 요새들이 사석포의 포격에 견딜 수 있게 제작되면서 사양길을 걸었다. 이 같은 거대한 사석포는 오히려 오스만 터키가 포 제작 기술이 떨어졌다는 것을 의미하는데 실제로 전장에 신속하게 이동시켜 방열하는 서구의 작고 기동성 좋은 대포들이 결국 전쟁에서 더 큰 힘을 발휘했기 때문이다. I, the copyright holder of this work, release this work into thepublic domain. This applies worldwide.)



(미군의 신형 M777 곡사포. 구경은 155mm 로 위에 보인 사석포 보다 한참 작지만 사정거리와 정확도, 장전 속도, 화력은 비교할 바가 못된다. 무엇 보다 티타늄을 사용 무게를 대폭 줄여 3톤의 조금 넘는 무게로 수송에 대단히 유리하다는 큰 장점이 있다. 기존의 M198 과 비교해서 절반에 불과한 무게이다.  This image is a work of a U.S. Marine Corps Marine or employee, taken or made during the course of the person's official duties.  )



 이렇듯 중세의 조잡한 대포에서 최신 대포인 M777 까지 포 제작 기술은 정말 놀라운 발전을 거듭했지만 앞서 이야기 했지만 화약을 약실에서 폭발시켜 추진력을 얻는다는 공통점이 있었다. 그런데 이런 방식으로는 포구 에너지 (muzzle energy : 포탄이 총구에서 나갈때의 운동 에너지) 를 높이는데 한계가 있었다. 납득할 수 있는 크기와 무게를 지닌 포신이 견딜 수 있는 폭발 에너지에는 한계가 있기 때문이다.


 그런데 왜 포구 에너지를 높이려고 할까? 그것은 포구 에너지가 높으면 높을 수록 같은 발사체를 더 빠르게 가속시키거나 혹은 더 무거운 발사체를 같은 속도로 날려서 목표에 더 큰 피해를 줄 수 있기 때문이다. (물론 더 무거운 발사체를 더 빠른 속도로 날릴 수도 있다. E = 1/2 mv^2 임을 기억하자)

Example muzzle energy levels of different types of firearms
FirearmCaliberMuzzle energy
ft-lbfjoules
air gun.1771520
pistol.22LR117159
pistol9 mm383519
pistol.45 ACP416564
rifle5.56 × 45 mm1,3251,796
rifle7.62 × 39 mm1,5272,070
rifle7.62 × 51 mm2,8023,799
heavy.50 BMG11,09115,037
(포구 에너지의 예, 구경이 크고 총신이 길고 튼튼한 화기를 사용할 수록 더 큰 발사체와 더 많은 작약의 폭발력을 견디기 때문에 포구 에너지는 커지긴 하겠지만 그렇다고 한도 끝도 없이 총기가 커질 순 없다.)


 위에서 예로든 사석포는 당시의 기술 수준으로 더 큰 포구 에너지를 확보하기 위해 무식하게 커졌다가 사실상 야전에서 사용할 수 있는 포의 기능 - 기동성과 발사 속도 - 을 상실했고 결국 역사에서 사라졌다. 지금도 더 큰 포구 에너지를 확보하기 위해 아주 거대한 크기의 무거운 포를 제작할 수는 있겠지만 그것은 결코 실용적이지 못한 방법이다. 또 뒤에 설명할 문제 때문에 폭발력을 이용한 화학 에너지 자체가 포구 속도를 더 빠르게 한는데 한계가 있다.


 따라서 화학에너지의 한계를 극복할 방안이 진지하게 모색되었는데, 그 해결책 중의 하나로 나온 것이 바로 전자기력을 이용한 무기 (Electromagnetic projectile weapon) 인 것이다. 전자기력을 이용해 물체를 발사하거나 혹은 가속하는 연구는 20세기에 들어와 시작되었는데 아직 실용화 단계에는 이르지 못했지만 현재 포 기술이 포구 에너지를 한계까지 증가 시킨 상태여서 새로이 포구 에너지를 증가 시킬 수 있는 대안으로 바로 전자기력을 이용한 대포들이 현재 미국을 중심으로 활발히 연구 중에 있다. 이것들 가운데 레일건, 전열 화학포, 코일 건에 대해서 알아보자.



 2. 레일건 (Rail Gun)

 비록 지금까지 상용화된 레일 건은 없지만 수많은 게임, 영화, 만화에서 워낙 단골로 사용되기 때문에 레일 건이라는 명칭이 익숙하게 느껴지시는 분들도 제법 있으리라 생각된다. 사실 그 원리는 생각보다 간단해서 이미 20세기 초에 현재의 레일건과 비슷한 원리로 특허를 받은 사람까지 있었다.

 1918년에 프랑스의 한 발명가가 (Louis Octave Fauchon-Villeplee ) 레일건 비슷한 무기를 특허를 신청해서 1922년 실제 미국에서 특허를 받은 사례가 있었던 것이다. 그러나 그의 초기 레일건은 실용적인 물건과는 거리가 멀었고 당시 기술 수준으로 레일건을 제작할 수는 없었기에 곧 잊혀지게 된다.


 실제적인 의미의 레일건의 시조는 2차 대전 당시 온갖 기상 천외한 무기들을 생각해 내던 독일군의 장교인 요하임 한슬러 (Joachim Hansler) 이다.  그가 제안했던 것은 레일건을 대공포로 사용하는 것이었는데 그 시기가 1944년 말로 연합군의 전략 공습이 극에 달했던 시기였기 때문이다. 일단 독일 공군은 그의 연구를 승인하게 되는데 비록 실제 레일건은 제작 하지 못했지만 당시 한슬러가 남겼던 그림과 설계 도면들은 현대적 의미의 레일건의 시조로 보기에 무방할 것이다.


 레일건의 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다. 일단 전기가 통할 수 있는 두개의 금속 레일 (Rail : 이것 때문에 레일건이라 부른다) 서로 평행하게 놓고 하나를 음극, 다른 하나를 양극에 연결시킨다. 그리고 발사하고자 하는 금속 물질을 레일 사이에 넣으면 이 물질을 통해 전류가 흐른다. 그러면 이제 플레밍의 왼손 법칙 (그리고 로렌츠 힘)에 의해 레일 사이에 놓인 금속 발사체는 앞으로 나가려는 힘을 받는다. (아래 그림)  이 힘은 전류의 크기와 레일의 길이에 비례하게 된다.



(레일건의 원리, 녹색(F)이 힘의 방향, 빨간색이 전류의 방향 (I), 파란색이 자기장의 방향 (B) 이다. CCL 에 따라 복사 허용 저자 표시 Traced by User:Stannered from a PNG by en:User:DrBob




(요하임 한슬러의 레일건의 발사체, 아래 레일 사이 공간에 장착된다   출처 : Henry Stevens, Hitler's Suppressed and Still-Secret Weapons, Science and Technology, p. 157  This image is in the public domain)


(위에 설명한 레일 건의 원리를 떠올리면 이 간략한 설계도가 이해가 가능할 것이다  출처 : Henry Stevens, Hitler's Suppressed and Still-Secret Weapons, Science and Technology, p. 157  This image is in the public domain)


(한슬러의 레일건의 단면도  출처 : Henry Stevens, Hitler's Suppressed and Still-Secret Weapons, Science and Technology, p. 157  This image is in the public domain)

 아무튼 이와 같은 레일건은 실제 전쟁에 투입되지 못했는데 지금 생각으로는 당시 기술로는 무기화가 가능할 정도의 레일건 제작이 어려웠을 것이다. 그리고 대전말에 독일이 패망하는 혼란한 상황에서는 제대로된 결과를 만들어 낼 가능성은 제로에 가까웠다.


 2차 대전 이후 레일건을 무기화 시키는 연구는 미국을 비롯 각국에서 (특히 영국과 유고슬라비아 등) 진행되게 된다. 그리고 특히 미 해군이 여기에 관심이 있었다. 그러나 역시 무기화가 가능한 수준의 레일건 제작은 쉽지 않다는 것이 곧 드러나게 된다.

 우선 레일 건에 사용되는 금속 발사체와 레일 사이의 마찰이 문제였다. 이 문제는 금방 생각해 보면 알 수 있다. 두 금속 레일 사이에 전기가 흐를 만큼 밀착된 금속 발사체가 있다. 그리고 이 발사체는 순식간에 아주 빠른 속도로 가속되면 어떤 일이 생길까 ? 그것은 엄청난 마찰열이 발생하는 것이다. 그리고 금속 발사체가 열을 받아서 더 팽창하면 마찰은 더 커진다. 이것은 더 큰 마찰열을 발생시키는 악순환을 낳는다. 결과적으로 레일이나 발사체 아니면 두가지 모두 다 엄청난 열로 녹아내리거나 손상을 입는다. 이 이야기는 발사체와 레일 모두 특수한 물질로 만들거나 마찰열을 줄일 수 있는 특단의 대책이 필요함을 의미한다.


 또 한가지 예상되는 문제는 레일건 발사시 발생하는 로렌츠 힘은 발사체(탄환)에만 걸리는 게 아니라는 점이다. 당연히 금속 레일 자체도 전자기력에 의한 힘을 받는다. 이렇게 레일 자체도 힘을 받게 되므로 가뜩이나 뜨거워진 레일이 큰 힘을 받는다면 잘못하면 발사시 레일이 손상되거나 혹은 파괴될 수 있다. 이런 문제들은 레일건의 수명을 극도로 단축 시키거나 혹은 사고의 원인이 될 수 있다.


 여기에 짧은 시간동안 충분한 에너지를 공급하려면 특수한 전력 공급원이 필요했다. 이를 위해 거대한 캐파서터 (Capacitor) 와 보상 펄스 발전기 (Compulsator) 같은 장비가 필요해 지는데 이는 결국 레일 건의 부피가 아주 커진다는 것을 의미했다. 그렇다면 위에서 설명했듯이 결국 실전에 배치하기는 힘들어지는 셈이다.


 마지막으로 언급할 문제는 발사체 (포탄) 에 관한 것이다. 이 포탄은 발사시 엄청난 열에너지와 전자기력에 노출 되므로 일반 적인 고폭타두 (High Explosive) 를 사용하는 것은 불가능하다. 열에너지로 인해 폭발 가능성이 있기 때문이다. 따라서 탄두의 종류는 높은 열과 마찰에 견딜 수 있는 금속 탄두로 제한 될 수 밖에 없다.


 그런데 왜 이렇게 많은 제약을 지닌 레일건을 실전에 배치하기 위해 연구를 진행하는 것일까 ?  이미 앞서 설명했듯이 화학 에너지를 이용해 포구 에너지를 늘리는데는 이제 한계에 도달했기 때문이다. 화약을 폭발시켜 그 에너지로 포탄을 쏘는 방식에 비해 레일건이 가지는 장점은 다음과 같다.



  폭발력을 이용한 재래식 포는 결국 포신과 약실, 그리고 포탄이 이 폭발을 견딜 수 있어야 하므로 결국 포구 에너지와 속도에 제약이 따를 수 밖에 없지만 레일건은 폭발력을 이용하지 않기 때문에 포탄이나 레일이 이러한 제약에서 벗어날 수 있다. 더 강한 에너지로 포탄을 발사하려면 더 큰 포와 작약을 이용하지 않고 다만 레일의 길이와 에너지를 더해 주기만 하면 된다는 것은 기존의 화기의 한계를 뛰어넘는 장점이다. (다만 이러한 장점은 레일과 탄두가 엄청난 마찰 에너지를 받는다는 단점에 상쇄 되지만) 


 폭발력을 이용한 방식의 다른 단점은 폭발 순간에만 힘이 가해지며 이후 포신으로 나갈 수록 포탄이 받는 힘이 약해진다는 것이다. 폭발 순간에 발생하는 가스의 팽창 에너지는 포탄 뒤의 공간이 넓어질 수록 감소할 수 밖에 없다. 반면 레일 건의 경우 레일을 떠나는 순간까지 일정하게 힘이 약해지지 않고 지속적으로 힘을 받기 때문에 충분한 길이의 레일만 있으면 일반적인 포에 비해서 비교도 안되는 속도와 에너지로 가속이 가능하다. 



 이렇게 빠른 속도로 포탄을 발사하면 사정거리가 늘어나는 것은 물론이고 정확도도 향상된다. 다만 레일건용 포탄은 여건상 고폭탄이 아니라 금속 탄두이기 때문에 목표물을 파괴시키는 방식은 운동 에너지에 의한다. 이는 과거 근세까지 사용한 돌 포탄이나 금속 공으로 만든 포탄과 비슷하지만 가지는 운동 에너지의 힘이 비교도 되지 않게 크기 때문에 그 파괴력은 엄청나다.


 아무튼 미 해군은 - 왜 해군에서 이런 연구에 관심이 있냐면 아무래도 무게 나 전력 문제 때문에 함포로 사용하면 몰라도 지상형 포로 사용하긴엔 무리가 따르기 때문이다 - 이와 같은 이유로 레일건에 대한 연구를 주도적으로 시행해 왔다. 그리고 미 해군 수상전 연구소 (Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division) 은 2010년 12월 10일에 이제까지 포구 에너지 신기록인 33 MJ 을 달성했다고 공식 발표했다.  (아래 사진들)



(2010. 12. 10 일 고속 카메라로 찍은 레일 건 발사 시험. 탄두는 마하 7의 속도로 가속되기 때문에 대기중에서 마찰에 의한 엄청난 에너지를 발생시킴을 알 수 있다.   U.S. Navy photo/Released )





(레일건의 실물 사진. 미 해군 관계자가 이를 둘러보고 있다. 제작은 BAE system 이 맡았다. 이 레일건은 새로 건조되는 DDG 1000 에 탑재가 가능한 형태라고 하며 DDG 51 같은 재래식 구축함에도 탑재가 가능할 것이라고 한다.  Charles Garnett, left, Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division Electromagnetic Railgun project manager, briefs Vice Adm. Kevin McCoy, U.S. Navy photo/Released)


(이번 테스트에 쓰인 레일 건 - 거대한 전력선과 철조망 안쪽으로 보이는 대형 캐파서터 의 모습을 보면 레일건이 쉽게 지상전용 야포로 사용되기 힘들 것 같다. 하지만 이것도 소형화 하지 않으면 함포로 사용하는 데도 제약이 따를 것이다. The Office of Naval Research Electromagnetic Railgun located at the Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division,  U.S. Navy photo/Released)


 아래의 동영상에서 주변부의 모습을 볼 수 있으며 그 크기가 매우 거대함을 알 수 있다. 동영상의 초반부에 금속 포탄의 모습이 잠깐 나온다. 








(줌왈트 클래스의 DDG 1000 은 155 mm AGS 가 함포로 장착 되긴 하지만 레일건 장착도 염두에 두고 있다고 한다. 하지만 진수 시까지 레일건이 완성되지는 않을 것이기 때문에 일단은 155mm AGS 가 탑재될 것이다.  This file is a work of a sailor or employee of the U.S. Navy, taken or made during the course of the person's official duties. As a work of the U.S. federal government, the image is in the public domain.  )


 미 해군은 장차 200 해리 (약 370km) 떨어진 목표물을 마하 7의 속도로 타격할 수 있는 레일 건을 개발 하는 과정이며 아마도 2020 - 2025년사이 첫 실전 배치를 목표로 하기는 하지만 이것이 쉽게 가능할 지는 미지수이긴 하다. 아마 진짜 실전 배치가 가능한지는 그 때 가야 알 수 있을 듯 하다.


 이렇듯 여러 단점도 재기되고 있고 또 비용이나 다른 문제도 만만치 않지만 미래에는 실제 레일 건의 실물을 보게 될지도 모르겠다. 다만 더 바람직한 일은 이런 살상 무기가 쓰이지 않는 미래겠지만...


 (참고 : 미해군 레일건관련 추가 포스트 -  http://blog.naver.com/jjy0501/100152503841  ) 

 다음에는 코일 건 및 전열 화학포에 대한 이야기다. 









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