1. 개요
뇌관 및 장약의 연소를 전기에너지를 통하여 제어하는 방식의 화포.2. 특징
기존 화포무장이 화학추진제만으로 탄체를 가속시키는 반면, 전열화학포는 화학추진제 연소 시에 발생하는 화학에너지를 외부에서 인가되는 전기에너지로 제어하여 탄체를 가속시키게 된다. 레일건처럼 완전히 다른 추진방식이 아니라 기존 화포무장과 유사한 구조를 가지면서 장약을 점화하고 제어하는 방식을 고도화 시킨 것.전열화학포는 전기적으로 발생된 스파크를 개량형 니트로셀룰로오스(NC: Nitro- Cellulose) 추진장약의 점화에 이용하며, 재래식포의 포미 부위에 설치된 전극에 펄스 형태의 전기 에너지를 공급하여 아크를 발생시킨다.
이 아크가 노즐을 통하여 약실에 분출된다. 약실내로 분출된 스파크는 약실내에 있는 액체장약을 터뜨려 장약의 폭발로 탄자를 가속시키는 원리이다.
추가적으로 전열화학포가 각광을 받은건 장약 연소 단계를 더 정밀하게 제어할 수 있어 보다 완전 연소에 가깝게 다가가는 것이 가능하기 때문이다. 현재 전차포 날탄의 관통력이 정체된 것 중 하나가 장약의 폭발력을 증대시키기 위해서 화약의 밀도를 높혔더니 상당한 양의 장약이 불완전 연소를 해서 생각 만큼 폭발력이 나오지 않기 때문이다. 하지만 아크 방전으로 장약을 완전 연소 시킨다면 위와 같이 효율이 감소하는 것을 최대한 피하여 이론치에 버금가는 폭발력이 발생한다.
재래식포는 추진제가 폭발하여 탄자가 진행함에 따라 약실압력이 감소하지만 전열화학포는 방전되는 전기 펄스의 크기와 주파수를 변화시켜 탄자가 진행하는 동안, 최대 압력을 계속 유지하도록 추진제의 연소를 제어하므로써 강내의 최대압력을 장시간 유지시켜준다. 따라서 전자열 추진은 탄자가 견딜 수 없는 가속한계를 넘지 않으면서 최대가속도가 재래식에 비하여 오래 지속시킬 수 있게 된다.[1]
즉 쉽게 설명하자면, 기존의 화포는 포신이 너무 길면 장약을 아무리 채워넣어도 포신과 탄두의 마찰력 때문에 탄두 속도가 포구를 벗어나기도 전에 느려져버리는 탓에(...) 포 길이를 아무리 키워도 포 자체가 구현해낼 수 있는 사거리에 한계가 있었을 뿐만 아니라 그 엄청난 양의 장약이 폭발할 때의 무지막지한 압력을 견디기 위해 포신의 재질 자체를 엄청 두껍게 만들어야 한다는 문제가 있어서 경량화, 사거리 증대에 한계가 있었다.
그래서 오직 화약의 폭발로만 과거 재래식 화포 시대의 나치 독일에선 화약식 코일건(?)인 보복병기 3호라는 희대의 괴작을 개발해 내기도 했다. 보복병기 3호는 해당 문서를 찾아보면 알겠지만 아예 포를 선로처럼 만들어 탄두가 포신 내에서 날아갈 때 포 양옆에 붙은 보조 약실들이 연쇄 폭발을 하며 날아가는 탄두의 뒤를 계속 밀어주는 방식이었고 탄두는 연쇄 폭발의 도움을 계속 받으며 가속하는 것이 가능했고, 같은 총(總)장약량에 같은 포신 길이를 가진 (약실이 하나뿐인) 일반 화포는 절대 구현해낼 수 없는 무시무시한 사거리를 구현해 내는 데에 성공했다. 하지만 이 방식은 결국 포탄을 장전하는 후미의 메인 약실뿐만 아니라 상술한 포신 양옆의 수많은 보조약실들에도 한번 발사하려 할 때마다 모두 일일이 장약을 채워넣어야 했고, 이건 엄청난 노가다를 요구하는 일이었다.
그래서 포의 후미에 포탄(혹은 탄두) 하나만 장전해도 상술한 보복병기 3호같은 원리의, 포신 내부에서의 탄두 가속이 가능한 포가 절실해졌고 그렇게 해서 탄생한 것이 레일건과 전열화학포이다. 레일건과 전열화학포는 둘다 전기의 힘을 이용해서 탄두를 포신 내에서 일정한 힘으로 밀어내면서 가속한다는 점에선 보복병기 3호의 현대판 업그레이드 버전이라 볼 수 있다.
하지만 보복병기 3호와 전열화학포, 레일건은 지속적인 힘으로 투사체를 추진하는 개념은 비슷하지만 원리가 모두 완전히 다르다. 보복병기 3호는 상술했듯 포신 옆에 진짜 일일이 보조약실을 달고 그걸 하나하나 점화하는 방식으로 포신 내의 지속적인 추진력을 얻지만 레일건은 전기가 자신이 흐를 수 있는 전도체만 있다면, 그 전도체가 아무리 길어도
3. 역사
전열화학포는 1980년 미국에서 최초 연구 개발되기 시작하여, 미 육군에서는 실험실 규모의 30/90밀리 전열화학포 실험 연구에 이어 FMC사(Advanced System Center, Minneapolis, Minnesota 소재), GDLS사(General Dynamics Land Systems Co.)를 활용, 차세대 전차 후보로서 120 mm 전열화학포를 연구하고 있다.1988년 FMC사가 120밀리 9~18 MJ Laboratory gun 및 곧이어 1989년 전자포인 스키드포(Skid-gun)를 보완할 120 밀리 9~17 MJ ETC 스키드포를 개발하였다. 1989년부터 1990년까지 FMC사는 GDLS사와 공동으로 120 밀리 M256 Tank Gun에 장착할 목적으로 미 육군 시험평가를 실시한 것으로 알려지고 있으나 결과는 확인되지 않고 있다.
1993년 미국의 로빈슨 앤드 로젠버그는 60 밀리 ETC Gun 사격 강내 탄도 시뮬레이션을 통해 플라스마의 점화율 계수( Burn rate coeff.)는 고체추진제를 이용한 것에 비해 압력과 속도에서 20% 이상 증가됨을 확인하였다.
현재 FMC사는 M174포가와 8" 주퇴 복좌 장치를 사용하여 포구 에너지 17 MJ(포구속도 1.7 km/s, 탄체 11.8 kg), 사격 속도 9 발/분(3분간 지속)의 CAP포를 개발하여 시험, 선택 시 차세대 전차 무장으로 연구될 계획으로 있으며 현재 포구 에너지 9 MJ(포구속도 2.5 Km/s, 탄체 2.9 kg) 이상 달성할 것으로 예상하고 있다. 시험 시 전원장치는 100MJ, 400VDC Lead and Bipolar 배터리와 8.5 MJ, 16KVDC 커패시터 뱅크가 사용되고 있다.
무기체계 수준의 전열화학포는 미국 육군, 해군 주도로 FMC사, GDLS사, GE사 및 Olin사 등에서 활발히 연구되고 있으며, 1999년 미 육군은 형상면에서 M1A2전차에 적합한 120 밀리 XM291 전차포의 동급 전열화학포에 대한 시험을 계획하고 있는 것으로 알려지고 있다.
기타 영국, 러시아, 이스라엘, 독일, 네덜란드 등에서는 무기 체계화를 위한 연구가 진행되고 있으며, 독일과 이스라엘의 경우 60~120 밀리 전차포와 기존 고체추진제를 활용하는 고체추진제 전열화학포를 활발히 연구하고 있다. 국내에서는 국방과학연구소에서 전열화학포에 관한 기초연구를 수행하고 있다. 상당히 미래의 일이라 확정된 바는 없지만, K-3 전차에 전열화학포를 다는 설계안도 고려되고 있다.
ADD에서 실제 120 미리 포를 이용 실사격을 수행하는 단계까지 왔지만 현재는 사실상 폐기 수순을 밟고 있다. 차기 포로 레일건에 집중하고 있다. 하지만 레일건이 언제 소형화가 될지 모르고 레일건의 여러 가지 기술 제반상 지원장비의 소형화가 얼마나 이루어질지는 아직은 미지수인 상황이다.[2]
이는 개발하는 기술의 난항과 이로서 얻는 위력이 그리 크지 않기 때문이다. 현재 전열화학포에서 가장 문제 되는 건 전자분야로서 각종 축전지 및 펄스 발생기에서 개발이 지연되고 있다. 실재 추진은 화약으로 됨에도 불구하고 생각 외로 전기를 많이 먹어 각종 전기부품들의 부피가 커지는데, 이러면 레일건 개발에서 겪고 있는 문제나 이거나 다를 바가 없어져버려 레일건 개발에 힘을 쏟고 현재 정체되어 있는 전차포들은 옛날처럼 구경을 늘려버리는 것으로 해결하려는 움직임을 보이고 있다.[3][4]하지만 냉전 때 대구경 전차포를 개발하다가 포기한 이유가 휴행 탄 수가 적어지고 포탑이 비대해지는 문제가 있어서였는데, 21세기라고 그 단점이 해결된 것이 아니니 재래식 전차포의 구경만 늘리는 것은 그저 근미래 전장에서 생존하려면 화력 강화가 시급한데 기술적 해결방안은 없어서 고육지책으로 채택한 미봉책이 불과하다. 때문에 언젠가는 전열화학포든, 레일건이든, 아니면 그 외 다른 수단으로든 크기는 유지하면서 화력만 높이는 방향의 기술발전이 필요한 상황이다.
단, 이건 전열화학포의 장점을 무시하고 오직 전력량만 계산했을 때 내린 결론으로, 반박할 수 없는 전열화학포만의 장점이 존재한다는 것을 생각해 보자. 전열화학포는 레일건과는 달리 고폭탄을 쏠 수 있다. 레일건은 현재 개발되고 있는 방식으로는 내부에 작약이나 전자장비가 없는 순수하게 금속으로 된 포탄밖에 못한다. 즉 사람들이 포격 하면 일반적으로 생각하는 폭발을 일으키지 못한다는 것이다.[5] 물론 폭발하지 않고 순수하게 관통만 하는 탄두도 분명 그것만의 장점이 있긴 하다. 하지만 전열화학포는 재래식 화포에 탄이 그대로 호환되기 때문에 앞서 말한 통짜 쇳덩어리도 당연히 쏠 수 있다.[6]
한때 전열화학포가 둔감 장약의 존재로 폐기 수순이 된 것이라고 알려졌으나 사실무근이자 잘못된 정보라고 한다. 오히려 전열화학포나 레일건 같은 무기에서 추진체로 가장 중요한 건 둔감 장약이라는 점이 와전된 듯하다.관련 정보
4. 구조
전열화학포는 전극에서 발생되는 아크가 추진제를 연소할 수 있는 구조로 되어있다. 전열화학포의 구성요소중 가장 핵심적인 분야인 전원장치의 구성별 기능은 다음과 같다.4.1. 축전기 뱅크(Capacitor Bank)
간단한 구조로 되어 있고, 모듈화/확장성, 안전성, 신뢰도, 펄스발생 및 제어의 용이성으로 인하여 널리 사용되고 있으며 상용화가 손쉽고 다른 민수분야의 수요도 많아 발전 가능성이 매우 높다.[7] 축전기 뱅크는 0.1 ~1MJ 전기에너지 용량을 갖는 여러개의 축전기 모듈이 병렬로 연결되어 구성된다. 특히 대전류펄스(500kA, 3~6msec)를 전달하기 위해 사용되는 스위치 기술의 확보는 이 분야의 전원장치 구성품중 가장 난해한 기술로 손꼽힌다.4.2. 보상펄스발전기(Compulsator)
회전체의 고속회전 운동에너지로 부터 대전류펄스 형태의 전기에너지를 직접 발생하는 발전기이며, 회전주기에 따라 펄스를 연속 발생 시킬 수 있다. 이 원리는 회전자에 인가되는 자장을 주기적으로 상쇄시킴으로써 회전자 코일의 내부 인덕턴스를 감소시켜 전류 펄스가 발생토록 하는 것이다.5. 특성
전열화학포의 추진에너지는 화학에너지 80~ 90% 이상, 전기에너지 10~20%를 이용하므로써 전자포에 비해 전원장치의 규모를 1/5이하로 줄일 수 있다. 전열화학포의 무기체계화시 장단점을 살펴보면 다음과 같다.5.1. 장점
레일건과 일반 대포의 장점을 모두 가지고 있다.[8]- 즉발에 가까운 아주 빠른 탄속
포구속도 및 포구에너지가 레일건 수준(1.7~2.5 km/s)으로 증대하여 기존 화포에 비해 사거리 및 관통력이 대폭 증가한다. 사거리를 분석해 보면 포탄이 포물선 운동을 한다 가정할 때 2.5 km/s의 속도로 발포할 경우 최대 사거리는 무려 640 km에 달하니 유효사거리는 320 km 정도로 생각해 볼 수 있는데 이 정도면 하푼보다 더 멀리 투사하는 것이며 만약 유도+활공포탄을 사용하여 사거리를 최대치 이상으로 뽑아낼 경우에는 항공모함 함재기와 대형 대함 미사일에 맞먹는 수준의 사거리 범위에다 지속적인 화력을 투사할 수 있다. 여기에 이 정도로 빠른 포탄은 현용 방공망으로도 요격이 힘든 것은 덤이다.
그 다음 관통력 분석을 위해 Mk.45 5인치 함포를 예로 들어서 전열포로 개량했다 가정하자. 포구초속을 2.5 km/s로 놓을 때 이 포탄의 관통력을 장갑(무기) 항목의 식을 통해 계산할 경우 870 mm의 강철장갑을 관통함을 예측할 수 있고 이는 아이오와급 전함 주포 관통력에 맞먹는 수준이다.
그리고 앞서 언급한 아이오와급의 Mark 7 16인치 50구경장 함포를 전열포로 개량한 뒤 1 225 kg의 Mk.8 SHS탄을 2.5 km/s로 발사한다 가정할 경우 무려 강철장갑을 3,000 mm나 관통할 수 있으며 천연암반은 63 m 이상을 관통할 수 있는데 이는 벙커버스터 GBU-28의 두 배가 넘는 수치이다.
- 기존 화포나 레일건 보다 더욱 다양한 탄종 운용 가능
기존 화포와 비교시 최대압력 대 평균압력 비율이 낮아 부드러운 가속이 가능하며, 레일건의 경우 발사 시 포신 전체에 매우 강력한 전자기장이 발생하니 통짜 쇳덩어리 정도나 쏠 수 있는데 반해[9] 본 화포는 기존 화약추진을 기반으로 하고 전자기장은 장약 점화에만 사용되니 전자기장이 미치는 범위가 약실에만 한정된다. 따라서 민감한 탄(고폭탄, 정찰포탄, 유도포탄 등등)을 가속하기에 적합하여 다양한 탄종 운용 및 다목적화가 매우 용이하다.
이게 무시할 수 없는 장점인데, 스탈린이 왜 포병이 현대전의 신이라 말한 건지 생각해 보자. 레일건의 가장 큰 문제가 순도 100% 쇳덩어리밖에 못 쏜다는 것이다. 화력덕후, 거함거포주의 이념의 근본이 무엇인지 생각해 보면, 명색이 포란 놈이 고폭탄을 못 쏜다는 건 굉장히 심각한 문제다.
- 레일건보다 더 적은 전력 소모량
전자포와 비교시 전원장치 규모가 1/5 이하로 감소하여 포탑의 중량 및 전력 소모가 지나치게 높아지지 않으니 함선의 배수량, 전력을 더욱 효율적으로 사용할 수 있다.
- 둔감한 추진제 사용으로 안전도 증대
- 기존 화포의 기술 활용
기존 화포와 공정을 공유하는 만큼 규모의 경제에 따라 레일건에 비해 생산 및 유지보수, 개량이 매우 용이하다.
특히 함포로 쓸땐 공간상 제약이 걸린 전차포와는 달리 선박은 강력한 엔진에다 공간도 넉넉하니 전원을 추가하는 것도 용이하다. 이에 따라 이 화포를 함포로 운용할 경우 대함 탄도미사일 수준의 사거리+항공모함에 준하는 정찰 능력+유도탄보다 좋은 가성비를 부여받은 중순양함이나 전함이 다시 힘을 발휘하게 될 것이다.
5.2. 단점 및 해결안
역시나 레일건과 단점이 비슷하다.- 강한 반동
당연하지만 작용과 반작용의 원리에 따라 포구 속도가 빠르면 그만큼 반동이 강해질 수 밖에 없다. 아까 예를 들은 구축함포 Mk.45 5인치 단장포에서 위와 같이 사격했을 때 반동을 계산할 경우 중순양함 함포인 3년식 20cm 50구경장 함포의 74~87% 만큼의 반동을 받음을 예측한다. 물론 현대 구축함들은 대전기 중순양함급 배수량, 전폭을 가지므로 반동 흡수를 잘 할수 있을것이나 중순양함, 전함을 만들 경우 반동 억제를 위해 구경이 상대적으로 작아지거나 함폭이 늘어나는 부작용이 생길 수 있다.
- 기존 화포에 비교 시 추가되는 전원장치로 인한 중량, 부피 증가 및 가격상승
- 대전류 펄스의 발생 및 제어와 관련된 새로운 기술연구 필요
- 포탑 및 포신의 대형화
Mk45 구축함용 함포에서 위와 같이 사격하면 HMS 드레드노트에도 장착된 BL 12인치 Mk X 함포의 76%에 달하는 에너지를 저 조그마한 포탑과 포신이 견뎌야 하고 이를 위해서는 동일 구경 대비 함포체계가 더욱 대형화 돼야 한다.
- 전기에너지에 의한 고온 발생
- 더욱 위험해진 집중 방호 구역
사실 단점이라기보다는 전열화학포의 장점 때문에 파생된 아군의 위험도 상승에 가깝다. 아군뿐만 아니라 적도 전열화학포를 운용하는 상황이면 아군도 전열화학포의 화력에 그대로 노출되기 때문이다. 레일건과는 달리 고폭탄과 장약을 사용하므로 탄약고가 여전히 딸려있을 수 밖에 없는 데다가[10] 위 장점의 관통력 부분에서 보면 알 수 있듯이 3,000 mm를 뚫는 16인치 초고속 철갑탄을 막기 위해서는 경사장갑, 탄속 감소 효과를 고려하더라도 최소 1,000 mm가 넘는 떡장갑으로 집중 방호구역을 보호해야 하는데 이는 사실상 불가능한 선택이며 설사 주포 위력을 구축함 수준으로 타협해 대응방어를 하려 해도 포탄을 막으려면 2차대전기 전함 수준 장갑을 둘러야 하는 무리수를 둬야 한다.[11] 당연히 이렇게 할 경우 배수량은 폭등하고 효율과 기동력은 떨어지니 장갑을 더 붙일 수도 없는 노릇이므로 결국엔 군함의 상대적인 방호력이 내려가게 된다. 즉, 모든 함선이 순양전함화 되는 것. 사실 패러다임이 바뀐건 아니다. 작금의 현대 해전도 대함 미사일의 급속한 발전 때문에 누가 먼저 맞추나 싸움이 된지 오래이기 때문.
다음으로 전열화학포 구성품의 성능을 결정하는 가장 중요한 요구사항은 전원장치 에너지 밀도와 전기 및 화학에너지 비율이다. 즉 전열화학포의 무기체계 선정에 있어 가장 큰 문제점은 전원장치의 부피 및 중량 문제이며, 이를 해결하기 위한 전원장치의 고밀도화 해결이 필수적이다. 따라서 전열화학포의 추진에너지는 전자포에 비해 전원장치의 규모를 최소화하기 위한 전열추진 개념 연구, 기존 추진제보다 에너지 밀도가 높고 둔감도가 우수한 추진제 사용 방향 연구가 필요하다. 게다가 전열화학포의 제어성, 포구속도 재현성 및 고밀도 전원장치 등의 무기체계화시 발생될 수 있는 문제점 해결을 위한 연구를 병행하여야 할 것으로 보인다.
[1] #@[2] 한국뿐만 아니라 미국 등 다른 선진국가도 마찬가지이다.[3] 대구경 화포는 냉전 말기에 연구되다가 중단되었으나 현재는 각국에서 다시 개발 중이다. 가령 130 mm 135 mm, 140 mm, 심지어 152mm 까지 연구되고 있다.[4] 하지만 후술 하다시피 본 화포를 차세대 함포로 사용할 경우 강력한 성능을 온전히 발휘할 수 있으면서도 축전기 관련 단점은 여유로운 함 내 공간으로 어느 정도 상쇄할 수 있으니 함포 체계로 계속 개발을 할 필요가 있다.[5] 사실 이론상으로는 폭발물이 없는 순수 질량체도 엄청나게 빠른 속도로 부딪히면 대폭발이 일어나서 종국에는 같은 질량과 부피의 폭발물보다 더 큰 파괴력을 내게 된다. 문제는 그 속도가 현재 기술로는 대기권 내 움직임만으로 달성할 수 없는 우주적으로 빠른 속도기 때문에 현재 논하기에는 말 그대로 이론에 그칠 뿐이라는 것이다.[6] 스타크래프트의 탱크에 비유하자면, 레일건은 퉁퉁포밖에 못 쏘고 전열화학포는 퉁퉁포와 충격포(시즈모드)를 모두 쓸 수 있다는 얘기다. 전력량이나 기타 요소를 제외하고 단순 화력만 놓고 봤을 때, 둘 중 어느 쪽이 전술적으로 가치가 더 높은 지는 말할 필요가 없을 것이다. 레일건과 전열화학포 각자만의 장점이 있다는 얘기.[7] 에너지 밀도 향상을 위해서는 신물질 및 소재개발이 이루어져야 한다. 현재까지 배터리 분야의 발전이 더딘 것도 현재까지 알려진 소재로는 기존 메커니즘에서 나올만한 성능이 이론적인 한계치만큼 거의 다 올라와 있기 때문이다.[8] 정확히는 전기를 많이 먹는다는 점을 빼면 보복병기 3호의 현대판 상위호환.[9] 레일건을 쏠 때 걸리는 전기장은 고폭탄은 물론 철갑유탄 마저도 바로 터뜨릴 수 있을 정도로 강력하다. 당연하지만 정찰포탄, 유도포탄도 사용 할 수가 없다.[10] 단, 이는 폭발탄을 운용할 수 없어서 고폭탄 탄약고가 필요없는 레일건쪽이 다목적성을 희생한 기형적인 상황인것으로, 이를 레일건이 전열화학포에 대해 가지는 우위라 보기는 어렵다. 고환이 더이상 터질일이 없다고 해서 고자가 정상인보다 우월한건 아니지 않겠는가.[11] 탄소나노튜브 등의 신소재를 이용한 장갑을 붙인다면 장갑 중량이 어느정도 내려가긴 하겠지만 그래도 중순양함 수준 이상은 붙여야 할 것이다.