레일건

레일건은 레이저 무기와 더불어 차세대 무기로 개발 중인 아이템 중 하나이다. 미국에서 개발을 시작하였으나 현재 미국에서는 여러가지 이유로 개발을 중단했다가 타국에서 개발 성과를 내기 시작하자 최근 다시 관심을 보이고 있는 무기 체계이다. 레일건의 동작 원리 이해는 그렇게 어렵지 않다. 강력한 자기장에서 도체에 전류를 흘리면 도체가 움직인다는 원리이다. 이 힘을 회전 운동으로 변환하면 모터이고, 이것을 직선 운동에 적용하면 레일건이다.

자기장 B에서 움직이는 전하 q는 F= qv x B라는 힘을 받는다. 이제 2개의 레일을 통해서 도체에 전류를 흘러주면 그 도체는 F=L(I x B)라는 힘을 받는다. 고등학교나 대학교 일반 물리 시간에 배우는 간단한 물리 이론만 이해하면 된다. 그 힘이 오랫동안 전달되면 도체는 마하 7의 속도로 가속된다. 단, 도체는 레일에 붙어있어야 하므로 도체와 레일은 가속 과정에서 발생하는 높은 마찰력과, 마모를 견뎌 낼 수 있을만큼 강력해야 한다.

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레일건은 폭약을 사용하지 않는다. 폭약은 일단 생산에도, 보관에도 비용이 크게 들 뿐 아니라, 적이 아군의 함정 등을 공격하면, 작은 충격에도 연쇄 폭발을 일으킬 수 있는 양날의 검이다. 레일건은 작은 텅스텐 금속 조가리를 사용할 뿐이다. 정지 상태의 텅스텐 조각의 폭발력은 제로이다. 그러나 작은 텅스텐 조각이 마후 7의 엄청난 속도로 가속하면 운동에너지 E=1/2mv^2는 에너지 보존의 법칙에 따라, 타격된 물체들에 전달된다.

사실, 이러한 운동에너지를 만드는데, 전력을 하나도 들이지 않는 방법도 있다. 그것은 텅스텐 조각을 아주 높은 곳으로 옮겨서 떨어뜨리는 방법이다. 그러면 중력 포텐샬 에너지 E=mgh는 운동에너지로 변환되어 지상에 도달할 즈음에는 마하 10의 속도에 달한다. 그러나 10톤짜리 텅스텐 지팡이를 위성으로 올리는 비용과 노력에 비해서 그 파괴력(TNT 11.5톤)이 그닥 크지 않다는 지적에 의해서 “프로젝트 토르”는 개념 연구 단계에서 폐기된다. 한국은 그 아이디어를 현무 4 미사일에 적용하여, 미사일을 수직에 가까운 고각 발사하여 1000 km 상승 시킨 후, 2톤의 탄두를 중력 가속도를 이용하여 터뜨리려는 계획을 실현 중이다.

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실제로 대륙간 탄도탄 ICBM의 경우도 전체 비행 구간 중 1/10, 대기권 탈출시까지만 연료를 사용할 뿐, 나머지 구간은 관성에 의해서, 그리고 자유 낙하에 의해서 목표 지점에 도달한다. 물론, 첨단 탄도 미사일은 종단 요격을 피하는 회피기동을 위하여 약간의 연료를 남기기도 한다. ICBM 탄도 미사일이 지구 대기권을 재진입할 때의 속도는 마하 25~30에 달하기에 이러한 가속도에 도달하기 전에 타격하는 것이 거의 유일한 현실적 수단이다. 물론, 아래 속도 profile에서 보듯이, 목표점에서 낙하 단계에서는 공기 저항에 의해서 속도에 브렉이크가 걸리지만, 대응 하기에는 시간이 없다.

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레일건은 11.3kg(5파운드)의 텅스텐 총알을 마하 7의 속도로 200km이상 떨어진 표적을 공격하는데 이 때 탄환은 32 메가줄의 운동에너지를 가진다. 현대 함선의 표준 함포 구경인 5인치(127mm)함포와 155mm K9 자주포의 사거리가 25~40km 이고, 미국 줌왈트 구축함의 155mm 대구경 AGS(advanced gun system)함포의 사정거리가 55~107km인 것에 비하면 엄청난 사거리를 자랑한다. 레일건의 큰 장점은 전력만 생산되면 폭발성있는 탄약 보관/보급이 필요없고 상대방 미사일로 인한 2차 폭발의 위험성도 없다.

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미국에서 2005년부터 개발 시작 13억 달러 투자 끝에 2016년 시험발사에는 성공했으나 더 이상의 개발을 중단한다. 여러가지 문제를 해결하기 어려웠기 때문이다. 일단, 강력한 자장과 전기장을 만드는 데에는 거의 중소 도시 전체 전력을 공급할 수 있는 정도의 발전기가 필요하며, 탄두가 레일을 통해서 전류를 흘러야 하기 때문에 엄청난 마찰력과 마찰열로 몇 번 발사하면 레일이 망가지는 등, 레일과 본체가 견디기가 어려웠기 때문이다. 1회 발사 비용은 100만$(10억원, 어떤 자료는 2.5만$ 라고도 함)에 육박하여 차라리 한 발당 8.5만$로 추정되는 극초음속탄(HVP)가 더 현실적이었기 때문이다.

원래 차세대 스텔스 구축함인 줌월트급 함에 주포로 배치하려고 하였고 웬만한 중형 도시 발전량인 78 MW급의 대형 가스 터빈 발전기도 장착하였으나, 기술적인 난제를 해결하지 못하고 배치를 포기하고, 줌월트 구축함 프로젝트 자체도 원래 16대 배치에서 단 3대만 배치 후, 양산 포기된다. 거의 항공모항 건조비의 절반을 차지하는 막대한 비용에도 줌월트 구축함의 효용성, 안정성, 타격 능력이 기대이하였기 때문이다.

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