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2012년 10월 14일 일요일

전자기력을 이용한 포에 대하여 2 - 코일건, 전열 화학포




 (역시 내용과는 아무 상관이 없는 짤방.  클릭하시면 원본을 보실 수 있습니다. )



 3. 코일 건 (Coil gun)


 앞서 설명한 레일 건이 대형의 전자기력 포라면 코일 건은 좀 더 작은 크기로 제작이 가능한 휴대용 전자기력 무기로 생각 되고 있다. 코일 건은 한마디로 연속된 솔레노이드 (Solenoid) 코일 자석을 이용해서 물체를 가속시키는 것으로 레일 건에 비해서 제작이 간편하며 발사체가 반드시 포신에 밀착할 필요가 없으므로 상대적으로 마찰열에 의한 문제도 적다. 


 솔레노이드는 원통형으로 도선을 촘촘하게 감고 여기에 전기를 흘리면 완성되므로 사실 꽤 쉽게 만들 수 있으며 레일 건과는 달리 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있다는 특징이 있다. 대표적인 것은 바로 솔레노이드 밸브이다. 이와 같은 솔레노이드 밸브는 우리 일상에서 흔히 사용되는 전자식 밸브로 그 원리도 단순하고 제작 방식도 간단하다. 아래는 간단한 참고 동영상이다. (솔레노이드 밸브)









 솔레노이드에 대해서 잘 모르면 http://100.naver.com/100.nhn?docid=95139  를 참조하자.  


 이와 같은 솔레노이드를 여러개를 평행으로 연결한다면 물체를 빠른 속도로 가속할 수 있을 것이다. 그것이 바로 코일 건이다. 이 무기는 과학자이자 수학자인 칼 프레데릭 가우스의 이름을 따서 가우스 건 (Gauss gun) 이라고도 부르는데 전자기 가속에 필요한 수학적 업적에 그가 연관이 있기 때문이다. 따라서 일부 게임 (크라이시스에서는 가우스 라이플이 나온다) 에서는 코일 건이 가우스 건으로 나오기도 한다. 




(코일 건의 원리   CCL 에 따라 복사 허용 동일 조건, 저자 표시   저자  Image created by User:ZeroOneusing Blender. )


 아무튼 비교적 만들기 쉽다는 장점 때문에 학생들의 과학 실습은 물론 장난감이긴 하지만 제법 총기 같은 물건을 자작 하는 사람들도 있다. 아래는 그 동영상이다. 





 (여담이지만 이래서 옛말 (?) 에도 덕후의 완성은 양덕이라는 말이 있지 않은가? 정말 잘 만든 코일 건이다)


 그런데 왜 그러면 이렇게 만들기 쉬운 코일 건을 실전에서는 사용하지 않는 것일까 ?


 거기엔 몇가지 이유가 있다. 코일 건은 전기 저항이 큰 코일 모양의 전선에 전류를 흘려보내기 때문에 일정 이상의 전류를 흘리기 힘들며 결국 작은 솔레노이드에서는 무기화가 가능한 정도의 총구 속도를 얻기 힘들다. 물론 아주 큰 솔레노이드를 사용한다면 가능할 지도 모르지만 그러면 굳이 코일 건을 사용해야 하는 이유가 없어진다. (더 작고 휴대가 편리한 기존의 총기가 있으니까)

 또 저항이 큰 만큼 고 출력 코일 건은 금방 과열된다. 여기에 솔레노이드 코일 에서 생성되는 자기장이 모두 발사체를 가속하는데 사용되지 못해 효율이 떨어지는 문제도 있다. 결국 코일 건은 출력이 약해질 수 밖에 없다. 

 약한 출력을 상쇄할 목적으로 총구 속도를 빠르게 하기 위해서 여러개의 단계를 가진 multi stage 코일 건도 연구되지만 이 경우 정확한 타이밍을 맞추지 못하면 오히려 속도가 떨어지기 때문에 타이밍 제어가 중요하다. (위의 그림의 코일건이 멀티 스테이지 코일 건이다) 다만 이 문제는 전자 제어 기술이 발달하면서 어느 정도는 극복이 가능하다.


 한편 영화나 게임에서 자주 볼 수 있는 사람이 들고 다닐 만한 코일 건을 만드려면 이 엄청난 에너지를 공급할 휴대용 전력이 필요해지기 때문에 개인 화기용 코일 건이 가능할 지도 다소 미지수라고 하겠다. 근본적으로 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 무기라면 결국 전력을 공급할 에너지원이 필요하다. 만약 같은 무게라면 현재의 배터리 보다는 화약 쪽이 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 방식일 것이다. 


 비용 문제는 물론이고 더 현실적인 이와같은 문제들 때문에 현실에서는 실전에 배치될 코일 건 무기를 보기 힘들다. 언젠가 이런 문제가 해결 가능할 지는 모르겠지만 필자 생각으로는 당분간은 힘들지 않을까 생각된다. 아무튼 코일 건은 무기 보다는 현재는 장난감의 영역으로 더 활발히 개발되고 있으며 국내에서도 의외로 많은 학생들이 이 재미있는 도구를 학습용으로 사용하고 있다. 


 코일 건 카페도 있고 제작에 필요한 부품들을 인터넷으로 구매할 수도 있으니 검색을 활용하시면 이런 류의 코일건을 누구나 쉽게 제작할 수 있다. 다만 살상용 무기로는 어쩌면 다행하게도 개발하기 힘든게 현실이다.


(여담이지만 필자 생각으론 화학 에너지로 발사체를 발사하고 포신에서 코일로 가속시키는 무기는 어떨지 생각해 본 적이 있다. 다만 이런 무기는 추가되는 사정거리에 비해 비용이 꽤 올라가고 역시 거대한 발전기와 캐파서터가 필요하므로 실용성은 떨어진다.)




 4. 전열 화학포 (Electrothermal Chemical gun , ETC gun)


 앞서 설명한 두가지 무기 - 레일 건과 코일 건 - 은 전자기력의 힘으로만 발사체를 발사하므로 EML (Electromagnetic launcher) 라 불린다. 반면 지금 설명할 전열 화학포는 사실 전자기력의 힘으로 발사체를 발사 한다기 보다는 화학적인 폭발을 제어하는 기술로써 엄밀히 따지만 레일 건이나 코일 건과는 그 원리가 다르다고 할 수 있다.


 하지만 세가지 중에서 실용화 가능성이 제일 높은 데다 보통 같은 카테고리에 넣어서 설명을 하기 때문에 본 포스팅에서 같이 설명할 것이다.


 전열 화학포의 기원은 냉전 시기로 거슬로 올라간다. 1980년대에 NATO 에서 예측하기로는 소련의 차세대 탱크들이 현저히 강화된 장갑을 지니게 될 것으로 예상되었으므로 이를 무력화 시킬 새로운 포의 필요성을 절감하고 있었다. 이를 위해 당시 주로 거론되는 방식은 기존의 120 mm 급 전차포를 대신할 140 mm 전차포였다.


 그런데 이 140 mm 전차포가 개발 되던 즈음에는 이것이 기존의 120 mm 급 (122/125mm 포함) 전차포를 곧 대체할 것으로 예상되었으나 금방 여러가지 문제가 드러나게 된다. 우선 구경이 20% 만 커지더라도 3차 원적으로 생각해보면 1.2 X 1.2 X 1.2 = 1.728 이 된다. 이것은 구경이 약간만 들어나도 포탄의 무게가 상당히 늘어난다는 뜻으로 결국 빠른 발사를 위해 사람대신 자동 장전 장치가 필요해지게 된다 (무게가 너무 무거워 사람이 빨리 장전하는 건 무리가 있음) 여기에 포탑도 그만큼 커져야 하는 등 (포탑이 커지면 전차의 피탄 면적과 취약한 부위가 늘어나게 된다) 여러가지 문제가 생겼다.


 하지만 더 결정적으로는 구소련이 붕괴하면서 이제 서방 각국은 차라리 기존의 120 mm 를 유지하면서 포구 에너지를 늘리는 연구에 착수했다. 여기에 기존에 실험하던 140mm 포가 위에서 설명한 수많은 제약에도 불구하고 결국 포구 에너지를 만족스러울 만큼 늘리지 못하던 것도 역시 전열 화학포 연구에 집중하게 만드는 요인이었다.


 전열 화학포는 냉전 말인 80년대부터 연구되기 시작했다. 이 포는 기존의 화포와 대동 소이하게 생겼지만 포미 부분에 차이점이 있다.


(전열 화학포의 구조도  CCL 에 의해 동일 조건하 복사 허용 저자 표시  : 
Transfered from en.wikipedia Transfer was stated to be made by User:Blast. )


 전열 화학포의 후미에는 전원과 연결된 플라즈마 발생장치가 있다. 전기가 공급되면 후미의 전극에서 아크가 발생하며 여기서 발생한 플라즈마를 통해 추진 장약이 연소되도록 한다. 이 때 추진 장약은 한꺼번에 연소되지 않고 전기 펄스에 의해 연소 속도가 조절되게 한다. 


 이것이 중요한 이유는 탄자 (발사체) 와 포신이 견딜 수 있는 한도내에서 서서히 연소시키므로 더 강력한 추진 장약을 사용할 수 있을 뿐 아니라 앞서 말했듯이 화학 장약의 문제 - 폭발 후 탄자가 전진 할 수록 탄자 뒤의 공간이 넓어져서 탄자를 미는 힘이 약해지는 것 - 를 예방할 수 있기 때문이다. 전열 화학포는 연소를 조절하여 탄자가 앞으로 진행해도 탄자를 뒤에서 미는 힘을 일정하게 유지하도록 한다. 결국 구경을 늘리지 않고도 더 높은 포구 에너지와 속도를 얻을 수 있다. 또 한꺼번에 추진 장약을 폭발시키는 기존의 전기 스파크 식 포에 비해 포신의 수명도 늘리면서 화력을 증대시킬 수 있다는 장점이 있다.


 전열 화학포에는 2가지 방식이 있다. 


 1) FLARE (flashboard large area emitter)
 : 이 방식은 몇개의 평행한 금속 줄 (metal string) 에서 발생되는 플라즈마 혹은 적외선 열 방사 (UV heat radiation) 을 이용하여 추진 장약을 점화 시키는 방식이다. 이 기술을 통해 XM 291 120 mm 포에 17 MJ 에 달하는 포구 에너지를 달성할 수 있다고 한다. 


 2) TCPI (Triple Coaxial Plasma Igniter)
 : 이 방식은 완전히 절연된 도체를 4 겹의 알루미늄 호일로 싼 동축 점화기 (Coaxial igniter) 를 사용한다. 이 동축 점화기는 다시 절연되어 있으며 지름은 약 1.6 cm 정도이다. 여기에 작은 구멍이 있는 구조로 전류가 흐르면 플라즈마가 발생하여 구멍 밖으로 빠져나가 추진 장약을 점화시키는 구조인데 사실 FLARE 방식에 비해 여러 단점이 부각되어 현재는 연구되지 않고 있다. 


 일단 전열 화학포는 상당히 연구가 축적된 상태로 알려져 있으며 어쩌면 10년 이내로 실전 배치가 가능할 수 도 있다. 

 미 해군은 전열 화학포에 대한 연구를 진행해 60 mm 급 실험용 포를 제작했으며 성공적으로 테스트를 진행했다. 


(60 mm 급 전열 화학포  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. )


 현재 연구되고 있는 전열 화학포 중 실용화에 비교적 가까이 다가간 것은 XM 291 120mm 전열 화학포로 140mm 급 포에 근접하는 포구에너지를 보여주고 있다. 

 향후 XM 291 이 실제 실용화 가능해 진다면 다음 세대의 M1 에이브라함 탱크에 적용될 가능성이 높다. 그러나 아직 실용화에는 몇가지 걸림돌이 있다. 그것은 바로 전력에 관한 문제이다. 사실 전열화학포는 전기를 주된 추진 에너지로 사용하지 않기 때문에 대규모의 전력이 필요하지는 않으며 바로 이것 때문에 실용화가 가장 쉽다. 그러나 그렇다고 전원 시스템이 필요하지 않은 것은 아니며 여기에 필요한 장치를 탱크에 탑재할 수 있을 만큼 소형화 시키고 또 실전에 투입시킬 수 있도록 신뢰성을 확보해야 한다. 

 여담이지만 레일 건의 경우 마찰을 통해 사라지는 에너지와 전송과 변압 과정에서 사라지는 에너지등을 고려할 때 32MJ 의 에너지로 9MJ 의 포구 에너지를 얻을 수 있다고 한다. 그런데 32 MJ 의 에너지를 저장할 배터리의 크기를 생각하면  무려 12.8 m³ 에 달한다. 이것 하나만 생각해도 레일 건을 탱크에 탑재하기는 어려우며 기타 전원 장치를 소형화 하지 못하면 사실 군함에 탑재하기도 만만치 않은 문제다. 

 이런 점을 생각할 때 레일 건 이나 코일 건 보다는 전열 화학포가 실용화 가능성이 제일 높다고 하겠다. 



          Electro Thermal Chemical Gun Technology study
              (P. Diamond et al  : http://www.fas.org/irp/agency/dod/jason/etcgun.pdf )






 그리고 사족이지만 마지막으로 이해가 안되는 점이 하나 있으니 ....






 별명은 레일건인데 대체 레일은 어디 있는지 ^^  

 (앞서 언급했듯이 레일건이라는 명칭은 두개의 금속 레일에서 유래하는 것임)




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