전자기포

레일건은 SF에서 많이 쓰이는 무기이지만 발사체 속력이 낮고 무거워서 실제로 쓰일 수 있는지에 대한 의문이 많이 있음.

레일건의 작동 원리는 두 레일 사이에 전도성 발사체를 놓고 전류를 흘려주면 로렌츠 힘이 작용해서 발사체를 밀어내는 것임. 발사체는 전도성 물질이어도 되고 이탈피가 전도성 물질이거나 내부에 전선이 있거나 하면 됨

코일건은 발사체가 코일 안에 떠다니는데 이 코일들은 순서대로 꺼지거나 켜지면서 발사체를 밀거나 당기는 힘을 만들어냄. 이때 발사체는 상자성체이거나 내부에 코일이 들어가 있어야 됨.

레일건은 발사체속력이 낮을 때 효율적이고 복잡하지 않음. 전기 저항이나 마찰력 때문에 좀 비효율적이지만 복잡하지 않아서 가격이 싸고 운용 중에 고장나도 레일만 갈아 끼우면 됨. 발사체는 내열성이 좋아야 하고 레일에 항상 붙어있어야 함. 레일 냉각은 내부에 냉각제를 흘려주거나 하면 간단하게 할 수 있음.

코일건은 더 복잡하고 더 높은 속력을 낼 수 있음. 발사체가 공중에 떠있어서 마찰력을 제거할 수 있음. 초전도 코일 같은 걸 쓰면 매우 효율적임. 근데 최대속력이 코일을 끄고 키는 속도에 달려있어서 발사체 속력을 늘리는 것이 쉽지 않고 , 코일 냉각이 훨씬 어렵고 레일건보다 더 무거움.

전자기포를 쓰는 이유

전자기포를 쓰는 이유는 운동 에너지로 엄청난 피해량을 줄 수 있기 때문임. 운동 에너지가 전환 과정 없이 그대로 피해량으로 들어가니까 같은 에너지를 쓰는 다른 무기들보다 더 효율적임.

높은 속도로 부딫히는 물체는 소성 변형이라는 게 일어나기 때문에 투사체가 장갑을 얼마나 관통하는지는 운동에너지, 물체들의 강성, 모양 등등의 영향을 받음.

대략 800m/s에서 2000m/s 사이의 속도를 가지는 물체는 뉴턴의 관통 모델과 비슷함

이 모델에 따르면 운동 에너지(속도)는 관통력과 큰 관련이 없음. 중요한 건 물체의 밀도임.
(뉴턴의 관통 모델에 대한 설명: 운동 에너지는 열이나 소리 등의 형태로 사라지니까 일단 무시하고 관통자가 장갑을 밀어 내면서 잃어버리는 속도만을 계산에 넣어서 운동량 보존 법칙의 관점에서 보는 거임.)

그래서 높은 관통력을 필요로 하는 전차포에서 길고 무거운 모양의 APFSDS탄을 쓰는 거임.

그런데 투사체의 속력이 20km/s 정도로 빨라진다면 뉴턴의 관통 모델은 부정확해짐. 유체역학이나 크레이터 모델을 사용해야 함. 이 경우에는 물체의 강도는 무의미하고 유체가 다른 유체 위에 떨어지는 것처럼 생각해야 됨.

이렇다면 관통력 = 투사체 길이 * sqrt(A의 밀도 / B의 밀도)라는 식이 나옴.(https://arxiv.org/pdf/1705.02337.pdf)

뉴턴 모델과 비슷하지만 제곱근이 붙음.

이렇게 운동에너지가 지나치게 많은 경우에는 관통력보다는 충돌 크레이터의 크기가 문제가 됨.

크레이터의 부피 = 운동 에너지/장갑판의 항복 강도
크레이터의 깊이 = (0.159 * 운동에너지 / 장갑판 항복 강도) ^ 0.33 (위의 공식대로 계산하지 않고 크레이터는 구형이라 가정)

그러면 50km/s, 10kg짜리 코일건이 강철 장갑판에 부딪히면
운동 E = 12.5GJ
강철의 항복 강도 = 250 MPa
크레이터 부피 = 16.7m^3
깊이 = 1.38m

관통력이 약해 보이지만 부딪히면서 나오는 충격파나 초음속으로 날아다니는 파편들이 훨씬 많은 피해를 입힘. 충격파 때문에 장갑판이 파쇄되고 whipple shield가 무력화됨.

장갑 파괴력 면에서는 전에 설명했던 레이저보다는 레일건이 훨씬 효율적임.

SF에서 잘 등장하지 않는 이유

첫 번째는 도착 시간이 레이저보다 느리다는 거임. 레일건은 빛보다 매우 느림 100000km을 가려면 10km/s로 3시간 46분이 걸림 같은 거리에서 빛은 0.33초도 안 걸림. 느리다는 말은 회피하기 쉬워진다는 뜻임.

두 번째는 투사체의 가속력 문제임. 레일건의 레일이나 포탄은 마찰열 때문에 한계가 있고, 코일건도 코일 간의 스위칭 속도 문제가 있음. 그래서 각각의 방법이 최대로 낼 수 있는 속도는 상한이 있음.

위의 50km/s 레일건을 예시로 들어보자면 100kw/kg의 저장 용량을 가지는 축전기와(대략 요즘의 슈퍼 캐패시터) 400kg/m의 레일 무게를 가지는 레일건이 있다면:
20톤의 축전기(2GW)
가속 시간: 6.25초
가속력: 815G
레일 길이: 156km
레일건 무게: 62400T

총질량: 62420T+
지나치게 무거운 레일건이 만들어졌음. 가속도를 늘려야 더 짧고 가볍게 만들 수 있음.

50km/s 레일건(100000G 가속도)
가속 시간: 0.051초
필요 에너지: 245GW
축전기 필요량: 2450T
레일건 길이: 1.27km
레일건 무게: 510T

총질량: 2960T

둘 다 지나치게 무겁고 너무 김, 다른 무기 체계(레이저) 등에 슈퍼캐패시터 같은 기술을 쓴다면 더 좋은 성능을 낼 수 있음.

해결 방법

1. 투사체를 가볍게 만드는 대신 속력 올리기
더 빠른 속도로 포탄을 쏠 수 있기 때문에 사거리 문제가 어느 정도 해결됨.
포탄이 더 작을수록 마찰력과 마찰열이 적으므로 레일을 더 가볍게 만들 수 있고, 아주 작은 포탄을 발사한다면 whipple shield 같은 장갑에는 막히겠지만, 장갑화되지 않은 부분에 피해를 줄 수 있음.

2. 더 발전된 재료 사용하기
그래핀 축전기 같은 발전된 재료를 사용하면 축전기 무게를 더 줄일 수 있음.

3. 포탄을 산발적으로 뿌려서 적의 기동을 강제하게 만들기
포탄의 사용량이 매우 많아지지만 적의 접근을 거부할 수 있음

4. 유도 포탄

5. 다른 무기라고 사거리가 특별히 길진 않음

우주에서 레이저의 사용효과

1000km에서 114mm 정도라면 더 발전된 재료를 쓰는 장갑 정도로 어느 정도는 막을 수 있음. 레이저 우주선은 거울이나 라디에이터(전력 소모량이 많으므로)와 같은 취약한 부분이 많으므로 아주 작고 빠른 포탄을 쏘는 장갑이 두꺼운 무인 드론들이 있으면 무력화될 수 있음.
(교전 거리가 짧아져도 되므로 포탄의 속도가 더 느려져도 됨 ->무게 감소)

6. 기뢰, 궤도폭격, 드론 발사 플랫폼, CIWS용도로 사용
레이저는 대기 때문에 궤도폭격 효율성이 낮으므로 레일건을 사용하면 됨.

결론 내리자면 레일건 포탄의 속도가 빨라질수록 단점이 늘어남 10km/s 근처가 가장 효율적이고, 이 정도 속도를 내더라도 우주전에서 레이저에 비해 불리한 면이 아주 크진 않음.

짤은 SDI시절에 나온 레일건 위성