Coil Gun.
1. 개요
자기부상열차처럼 탄자를 자기장으로 공중에 띄어놓은 상태에서 코일로 생긴 자기장으로 탄자를 코일 안으로 끌어당기는 과정을 반복해 탄자에 가속력을 키우며 발사시키는 장치.
본디 미국에서 인공위성을 저렴한 가격에 쏘아올리기 위해 고안되었지만 당시 기술상의 문제로 실패하고 현재까지 연구되고 있다.
2. 원리
전류가 흐르는 코일에는 도넛 모양 자기장이 생기고, 이 자기장이 투사체를 한쪽으로 끌어당긴다. 탄자가 첫번째 코일을 지나가면 첫번째 코일은 꺼지고 두번째 코일이 켜진다, 마찬가지로 두번째를 지나면 세번째가 켜지는 식으로 코일을 지나가면 갈수록 탄자는 가속된다. 그리고 마지막 코일에 도착했을때 코일의 전원을 꺼주면 탄자는 그때까지 받은 속력으로 최대속도에 다다르게 된다. 여기에 쓰이는 아주 기본적인 물리법칙을 발견한 사람이 카를 프리드리히 가우스. 그래서 레일건처럼 가우스 병기의 일종으로 분류된다.무기뿐만이 아니라 우주 발사체로도 각광받고 있는데, 매스 드라이버(Mass Driver)라고 하며, 포신을 매우 길게 만들어 특정한 물건을 우주로 쏴버린다는 발상이다. 하지만 이쪽은 리니어 모터를 이용한 전자식 캐터펄트에 가깝다. 발사체에 전류를 흘릴 이유가 없으니 코일건이기는 하지만 모양새만 놓고 보면 레일건과 흡사하기도 하다. 통이 큰 발상이라는데에는 이견이 없지만.
이러한 원리는 만화 속에서 말을 탄 사람이 낚싯대나 나뭇가지를 이용해 당근을 말의 머리 앞에 두어서 열심히 달리게 하는 모습에 비유할 수 있다. 맛좋은 당근(연속적으로 작동하는 코일)을 먹으려는 말은 당근을 따라가고(코일이 앞에서 이끌어 준다) 말은 계속 앞으로 달려나간다(탄환은 계속 가속도를 받아서 속도가 상승한다).[1] 그리고 말이 빠르게 달리는 중 당근을 치운다면(마지막 코일에 도착할 때 이 코일의 전원을 꺼 주면) 말은 관성에 의해 바로 멈추지 못하고 그 속도대로 어느 정도 앞으로 갈 것이다(탄환은 지금까지 받은 속도를 유지한 상태로 앞으로 날아간다).
3. 레일건과의 비교
자기부상열차와는 물체를 움직이기 위해 전자기력을 이용한다는 점만이 비슷할 뿐 작동원리 자체가 완전히 다르다는 점과는 대비되는 부분이기도 하다. 덧붙여 이러한 이유로 인해서, 코일건과 레일건은 서로 각각 원리도 다르고 내부 구조에서도 상당한 차이를 보이게 된다.3.1. 작동원리 비교
전기를 이용한다는 점에서는 레일건과 언뜻 비슷해 보이지만 세부 원리는 완전히 다르다.- 동력원
- 포신의 형태
3.2. 코일건의 장점 / 레일건의 단점
- 긴 수명
쏠 때마다 초고온 아크가 펑펑 터지는 레일건과 달리 코일건에서는 발사체를 잡아끄는 코일에 발사체가 직접 닿지 않으므로 전기장치의 열화가 매우 적다. 게다가 추진 원리상 총열 마모같은 문제에서도 비교적 자유롭다.[3] - 발사체에 전기를 흘릴 필요가 없다.
코일건은 탄체가 강자성으로 당겨져서 발사되는 원리이기 때문에 레일건과 달리 굳이 발사체에 전기를 흘려보내지 않아도 된다. 무기는 아니지만 주로 우주 개발에서 자원을 수송하는 매스 드라이버에 매우 중요한 요소이다. 총신의 마모가 없다는 장점 외에도 코일건은 발사체가 전기를 흘리지 않는다고 해도 자석에게 당겨질 수 있는 물질을 대량으로 함유하고 있기만 해도(철질 운석과 같이 금속이 주성분인 운석 등) 발사할 수 있다. 물론, 발사체가 직접 닿을 필요가 없으므로 총신에 들어가기만 하면 탄환의 모양은 전혀 상관이 없어, 자원의 수송만이 아니라 셔틀 등을 빠르게 발사하는 캐터펄트의 역할로도 사용될 수 있다. - 상대적으로 무거운 탄자를 쓸 수 있다.
코일건의 기술적인 한계는 자기포화점으로 인한 가속도 제한에서 비롯되지만, 반대로 탄자의 크기와 중량 면에서는 상대적으로 자유로우며 레일건보다 더 크고 무거운 탄자를 발사할 수 있다. 이는 코일건의 파생 개념 중 하나가 매스 드라이버인 이유이기도 하다. - 자장 폭발력이 없다.
레일건에서는 매우 강한 자장이 발생하여, 총신에 큰 충격을 일으키고 총신이나 레일을 파괴할 수 있으나, 코일건은 일반적인 전자석의 코일을 여러 개로 늘어놓은 것과 같아서 자장 폭발이 일어나지 않는다. 때문에 코일건은 레일건보다 오랫동안 사용될 수 있다. - 정숙성
총기의 소음은 장약의 폭발음, 기계적 구동부의 소음, 발사체와 총신간의 마찰소음, 발사체와 공기와의 마찰소음 이렇게 네 가지로 크게 나뉘는데, 코일건은 저 중에서 가장 큰 비중을 차지하는 장약의 폭발음을 거의 완벽히 제거할 수 있다. - 코일을 여러 방향으로 배치하여 총알의 발사각을 제어할 수 있다.
총기를 움직여서 총알의 발사각을 제어하는 것과 총알 자체가 다른 방향으로 발사되도록 하는 것은 대응속도가 차원이 다르다. 또한 제어를 컴퓨터에게 맡길 수 있어 사람이 제어하는 것 보다 높은 정확도로 목표를 타격할 수 있다. 현재 드론에 총기를 탑재하는 방식의 가장 큰 문제점은 낮은 명중률에 있다. 목표를 조준하려면 드론이나 총기의 자세를 바꾸어야 하는데 이는 긴 시간이 걸리기 때문이다. 총알의 발사각을 제어할 수 있으면 직선형이었던 타격범위가 원뿔형으로 바뀌게 되어 이러한 문제를 해결할 수 있다. 다만, 실제 구현하기 위해서는 상당한 수준의 탄도학과 정밀 센서를 필요로 한다.
3.3. 코일건의 단점 / 레일건의 장점
- 레일건에 비하여 전력 대비 가속도가 낮다.
전자장의 세기는 거리가 멀수록 제곱으로 약해지는데, 코일건은 총알과 전자장의 거리가 항상 어느 정도 떨어져 있고 그것으로 총알을 끌어당기는 방식인 만큼, 전자장의 직접적인 반발을 일으키는 두 자장의 거리는 없는 거나 마찬가지인 레일건에 비해 가속도가 낮고 결과적으로 에너지가 낭비된다. 굳이 따지자면 제대로 만들지 않았을 때 단발 발사시 레일건의 효율이 훨씬 더 높다. 그리고 제대로 만들기 위해선 밑에 나왔듯이 미칠듯이 복잡한 회로 설계라는 난관을 돌파해야 한다(…). 이를 해결법이라고는 코일을 초전도체로 만들어 총알을 발사하고 남아 잉여가 된 전류를 따로 회수하거나, 유동적으로 코일을 전환해 다른 총알의 발사에 쓰는 것 정도인데 아직은 초전도체 냉각제 유지비용이 크기 때문에 레일건과 마찬가지로 개인화기에서 연발에 대해 지금은 현실성이 없다. 수랭식 기관총으로 돌아가는 셈이라고 한번 생각해보자.[4]
사실상 현대에 재래화기보다 앞서는 성능을 내보일 수 있는 부분이라고는 총알 값, 늘어난 장탄량, 탄체의 유연한 발사각 제어와 저소음 등이다. 여성이나 신체가 약한 사람들의 경우, 또는 완전자동 연발사격 시에는 상대적으로 저반동이라는 것도 장점이 되긴 한다. 그 외에는 아직도 화약을 고수하는 군대에서 꺼릴만한 것[5]으로 가득 차있다. - 효율성 높은 소형화가 어렵다.
레일건이 구경이 커질수록 총열의 마찰열을 방열하는데 어려움을 겪어 대형화가 어려운 것과는 반대로 코일건은 소형화가 어렵다. 일단 강자성으로 탄체를 끌어당긴다는 원리상 모든 물질에는 자기포화점(Magnetic Saturation)[6]이 존재하므로 초전도체 도입이 이뤄지지 않는 한, 일정크기 이하의 투사체의 가속력을 높이는 데에는 지장이 있다. 이를 해결하는 방법은 자기장 축적한계점을 높이기 위해 더 큰 투사체 즉 대형화 시켜 사용하는 것이며, 이는 곧 코일건의 대구경화로 이어진다. 즉, 이런 한계 때문에 일정이하 위력의 병기(소구경 함포나 전차포/대전차포 등)로는 이미 도입된 재래식 화기보다 못하다. 반대로 레일건은 자기포화점 문제에서 어느정도 자유롭기 때문에 소구경화가 코일건에 비해서 용이하다.[7] - 탄속을 높일 경우 탄자 가격이 매우 비싸진다.
철 덩어리를 발사하는 경우 가격이 싸지만, 탄속이 낮아진다. 전력 변압기용 특수금속인 비결정성 금속[8] 과 같은 특수합금으로 강자성을 가진 특수탄은 만들 경우 경우 투자율 [9]이 200배 정도 차이가 난다. 코일건의 출력과 탄자의크기에 따라 달라지겠지만, 출력과 탄자의 크기에 제약이 심할 경우 몇배 가량 탄속 차이가 날 수도 있다. - 회로가 상당히 복잡하다.
현재 코일건의 제일 큰 문제점은 코일의 전원 공급을 하는 시간을 조정하는 컴퓨터 프로그램이라고 한다. 정확히는 비등속성 가속도에 탄자별 속도 계산이 들어가야되기 때문에 프로그램만의 문제라기보다는 센서의 성능 미달까지 포함하는 문제. 물론 어지간한 공대생이면 그럭저럭 기초설계로 권총 수준까지는 만들수가 있으나 소총의 위력을 내려면 그때부터는 계산이 미칠듯이 복잡해진다. 인아웃풋의 회로만해도 헬게이트 강림수준.그나마 아두이노로 만들면 수월하다, C언어를 써야하지만이거도 옛날이야기되었고 요즈음엔 모바일장치 발전으로 그냥 수식에 맞게 코드를 짜서 코일을 작동시켜주면 된다 - 자기장을 사용한다.
강한 자기장을 사용하므로 사거리 수Km 이하의 단거리 코일건은 발사순간 적군의 자기센서에 의해 위치가 발각될 수 있다. 또한 총알이 철과 같은 강자성체일 경우 코일건의 발사 순간 자화되어 총알을 탐지할 수 있다. - 총기 단속의 까다로움.
탄을 발사하는 데 화약을 쓰지 않기 때문에 원천 금지하려면 민간 시장에 나도는 대다수 부속의 충방전 속도 또는 저장 전력량 제한을 걸어야 하는데, 민간 시장의 경쟁력 저해로 나타날 지도 모른다는 주장이 있다. 그렇지만 이건 소지 및 사용시의 처벌수위를 높이면 일정부분 억제되는 부분이고, 전자부품과 각종 지식 자체의 접근성이 그렇게 용이하진 않은 편이기에 꼭 어떻다고 말은 못한다.
어차피 요즈음의 수준이면 실탄화기조차 두세발 즈음 대충 쏘고 박살나는 수준이라면 오패산터널 총격 사건처럼 개인용 CNC나 3D 프린터, 또는 조잡한 쇠파이프를 잘라다가 총을 만들 수 있고 화약은 폭죽이나 실험도구에서 꺼내 만들 수 있다. 화공지식이 조금 있다면 비료 등을 확보해서 사제폭탄을 만들 수도 있다. 사실 그정도까지 안가도 부탄가스통에 시한신관을 장착해서 사제 수류탄을 만들어 터트리고 소년원에 간 중학생도 있었다.
결론부터 말하자면 각종 전자부품의 조립과 납땜, 코딩 능력이 있으면 매우 귀찮은 과정을 거쳐 코일건을 만들기는 할 수야 있겠지만 이런식으로 지식이 있으면 개인이 어떻게든 만들 수는 있는건 석궁이나 쇠뇌, 실탄화기나 네일배트, 독이 발린 못이 박힌 각목 등 다른 불법무기도 마찬가지이고, 범죄자 입장에서는 빼박캔트 계획범죄가 되어 사후의 형량과 사전적발위험을 높이고 도주를 방해하며 증거물 처리가 어려워지는 리스크를 감안하고 굳이 코일건을 만들어 쓸 이유가 없다. 현실에서는 조폭들조차 도주와 은닉, 은폐, 무기의 신속한 확보와 폐기의 용이성 등을 감안해서 식칼이나 쇠파이프, 알루미늄 야구빠다 쓰는 게 일반적인 걸 감안하자. 총기 허용 국가라면 어떨까도 싶겠지만 그런데서는 그냥 암시장에서 총번 지워 놓은 총 사다가 쓰는게 제일 효율적이고 실제로도 미국에선 그렇게 범죄가 일어난다. - 레일건에 비해 과연 반동이 적은가?
탄체가 포신과 닿지 않는다는 장점 덕분에 같은 출력이라면 코일건 쪽이 레일건에 비해 체감 반동(충격)이 적다는 주장이 있으나, 이에 대해서는 반동은 발사체와 포신의 운동량 보존법칙의 결과로 생기기 때문에 포신접촉과 반발력 사이에 큰 관계가 없다는 반론도 제기되고 있다.
일단 탄속이 증가하고 발사체의 질량이 감소하면 동일한 에너지에서 반동은 감소한다. 그래서 화학식 병기보다는 반동이 감소하겠지만 (상대적으로) 작은 질량을 고속으로 쏘는 것은 레일건도 동일하기에 레일건과의 반동의 차이는 이론상으로는 크다고 할 수 없다. 물론 레일건의 소형화가 어렵기 때문에, 실현되었을 시의 일반적인 비교로는 소형화기와 대형화기의 차이가 되므로 그 의미에서는 레일건보다 반동이 적어질 수 있다는 얘기도 어느 정도는 맞다.
다만 이런 특성 덕분에 회로가 복잡한 것을 제외하면 레일 등에 의한 제약이 필요없기 때문에 발사한 탄환을 가속시키는 전자 가속기의 역할로서, 즉 전열화학포의 핵심부로서 충분히 활용 가치가 높아 레일건보다 실용성 있는 무기로 검토되고 있었으나... 현실은 전열화학포는 비용 대 성능 문제로 사장되다시피 하고 있고 레일건은 이미 함포 제작 단계로 접어들고 있다. 그러나 미 해군에서 결국 현재로써는 레일건 실전투입이 효율을 살릴 수 없다고 보았는지 레일건마저 취소되었다.(...)
4. 기타
의외로 만들기가 쉬워 외국에서는 아마추어 무기 매니아들이 수제로 만드는 경우도 있다.제대로 만드는 게 아니면 효율이 참 거지같다. 1250J의 에너지를 부었는데 정작 탄자는 25J의 운동에너지밖에 못 가지고 있다든지...[10] 25J이 많아보인다고 생각한다면, 총알 맞고 죽을 확률보다 총알맞고 빡친 사람한테 맞아죽을 확률이 더 높다는 악평이 있을정도로 약한 .25 ACP 탄의 운동에너지가 60~80J가량이다... 거기다가 .22 Long Rifle도 200J이 넘는 운동에너지를 가지고 있다. 즉 잘해봐야 공기새총 수준밖에 안된다. 그래도 이해가 안 간다면, 1.5L짜리 물이 든 물통을 바닥에 약 167cm 높이(성인 남성의 눈높이 정도. 일상생활에서 충분히 볼 수 있다.)에서 떨어뜨리면 그 때 바닥이 받는 충격이 25J이다.
외국 용자들 중에서 권총형 코일건을 만들어 노는 사람들도 있다…간단한 코일건 정도는 만들기 쉽다. 코일 만드는 건 전선을 동그랗게 말기만 하면 되기에 꽤 쉽다. 문제는 전원공급과 탄자지만… 뭐 하려면 못할건 없다. 다만 코일을 더 많이 감을수록 위력도 급격히 강해지지만 그만큼 난이도도 급상승한다. 못 같은 물건을 쏴서 수박을 뚫어버릴 수 있을 정도의 코일건을 만들려면 공대생 레벨의 회로설계는 필요하다. 그것도 전자공이나 관련 학과. 할 사람은 감전 되지 않게 조심하면서 만들기를 추천한다. 그리고 위험한 정도가 아니면 경찰도 신경쓰지 않으니까…게다가 검색해도 방법은 그럭저럭 나온다. 원리만 이해하면 아두이노와 모스펫 등을 이용해서 만들 수도 있다.[11]
놀랍게도 상용화된 코일건인 E-Shotgun이라는 물건이 생겼다. 산탄총이라는 이름이라 산탄을 쏠 것 같지만 네모난 외형에 크기는 PDW처럼 작고 사용하는 탄환은 수은 전지처럼 생겨 진짜 산탄총과는 거리가 멀다. 이 수은 전지 탄환(?)은 발당 3~16J정도로 작지만 이 사이즈가 작아 50발이 들어가고 반자동 혹은 5점사를 지원하는데 그 연사력이 2600rpm에 달하며 한번 충전하면 600~700발을 연속으로 쏠 수 있을 정도로 고성능이다. 이걸 만든 회사에서는 홈 디펜스용으로 판촉하고 있는데 기술력을 쌓아올려서 개량형을 내놓는다면 모든 환경에서 사용 가능하면서 지문 인식 및 원격 온오프 기능, 내장된 칩을 통한 FCS와 비슷한 시스템을 추가할 예정이라고.
4.1. 대중 매체에서의 코일건
코일건 자체가 가우스 무기인 만큼 SF매체에서 꽤 자주 나온다.- 기동전사 건담 수성의 마녀 - 빔 병기가 주류인 세계이지만 인간이 사용하는 소총이나 권총 등의 개인화기로는 여전히 실탄 화기가 쓰이고 있는데, 지구 측 세력에서는 평범하게 화약식 화기를 개인화기로 사용하지만 반대로 우주 측 세력에서는 코일건 형식의 전자기식 화기를 개인화기로 사용한다고 설정되어 있다.
- 헤일로 시리즈 - MAC건이란 이름으로 UNSC의 최종병기급 주력 함포로 등장하며 코일건 기술이 접합되어 있다고 한다. 이게 위력이 강한 것은 더럽게 세서, 인류 함선들은 아예 함선에 포를 다는게 아니라 이 포를 중심으로 함선을 만드는 수준이며 함선의 부포,국지방어포,전투기의 기관포,기지의 방어포좌,차량과 보병의 가우스 무기도 절대 다수가 코일건이다.[12] 궤도방어위성들은 질량 3천톤의 포탄을 광속의 4%로 가속하며, 인류 최대급 함선인 인피니티의 경우 구경 27미터의 포탄을 광속의 25%로 날려 함포가 아니라 대행성병기 레벨의 화력이다.
- 플래닛사이드 2 - 신흥 연합국 진영의 자동소총 무기가 대부분 코일건 기술로 되어있다. 가우스 무기라 그런지 대부분 연사가 약간 느리지만 강력한 화력을 가지고 있다.
- 카운터 스트라이크 온라인 - 기관총으로 나온다. 팀데스매치에서는 본좌급 총기인 MG36보다 더 강력한 성능을 보여주며, 좀비 시나리오에서 잡몹들 상대로 탁월한 성능을 보인다.
- 코드 기아스 시리즈 - 코드 기아스 세계에서 나이트메어 프레임이나 각종 기갑차량 및 함선 등등이 사용하는 실탄 화기들은 기본적으로 코일건이라고 설정되어 있다. 나이트메어 프레임이 주력 무장으로 쓰는 어설트 라이플 같은 것들도 실은 다 소구경 코일건이고, 전차의 주포나 군함의 함포 같은 것도 전부 대구경 코일건이라는 설정. 심지어 보병용의 개인화기 및 공용화기도 설정상 모두 코일건이라 한다. 상온 초전도 물질인 사쿠라다이트를 사용한 고용량 배터리 덕분에 이렇게 광범위한 코일건의 상용화가 가능해진 것으로 보인다.
- Cataclysm : Dark Days Ahead - 권총으로 등장하며 SF 좀비 아포칼립스 게임이라 그런지 등장하며 설정상으로는 집에서 만든 무기라 한다(...). 좋은 데미지를 가지고 있어 사용가치가 높다.
- 노바1492 시리즈에서 개량되거나 다음 세대로 발전된 리코일건이 있다. 위에 원리대로 실탄이 보이는것이 특징이며 노바2에선 소형 팔형무기로 나오며 친척인 레어템 핸드레일건이 있다.
- 데드 스페이스 시리즈 - 펄스 라이플 : 먼 미래의 군용 자동소총으로 지구정부를 비롯한 다양한 기관들에서 사용하고 있다.
- 톰 클랜시의 디비전 2 - 특급 지정사수소총 네메시스. 총열 부품으로 다단 나선형 전자기 투사체 가속 장치를 달고있다. 덕분에 게임 내 가장 강한 단발 대미지를 가지고 있지만 사격 전 약 2초간 충전이 필요하다.
- Phantom Forces 저 위에 있는 E-GUN이 등장한다. 연사력이 압도적으로 빠르지만 대미지가 낮아서 사실상 예능용.
- 데빌 메이 크라이 시리즈 - 데빌 메이 크라이 5에서 네로가 쓰는 데빌 브레이커 의수 중 "톰보이" 라는 물건이 있는데, 이걸 사용하고 사격을 하면 권총 앞에 코일을 배치시켜서 총탄을 가속하는 기믹이 나온다.
5. 관련 문서
[1] 다른 예로 쇠구슬을 놔두고 앞에서 자석을 끌고 앞으로 달려가는 것을 생각해 보도록 하자. 자석을 충분히 빠르게 끌고 간다면 쇠구슬은 자석에 붙지 않은 상태로 계속 뒤를 따라올 것이다.[2] 자기장에 강하게 자화되는 물질. 보통 철이나 니켈과 같은 금속들.[3] 다만 소구경탄을 이탈피를 쓰는 플레셰트 형태로 만드는 것은 매우 비효율적이라 회전 관성으로 탄도를 안정시켜야 하는데, 그러면 필연적으로 강선에 꽉 물려야 하니 총열 마모가 없을 수는 없다.[4] 일단 작동이 가능한 냉각 성능 확보에는 공랭으로도 충분하겠지만, 초전도체를 언급하는 중이다.[5] 유지보수 곤란, 생산비 폭증 등등[6] 투사체에 전자기가 한계점까지 축적되면 포화상태가 되어, 그 이상부턴 더 강한 전류를 흘려도 가속되지 않는다.[7] 레일건도 제일 큰 난제 중 하나인 전력 소모량 문제 때문에 최소 원자력 함선에 함포로 달자는 지경이지만, 최소한 레일건 구조 자체는 소형화가 훨씬 쉽다는 얘기이다. 다시 말하자면 코일건은 전기공학적인 문제로 소형화, 재래식 화기와의 차별화 문제로 대형화가 어렵고, 반대로 레일건은 공학적인 문제로 대형화, 그리고 코일건보다 더한 동력 문제로 소형화가 어렵다.[8] Magnetic Metal Glass[9] permeability[10] 당연히 이건 코일건 자체적인 한계라기 보다는 코일을 얼마나 많이 감았느냐의 문제다. 코일을 고작 한두개 감아놓고 많은 에너지를 부어버리면 에너지 손실이 상당히 크다. 코일을 더 많이 놓으면 효율이 나아지지만 문제는 코일이 많아질수록 설계와 제어 난이도가 기하급수적으로 증가한다는 것.[11] 재료도 국내에서 구할 수 있는 재료들이다. 하드웨어를 만드는건 쉽겠지만, 코일의 전기를 껐다가 키는 타이밍을 맞추는건 힘들 것이다[12] 물론 코브라 전차나 ARC-920 레일건 소총같이 일부 레일건도 쓰이긴 한다.