표도기의 건설 현장
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표도기
매스 드라이버란, 자기장에 의한 효과로 물체를 가속시키는 장치를 말한다.
기본적으로는 동일한 자기장의 반발 효과를 사용하여 물체에 힘을 가하는 것을 의미하는데, 간단히 말하면 자석 2개의 같은 극을 마주했을때 밀쳐내는 것과 같다고 할 수 있다.
매스 드라이버는 전기 만으로 작동시킬 수 있어, 로켓이나 화약과는 달리 별도의 연료를 소모하지 않는 것이 장점. 때문에, 우주 시대에 대형 물자를 원하는 위치까지 수송하도록 하는데 적합한 시설로서 검토되고 있다.
구체적인 계획으로는 소행성이나 달에서 채취한 광물을 지구로 보내는 경우에 사용될 것으로 예상되며 현 시점에서도 여러 단체나 학계에서 다양한 연구가 행해지고 있다.
이러한 형태의 자원 수송용의 시스템은, 대형의 매스 드라이버와 이 광물을 받기 위한 캐처(매스 캐처.Mass Catcher)의 두가지 시스템으로 이루어진다.
매스 드라이버는 대형의 물체를 비교적 손쉽게 고속으로 가속시킬 수 있기 때문에, SF WAR의 세계 속에서는 전략 병기(위성 크래셔) 등으로 사용되는 경우도 많다.
드래고너 등의 애니메이션에서는 달에 설치된 광물 수송용의 매스 드라이버가 도시를 괴멸시키는 전략 병기로 전용되었으며, 헤비기어 2 게임에서는 지구군이 테라노바 식민지에 피해를 주기 위하여 이 병기를 사용하기도 했다.
레일건은 소형의 매스 드라이버를 가리키는 용어이다.
레일건이라는 이름은 전류를 흘리는 전선을 따라서 발사체가 가속되어 날아가는 과정이 마치 열차가 레일을 달려서 가속되는 것과 비슷하기 때문에 붙은 이름으로, 엄밀히 말하면 입자 가속 총(Particle accelerator gun), 또는 전자장 가속 발사기(Electromagnetic pulse accelerator launcher)라고 불러야 한다.(레일건이란 이름은 일종의 별명이라고 할 수 있다.)
현재는 이레이저를 비롯한 다양한 영화의 영향으로 레일건이라는 명칭이 정착되었으며, 여러 SF 팬들에게 인기있는 무기의 하나로 떠오르고 있다.(현재는 퀘이크를 비롯한 거의 모든 미래 배경의 1 인칭 액션 게임에 사용되는 무기이기도 하며, 헤비기어, 메크워리어 등에서도 사용되었다. 참고로 메크워리어에서는 가우스 라이플이라는 이름으로 등장했다.)
레일건은 1970년대 초, 실제로 연구가 시작된 병기이며 80년대 제안되었던 SDI 계획에서 사용하기 위하여 다양한 연구가 행해졌다.
현 시점에서도 레일건은 전함 용의 미사일 요격 시스템과 같은 다분히 전술적, 전략적인 무기로서 개발이 진행 중에 있으며, 보다 현실적인 무기로서의 개량이 진행 중에 있다.(미해군에서 함선용의 레일건을 개발 중에 있다는 것은 사실 극비 정보로서, 영화, " 이레이저 "에서 이 이야기가 소개되었을때 관계자들이 충격을 받았다는 소문이 있다. 물론 어디까지나 소문으로 영화에 나오는 정도는 흔한 이야기라고 치부했을 가능성이 더 클 것이다.)
레일건은 화약식 무기에 비해 이론적으로 다음과 같은 장점을 갖고 있다
- 총성을 듣지 못한다. - 레일건의 총탄이 음속을 넘어서면 제트기가 날아갈때와 같은 강력한 충격파가 발생하기 때문에 실제의 소리는 더 크다. 그러나, 총탄이 소리보다 빨리 도달하므로 목표는 총성을 들을 수 없다.
- 불꽃이 없다. - 레일건은 화약을 사용하지 않기 때문에 한밤 중에도 발사시에 아무런 흔적을 남기지 않는다.(영화나 게임에서 탄두의 궤적이 남거나 불빛이 나는 것은 단지 화면 효과일 뿐이다.)
- 위력의 한계가 적다. - 레일건은 전류의 양에 따라 총탄의 속도가 달라진다. 때문에, 속도의 증가에 제한이 있는 소총에 비해 훨씬 빠른 탄두 속도를 자랑한다.(영화 이레이저에서 "지구 최강의 돌격 라이플"이라는 말은 바로 이를 의미한다.)
- 총탄의 크기가 작다. - 레일건은 장약을 사용하지 않기 때문에 탄두 자체가 총탄의 역할을 한다. 때문에, 보다 작은 탄알집에도 많은 수의 탄환을 갖출 수 있다.(메크워리어 게임에서는 레일건의 다른 이름인 가우스 라이플이 등장하는데, 이 탄환 수가 적은 것은 단지 게임의 밸런스를 맞추기 위함일뿐. 실제로는 오토캐논에 비해 많은 수의 탄환을 장비할 수 있다.
레일건이라는 무기에 다양한 장점이 있음에도, 현재 이 무기는 실용화되어 있지 않다. 더욱이 영화나 게임에서 등장하는 보병용의 소총의 개발은 아예 시도조차 이루어지고 있지 않은데, 이는 레일건의 개발에 있어 몇가지 어려움이 존재하기 때문이다.
특히, 소총으로 개발하기에는 무엇보다도 반동이 강하다는 단점이 있다. 얼핏 생각하기에 레일건은 자장의 반발 만으로 발사되기 때문에 충격이 약할 것으로 생각하기 쉽지만, 뉴턴의 제 3 법칙(모든 물체에 힘이 작용할때는 그 반대되는 방향으로 같은 힘이 작용한다.)에 의해서 총탄이 발사될때, 그 반대쪽으로 힘이 작용하기 때문에 상당히 강한 힘이 전해진다.
그 충격을 생각해 보면, 다음과 같다.
총탄의 가속도가 2km/ss(1초에 2km 속도까지 가속)라고 하고, 총탄의 무게가 30g(BB탄의 3배 무게)이라고 한다면, 그때 가해지는 충격은 약 60Ns. 즉, 초속 1m로 움직이는 60kg 물에 부딪친 정도의 충격이 총기를 통해 전해진다.
이 정도면 그다지 크지 않겠다고 생각하겠지만, 총기라고 한다면 버튼(방아쇠)를 누르는(당기는) 순간, 발사되지 않으면 안된다. 따라서 1/10초 만에 총탄이 나간다고 해도 충격은 자그마치 600Ns. 초속 10m로 움직이고 있는 60kg 물체와 부딪치는 충격(100m 달리기를 하고 있는 칼루이스 선수와 정면으로 부딪치는 충격)이 총기의 개머리판을 통해 전해지는 것이다.
만약, "이레이저" 영화 속에서와 같이 콘크리트도 꿰뚫을 수 있는 레일건이라면 그 속도는 초속 4~5km 정도. 그 충격은 1200~1800N. 2마력이 넘는 힘이 되므로, 보디빌딩으로 단련된 아놀드의 팔이라도 견뎌내지 못하고 말 그대로 육시되고 말 것이다.(육시란 팔, 다리, 머리에 말을 메달고 달리게 하는 형벌을 말한다. 한쪽 팔에 2 마력, 즉 말 두마리의 힘이 전해진다면 인간이 견딜 수 있을까?)
보병용 화기로 사용할 수 없는 또 다른 단점은, 음속의 4배에서 5배에 달하는 레일건의 탄두가 강력한 충격파를 발생시킨다는 점이다. 탄두가 작고 순간적이기에 그 충격은 제트기 정도는 아니지만, 창문을 깨뜨리고 주변 사람들이 넘어질 정도의 충격이 가해진다.
하지만, 고정되어 있는 함선 등에서 사용하는 무기로서의 레일건은 현 시점에서도 계속 개발 중에 있다. 그러나, 기술적인 어려움으로 인하여 실용화에는 문제가 있으며 아직 공식적으로 사용되고 있는 것은 없다.
레일건의 기술적인 문제점은 다음과 같다.
- 자장 폭발력 - 레일건에서는 총알이 발사되는 레일에서 서로 반대 방향의 자장이 발생하며(마치 자석의 같은 극끼리 향한 것과 같은 상태) 이는 두개의 레일이 서로 바깥쪽으로 향하는 강한 반발을 일으킨다. 약한 자장이라면 큰 문제가 없지만 레일건에서는 매우 강한 자장이 발생하여, 총신에 큰 충격을 발생시키고 총신이나 레일을 파괴할 수 있다.
- 열에 의한 에너지 손실 - 전기를 흘리게 되면 초전도체가 아닌한 필연적으로 열이 발생하며, 특히 전류가 높을수록 열에너지 손실도 커진다. 이는 에너지 낭비 만이 아니라 총기 자체를 가열시키는 문제점을 발생시키고 연사에 어려움이 있기 때문에, 필연적으로 냉각 시스템을 갖추어야 한다.
- 자장에 의한 에너지 손실 - 두 레일 사이의 자장은 서로 반발하게 되는데, 이에 따라 전류의 흐름에 저항이 걸리게 되고 에너지 손실을 입게 된다. 더욱 강력한 위력을 내기위해 전력을 높일수록 자장은 강해지고, 그만큼 저항도 강해져 낭비가 심해진다.
- 대량의 전력 손실 - 탄두의 무게가 커질수록 대용량의 전력을 소모한다. 최근의 실험 결과에 따르면, ICBM을 파괴할 정도의 위력을 가지는 레일건을 만드는 경우 자그마치 12V의 자동차 배터리 14000개 분량의 전력이 필요하다고 한다. 이는 50억 달러의 비용에 해당하며, 이만큼의 전력을 생산하기 위한 발전 장치를 사용한다면 600억 달러에 달한다고 한다. 이는 현 시점에서 레일건 제작에 장해가 되는 가장 큰 기술적 문제점이 되고 있다.
- 총신의 길이 - 물체를 충분히 빠른 속도로 가속시키기 위해서는 매우 긴 총신을 필요로 한다. 초기의 레일건은 약 5m 길이에 달했으며, 현재는 2m 길이에 초속 1.5~2km 정도의 속도를 낼 수 있다고 하지만 실용화하기 위해서는 1m 수준의 길이에서 초속 2km/s 이상의 속도를 낼 필요가 있다고 한다.
- 레일의 마모 - 레일건의 탄환(발사체)과 레일은 전기가 흐를 수 있도록 밀착되어야 하므로, 고속의 탄환 발사시에 마모가 되기 쉽다. 마모가 되풀이 되면 총신을 자주 교환해 주어야 하는 문제점이 있다.
레일건의 이러한 단점으로 인하여 현재 연구 중인 레일건 프로젝트 중에는 화약식 무기와 병행하는 방향도 검토되고 있다고 한다. 즉, 화약식에 의해서 발사된 총탄을 전자 총신으로 가속하여 보다 강력한 위력을 발휘하도록 하기 위한 연구로서, 더욱 적은 전력으로 강력한 위력을 발휘할 수 있다고 한다.
다만, 총신에 전해지는 반동을 약화시키는데 어려움이 있어 연사 등이 불가능하기 때문에 역시 실용화되어 있지는 않다.
코일건은 레일건과 마찬가지로 자기력을 이용하는 방식으로서 연구되는 또 다른 형태의 무기로서, 레일건에 비해서 보다 실용성이 높은 병기로서 검토되고 있다.
두가지 무기는 자장을 이용하여 가속한다는 점은 같으나, 근본적인 차이가 있는데, 그것은 레일건의 경우 탄환에 전기를 흐르게 하여 이때 발생하는 자장과 레일에 발생하는 자장의 반발력을 이용하여 추진하는 것임에 반하여, 코일건은 자장에 이끌리는 물체(금속 등)를 탄환으로 삼아서 여러개의 코일을 차례대로 전자석으로 작동시켜 끌어당김으로서 가속되는 방식을 취하고 있다는 것이다.
코일건의 원리는 다음과 같은 그림으로 설명된다.
위의 그림에서 탄환의 역할을 하는 나사못(자석에 붙는 것이라면 나사못이 아니라 열쇠나 인형이라도 관계없다.)은 4개의 코일 한쪽 끝에서 출발한다.
우선, 첫번째 코일에 전원이 들어오고, 탄환은 코일의 자장에 끌려서 첫번째 코일에 접근하게 된다. 첫번째 코일에 탄환이 도착하면 두번째 코일에 전원이 들어오게 되고 탄환은 전진하던 힘을 받아서 계속 앞으로 향하게 된다. 탄환이 첫번째 코일을 지날때 첫번째 코일의 전원은 꺼지고 두번째 코일의 전원이 켜진 상태에서 세번째 코일의 전원이 켜진다. 이에 따라 탄환은 두번째, 세번째 코일 쪽으로 이끌려지게 되며 가속도를 받아 더욱 속도가 높아진다. 같은 원리로 세번째, 네번째 코일이 켜진 경우에도 탄환은 두번째 코일을 지나 다음 코일로 향하게 된다.
이러한 원리는 만화 속에서 말 앞에 당근을 두어서 열심히 달리게 하는 모습과 비유될 수 있다. 즉, 연속적으로 작동하는 코일이 앞에서 이끌어주어 탄환은 계속 가속도를 받아서 속도가 상승하게 된다.(이해가 어렵다면, 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.) 그리고 마지막 코일에 도착할때 이 코일의 전원을 꺼주면 탄환은 지금까지 받은 속도를 유지한 상태로 앞으로 날아간다.
이렇게 작동하는 코일건은 레일건에 비해서 다음과 같은 이점을 가지고 있다.
- 총신의 마모가 없다. - 코일건은 레일건과 달리 발사체를 유도하는 코일에 발사체가 직접 닿지 않는다. 위의 사진 중에서 우주 공간에 떠 있는 거대한 매스 드라이버는 레일건이 아닌 코일 건으로 사진에서는 철질 운석(주성분이 금속인 운석)을 여러개의 코일을 통해서 가속시키고 있다.
- 발사체에 전기를 흘릴 필요가 없다. - 이는 주로 우주 개발에서 자원을 수송하는 매스 드라이버에 있어 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 수송 만이 아니라 셔틀 등을 빠르게 발사하는 캐터펄트의 역할로도 사용될 수 있다.
- 자장 폭발력이 없다 - 코일건은 일반적인 전자석의 코일을 여러 개 늘어놓은 것과 같아, 레일건에서 일어나는 것 같은 레일 사이의 강한 반발력이 발생하지 않는다. 때문에 코일건은 레일건보다 오랫동안 사용될 수 있다.
이렇듯 여러가지 이점이 있기 때문에 코일건의 활용 가능성은 점차 넓어지고 있다.
다만, 코일건은, 전자장을 만들어내고 그것을 이용해서 총알을 끌어당기는 방식이기 때문에, 거리에서의 전자장의 직접적인 반발을 이용하는 레일건에 비해서 가속도가 낮고 에너지의 낭비가 심한 것이 흠이다.
전자장의 세기는 거리가 멀수록 제곱으로 약해지는데, 코일건은 총알과 전자장의 거리가 항상 어느 정도 떨어져 있기 때문에 공급한 전력 만큼의 효과를 거두기는 어렵다. 하지만, 레일건에서 반발을 일으키는 두 자장의 거리는 사실상 0이기 때문에(다시 말해 두개의 자석을 억지로 붙인 상태라고 보면 된다.) 공급한 전력에 대한 효율이 코일건에 비해서 압도적으로 높다.
이렇듯 코일건은 그 자체만으로 무기로 사용하기 어렵다는 단점이 있지만, 레일 등에 의한 제약이 필요없기 때문에 화약 등을 사용해서 일단 발사한 탄환을 가속시키는 전자 가속기의 역할로서 충분한 활용 가치가 있다.(또한, 무기로서 만이 아니라, 코일건은 철을 많이 함유한 광석 등을 날려 보내는 매스 드라이버 등 운송 수단으로서의 활용 가치도 있다.)
물론, 코일건 역시 레일건과 마찬가지로 강한 반동을 갖고 있으며, 매우 많은 전력을 필요로 하기 때문에, 아직 본격적인 의미에서 실용화가 되어 있지는 않다.
레일건은 이와 같이 두개의 전선 사이에 전기를 가하고 발사체를 넣은 형태로 구현된다. 발사체가 레일 사이에 놓여지게 되면 발사체를 지나 전류가 흐르고 발사체는 힘을 받아 앞으로 날아간다.
때문에 레일건의 레일과 발사체는 모두 전류가 흐를 수 있는 물질이어야 하며, 발사체는 레일의 폭과 같은 두께를 갖고 완전히 밀착되어야 한다.
레일건의 원리를 이해하기 위해서는 바로 아래의 그림과 같은 오른손 법칙을 이해할 필요가 있다.
오른손 법칙은 도체(레일)를 따라 전류가 흐를때 도체 주변에 자기장이 발생한다는 법칙이다. 자기장은 레일을 감싸듯이 발생하며 이때 주변에 사철을 뿌려주면 자기장이 발생하는 모양을 관찰할 수 있다.
이러한 법칙에 따른 레일건의 원리는 다음 그림과 같다. 두개의 레일에서 작용하는 자기장은 레일 사이에서 위쪽으로 작용하며, 발사체 자체에 흐르는 전류는 다시 발사체를 앞으로 감싸는 형태로 자기장을 발생시킨다.
여기서 자기장의 움직임은 발사체의 앞쪽에서는 아래로, 뒤쪽에서는 위로 작용하게 되는데, 이때 로렌츠의 힘(같은 방향으로의 자기장끼리는 밀치고, 다른 방향으로의 자기장끼리는 끌어당기는 힘)이 작용하여 발사체의 뒤쪽에서는 자기장이 반발하고, 앞쪽에서는 당기는 힘이 작용한다. 이에 따라 발사체는 점차 앞으로 밀리게 되고, 점차 가속되어 레일을 떠나게 된다.
이상에서 살펴보았듯이, 레일건은 -다른 기술과 마찬가지로- 상당한 장점과 단점을 동시에 갖고 있는 병기기술이다.
하지만, 레일건 역시 레일건 만의 여러 장점들(빠른 발사 속도 등)로 인하여 현재 군사 기술 차원에서 연구가 진행 중에 있다.
레일건의 가능성은 주로 짧은 시간 동안, 대량으로 빠른 속도의 탄환을 날려야만 하는 대공 방어 체계 등에서 적용될 가능성을 갖고 있다.
레일건이 처음으로 군사적으로 연구되었던 것이 위성 궤도 상의 대미사일 방어 체계인 SDI 계획 당시의 일이라는 점도 그렇지만, 현재도, 주로 해상에서의 미사일 방어 시스템에 도입을 하기 위하여 연구되고 있는 것이다.
또한, 대형의 레일건은 철갑탄을 능가할 수 있는 강력한 대 장갑 병기로서의 운용 가능성도 검토 중에 있다. 이른바 가우스 라이플이라 불리는 형태로서 전차 등의 대형 차량에서 발사하는 것을 고려하고 있지만, 전차 등은 함선에 비해 그 크기가 작아 레일건의 운용에 필요한 대량의 동력을 탑재하기 어렵기 때문에, 현실적으로는 아직 실용화 가능성이 낮은 편.
몇몇 액션 게임에서 나오는 개인 화기로서의 레일건은 전혀 가능하지 않다. 그것은 레일건 자체의 위력이 높아질수록 반동이 강해지고, 그만큼 대량의 동력을 사용해야 하기 때문이다. 또한, 레일건은 전기를 사용하는 장비로서, 모든 환경에서 자유롭게 사용할 수 있는 개인 화기로서는 그다지 적합하지 않다는 문제도 갖고 있다.
굳이 개인을 대상으로 적용하고자 한다면, 스타크래프트의 마린과 같이 파워드 슈츠를 입은 기동 보병이 적합한 형태이지만, 기동 보병은 소형의 장갑차와 같은 것으로 개인 화기의 차원에서 다루어질 수는 없을 것이다.
글 : 전홍식(pyodogi@joysf.com)
Jengel & Fatro's Rail Gun Page
SSI (Space Studies Institute)
Barry's Coil Gun Design
액티비젼 - 헤비기어 2
과거를 아는 이는 현재를 이끌어가고 미래를 알 수 있다고 합니다.
역사와 SF... 어딘지 어울리지 않을 듯 하지만, 그럼 점에서 둘은 관련된게 아닐까요?
역사와 SF... 어딘지 어울리지 않을 듯 하지만, 그럼 점에서 둘은 관련된게 아닐까요?
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rgc83
레일건에 대한 이 소개글은 언제 봐도 훌륭한 글이라 생각됩니다. 다만 지적해야 될 사항이 없는 것은 아니어서, 송구스럽습니다만 뒤늦게나마 몇 가지 지적을 합니다.
본문의 내용 중에는 레일건은 불꽃이 없고 궤적이 남지 않는다고 설명되어 있는데, 최근 공개된 레일건 시험발사 동영상(http://www.joysf.com/zbxe/2110769)에서 등장한 현실의 레일건은 상당히 강한 화염을 일으키고 있고(레일건의 원리상 화약식 화기처럼 발사 시에 총구에서 화염을 일으키는 것은 아닌 것 같지만, 그 대신 공기와의 마찰 때문에 탄환 쪽에서 매우 강렬한 화염이 발생되더군요. 적어도 저 동영상에서 나오는 모습은 그렇습니다.), 궤적의 시인도 가능하더군요. 따라서 해당 부분은 사실에 맞게 수정이 필요하다 생각됩니다.