레일건(Railgun) 의 원리

레일건의

레일건(Railgun), 물리학을 공부하는 사람들은 한 번 쯤 관심있게 보았을 것이다. 아마 일반 물리학에서도 전자기학 부분에서 잠깐 다루어 지고 있는데 이는 강한  전류를 흘려 생성되는 강한 자기장을 이용해, 탄환을 빠른 속도로 발사하는 장치이다.

  사실 그 원리는 매우 간단하다. 아래 레일건을 도식적으로 그려 놓은 사진을 참고하면,

  일단 검은 도선으로 전류가 흐른다. 전류가 흐르는 방향은 위 그림에 명시되어 있다. 따라서, 직선 도선을 따라 흐르는 전류에 의해 원형 자기장이 생성되는데 그 방향은 두 도선의 안쪽 부분에서 나오는 방향이다 (위 그림에 파란색으로 명시되어 있다). 이 때, 탄환(Projectile) 은 탄환을 흐르는 전류와 양 쪽의 두 도선에서 생성되는 자기장에 의해 전자기력을 받는데 이 때 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙에 의해 위 그림의 Force 방향이다. 

  이 때, 탄환에 전해지는 힘의 크기를 수학적으로 풀이해 보면 다음과 같다. 비오-사바르 법칙에서, 한쪽으로만 무한하게 긴 직선 도선의 중심으로 부터 s 만큼 떨어진 거리에서 생성되는 자기장의 크기는

이다. 따라서, 위 그림에서 두 도선이 도선 사이의 거리에 비해 충분히 길다고 가정한 후, 두 도선 사이에서 형성되는 자기장의 크기는 아래와 같다. (단, 두 도선의 중심 사이의 거리를 d 라고 하자)

따라서, 두 도선 사이에서 작용하는 평균적인 자기장의 크기를 구하기 위해 두 도선의 반지름을 r 이라 하고, d 에 비해 r 이 매우 작다고 하면

이다. 따라서, 로렌츠 법칙에 의해 탄환에 작용하는 힘의 크기는 아래와 같다.

이 때, 유전 상수의 값이

위와 같고, 도선의 두께를 대략 0.05m, 두 도선 사이의 거리를 0.5m 라고 하면,

여기서 눈여겨 보아야 할 점은, 탄환에 작용하는 힘의 크기가 전류(I) 의 제곱에 비례한다는 사실이다. 따라서, 기존에 폭약으로 발사된는 탄환과는 달리 충분히 큰 전류만 공급된다면 탄환에 매우 큰 힘을 작용 할 수 있게 된다.

  레일건은 1918년 프랑스의 발명가 Louis Octave Fauchon-Villeplee 에 의해 처음으로 발명되었다. 그가 발명한 전기 대포는 현재의 linear motor 와 유사한 구조를 가지고 있다. 그는 1919년 4월에 이 발명품을 "전기를 이용하여 물체를 추진시키는 장치 (Electric Apparatus for Propelling Projectiles)" 라는 이름으로 미국 특허 제 1421435호 에 출원한다. 그의 발명품은 두 개의 평행한 버스바(busbar) 에 날개를 가진 탄환으로 연결되어 있고, 전체 장비에는 자기장이 걸려 있다. 버스바를 통해 전류를 흘러 보내면, 물체에 추진력이 작용하여 물체 가 날아가게 된다.

  무려 90 년 전에, 아이디어가 탄생했음에도 불구하고 왜 아직까지도 널리 쓰이지 않는 것일까? 단지 전기만 공급하면 탄환이 나간다는 엄청난 장점이 있음에도 불구하고 말이다. 하지만 사실 레일건에서 고려해야 될 점이 한 두 가지가 아니다.

  일단, 레일건의 가장 중요한 부분인 두 도선을 살펴보자. 사실, 두 도선은 보통 우리가 생각하는 구리 도선으로 만들면 안된다. 위의 식에서 볼 때, 탄환의 속도가 위력적이 되기 위해서는 최소 10000 A 의 전류가 필요하다. 그런데 보통의 도선에 10000 A 이상의 전류가 흐르게 되면 도선 내부에도 약간의 저항이 있기 때문에 발생되는 열에 의해 도선이 타버리게 된다. 게다가, 도선이 자체 저항에 의해 열을 받을 뿐만이 아니라 엄청난 속도로 가속되는 탄환으로 부터 마찰력에 의해 도선 겉표면에 엄청난 열이 발생하게 된다.

  이렇게 발생된 열은 도선과 탄환을 열팽창 시켜서 탄환이 나가다가 도선에 걸리는 일이 잇을 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 열을 통해 적군이 레일건 발사시 쉽게 탐지할 수 있다는 점이 큰 문제이다. 따라서, 레일건에 사용되는 도선과 탄환은 엄청난 온도에서도 견딜 수 있어야 하며, 그렇지 않다면 큰 참사가 벌어질 수 있다. 또한, 몇 번 수행된 실험에 따르면 레일건 발사시 탄환과 도선과의 마찰에 의해 도선이 닳어, 이론상으로 레일건을 사용 할 수 있는 횟수 보다 훨씬 적게 사용 할 수 있다고 한다.

  물론, 위 엄청난 열을 견디는 도선을 설계했다고 해도 또 다른 문제가 발생한다. 도선 자체도 탄환과 같이 로렌츠의 법칙에 따라 힘을 받게 되는 것이다. 즉, 자신이 생성한 자기장에 전자기력을 받게 된다. 플레밍의 왼손 법칙을 위 그림에 적용 시켜보면, 도선 안쪽 방향으로 큰 힘을 받게 된다. 이 때, 도선에 작용하는 힘의 크기는

이므로, 도선도 마찬가지로 전류의 크기의 제곱에 비례하는 힘을 받게 된다. 만약 이 힘 때문에 도선이 휘게 된다면, 중간에 탄환이 나가다 걸리는 사고가 날 수 있으므로 도선을 단단히 지지해 놓을 필요성이 있다.

  이 레일건이 현실 세계에서 쓰일 수 있기 위해선 큰 전류를 공급할 수 있는 전원장치가 필요하다. 만약 이 전원 장치가 가지고 다니기 무거워 장착할 수 없다면 이 레일건은 무용지물이 되는 것이다. 2008년에 3200만J 의 에너지를 이용하여 레일건을 통해 탄환을 발사하는 실험이 있었다. 이 때, 사용된 전원 장치는 축전기와 보상펄스발전기(Compulsator) 로 다른 에너지 소스로 부터 오랜 시간 충전하여 사용한 것이였다.
 
  이러한 문제점들에도 불구하고 미 해군(US Navy), 고등 기술원(The Institute for Advanced Technology), 영국의 다국적 군수 업체인 BAE Systems 에서 활발히 연구가 진행되고 있다. 왜냐하면 레일건은 기존의 무기체계와는 완전히 다른 '전기' 를 이용하기 때문이다. 기존의 무기체계는 탄환을 발사하는 원리로 화약을 이용하였다. 예를들어 M16 과 같은 소총은 총기 내부에서 폭발하여 빠르게 팽창하는 가스를 통해 탄환을 발사시킨다. 하지만 이렇게 화약을 이용하다 보니 화약 스스로 폭발할 위험성이 있었다. 하지만 레일건의 경우 화약 자체를 이용하지 않기 때문에 위와 같은 위험이 있을 뿐더러, 화약으로 발사되는 탄환 보다 훨씬 더 빠른 속도로 발사 할 수 있게 되었다. 이렇게 빠른 속도로 발사된 탄환은 기존 무기 체계를 통해 느리게 발사된 탄환 보다 바람에 의한 영향을 적게 받아 정확도가 높아질 뿐더러 사정거리도 훨씬 길어지게 된다.

  미국의 오스틴에 위치한 텍사스 대학교 (University of Texas at Austin) 의 고등 연구소에서 텅스텐으로 제작한 탄환에 레일건을 통해 9 메가줄의 에너지를 가하여 2 kg 의 탄환을 3 km/s 로 가속시켰다. 이 탄환은 탱크의 장갑을 손쉽게 뚫을 수 있을 뿐더러, 탱크 전체를 관통 가능한 수준이다.

 

 2006년 10월 에는 미국 Naval Surface Warfare Center Dahlgren Division 에서 레일건을 통해 8 메가줄의 에너지로 3.2 kg 의 탄환을 발사하였다. 이 때 발사되는 탄환의 속도는 3500m/s 로, 음속에 7 배에 달하였는데, 이는 적군이 탄환이 날아오는 소리를 채 듣지 못한 채 괴멸당할 수 있는 수준이다. 하지만 아직은 한 번 발사를 하면 레일이 다 닳아서 교체를 해주어야 되는 탓에 상용화를 하지 못하고 있지만, 나중에 64 메가줄 수준으로 개량하여  다량의 전기 에너지를 공급할 수 있는 원자력 전함에 탑재 할 수 있는 레일건을 수년 이내에 제작한다고 했다.

  

2008년 1월 31일에, 미 해군은 레일건을 통해 10.64 메가줄의 에너지로 탄환을 발사하여 2520m/s 의 속도(마하 7.4) 로 목표물에 명중하였다. 만약 1 분에 10 발을 쏘았다면 370 km 떨어진 5m 크기의 물체도 맞출 수 있을 것이라고 추정한다.

  현재, 레일건은 여러 문제로 인해 연구단계에 놓여 있지만 미래에, 전력문제가 해결되고 높은 열을 견디겨 전도성이 좋은 물질이 개발된다면 틀림없이 훌륭한 무기체계가 될 것이다.

참고자료
http://en.wikipedia.org/wiki/Railgun
http://cafe.naver.com/tmmc2.cafe?iframe_url=/ArticleRead.nhn%3Farticleid=3326