<#60. 웨폰 사이언스(Weapon Science)>

한줄평 - 우리가 사용하는 무기체계에 대해 얼마나 알고 있는가?​

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ㅇ서론

 

ㅡ 개인의 능력을 인정하는 사회는 보이지 않는 경쟁을 한다.

인간의 이기심이 인류 발전의 근본이라고 인정하는 사회일수록 부유한 국가가 된 것도 사실이다.

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ㅇ본론

 

ㅡ 활의 탄성이 크다는 것은 그만큼 많은 에너지를 저장할 수 있고, 사거리 및 위력이 커진다는 것이다.

활의 탄성을 증가시킬 수 있는 방법은 활 길이를 늘리는 것이다.

 

ㅡ 전쟁은 에너지 효율과는 약간의 거리를 두고 있다. 효율보다는 출력이 우선 고려대상이다.

총과 포 역시 에너지 변환 효율이 낮고, 같은 핵에너지를 사용하지만

핵폭탄은 핵발전소보다 출력은 높지만 에너지 변환 효율은 낮다.

 

ㅡ 폭발과 연소, 모두 비슷한 현상이나 폭발의 속도는 연소보다 무척 빠르다.

두 현상 모두 연료와 산소의 화학반응에 의해 발생한다는 점은 같지만,

열 발생속도와 열 손실 속도에서 차이가 있다.

 

ㅡ 적절히 혼합된 연료와 공기는 화학반응의 속도가 가속될 수 있으며 폭발 현상으로 이어질 수 있다.

폭발한계에는 폭발상한계와 하한계가 있으며, 연료마다 그 값들이 다르다.

 

ㅡ 폭약과 추진제, 작약과 장약의 차이점은 반응속도 혹은 연소속도에 있다.

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ㅡ 탄도학에서 초기조건과 경계조건에 민감하지 않게 하기 위해서는 어떻게 설계해야할까

첫번째, 탄체 첫 부분을 최대한 유선형으로 제작하는 방법

두번쨰, 탄체의 꼬리 부분에 날개를 달아 안정성을 확보

세번째, 탄체가 회전하면 자이로 원리(세차운동)에 의하여 비행 안정성을 높인다.

 

ㅡ 발사된 탄체가 완벽하게 똑같은 방향과 위치로 날아갈 수는 없다.

포탄이 땅에 떨어져 생긴 구덩이에 몸을 숨기면 생존확률이 높을 수 있다.

 

ㅡ 고폭탄이 포신속에서 발사될때 받는 가속도는 중력가속도의 10,000~30,000배 정도이다

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ㅡ 곡사포용 탄약은 고폭탄과 추진체를 따로 제작하지만, 전차포용 탄약은 탄체와 추진제가 한 몸체로 제작한다.

 

ㅡ 활강포란 포신 내부에 아무런 강선이 없는 포로서 강선포와 대칭되는 개념이다.

 

ㅡ 철갑탄은 아주 단단한 금속 막대기라고 생각하면 된다.

철갑탄의 길이가 길어지면 강선을 통한 회전만으로는 탄이 비행중에 제대로 안정이 되지 않기에

관통력을 높이기 위해 탄의 형상이 가늘고 길어야 했고, 뒷부분에 날개를 달아 비행 안정성을 확보하였다.

 

ㅡ 적의 장갑을 뚫기 위해서는 탄체의 속도와 무게를 증가시켜야 한다.

추진제의 양을 증가시키거나 포신을 길게하면 되지만, 추진제를 증가시키면

포신 내부의 압력이 증가하므로 포신의 두께도 같이 증가해야 한다. 전차의 기동성이냐 파괴력이냐

 

ㅡ 장갑/방호의 방법에서 에너지가 전차 내부로 전달되지 않도록 밖으로 튕겨내거나

장갑 재료 내에서 흡수발산시키거나 다른 에너지로 막아버리면 된다.

 

ㅡ 에너지를 튕겨낼수 있는 가장 쉬운 방법은 '경사'를 이용하는 것이다.

이를 '경사 장갑'이라고 한다. 입사각이 커져 돌이 물속으로 들어가지 않고 여러 번 튕기는 현상을 말한다.

간단히 경사각이 a이면 장갑 재료는 1/cos(a)만큼 두꺼워질 수 있다.

 

ㅡ '공간 장갑'도 많이 적용되고 있다. 장갑판을 이중으로 만들고

그 사이에 세라믹, 티타늄, 강화플라스틱, 복합재료 등의 재료를 겹쳐서 만든 구조다.

 

ㅡ '반응 장갑'은 2장의 장갑판 사이에 폭발성 물질로 채워진 구조로,

내부의 폭발성 물질이 폭발하여 금속 제트나 탄체를 변형 혹은 이동시켜 관통력을 약화하는 원리이다.

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ㅡ 레일건은 2개의 레일을 서로 평행하게 놓고, 하나는 음극 다른 하나는 양극을 사용해

금속 물질(탄체)를 사이에 삽입하면 전류는 레일->금속물질->레일을 통해 흐르면서

플레밍의 왼손법칙(로렌츠 힘)에 의해 탄체는 앞으로 나가려는 힘을 받게되며, 전류에 비례한다.

 

ㅡ 레일건 개발이 쉽지 않은 이유는 금속탄체와 레일 사이의 마찰 문제가 있다.

탄체가 마찰열에 의해 부피팽창을 하면 레일과의 마찰은 더욱 커진다.

마찰열을 줄이기 위해 금속 발사체와 레일 사이의 접촉 면적과 압력을 줄이면 반대로 큰 전류를 흘릴 수 없다.

 

ㅡ 또한 레일 자체도 전자기력에 의해 힘을 받는다.

뜨거워진 레일이 힘을 받게 되면 휘어지거나 파손될 수 있다.

 

ㅡ 세번째는 에너지이다. 많은 에너지가 순간적으로 공급되어야 하는데

이는 거대한 축전지(Capacitor)와 펄스 발전기(Compulsator)를 사용항 고출력 전원장치를 개발해야 한다.

전원장치의 낮은 기술수준이 실전배치의 지연 요인이다.

 

ㅡ 레일건 탄체는 발사시 엄청난 열과 전자기력에 노출되므로 기존 형태의 고폭탄을 사용하는 것은 불가능하다.

 

ㅡ 항공모함에서는 레일건과 유사한 원리로 항공기를 가속하여 이륙을 돕는다.

보통 전투기가 자체 엔진의 힘으로 속도를 가속하기 위해서는 약 450m의 최소거리가 필요하다.

반대로 착륙할때도 약 1,000m 정도의 활주로가 필요하다.

항공모함에서 운용하는 모든 항공기는 종류와 관계없이 100m 이내에서 이착륙 해야 한다.

이를 극복하기 위해 사출장치(Catapult)가 필요하고, 강제 착함장치가 필요하다.

 

ㅡ 미 항공모함은 핵반응로의 열에너지로 증기를 발생하여 터빈을 돌리는데,

이 증기의 일부를 이용하여 항공기를 사출시킨다. 이에 반해 최근 건조된 포드급 항공모함은

EMALS(Elctro-Magnetic Aircraft Launching System)라는 전자기식 사출장치를 채용하고 있다.

증기 압력이 아니라 강력한 전자기력을 사용하는 방법으로 레일건이나 롤러코스터 급발진과 같은 원리이다.

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ㅡ 일반적인 레이저(LASER, Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)의 구성 

(이득매직, 레이저 펌핑에너지, 고반사거울, 출력결합거울, 레이저빔)

유도흡수는 낮은 에너지 상태의 원자가 빛을 흡수하여 높은 에너지 상태로 전이하는 것을 말한다.

유도방출은 원자가 높은 에너지 상태에 있다가 빛에 자극을 받아서 낮은 에너지 상태로 내려가면서

빛을 방출하는 것을 말한다.

 

이 조건을 만들기 위해서는 레이저 매질이 들어있는 관의 양단에 거울을 평행으로 배치하고

그 거울 사이에 빛이 무수히 반사되면서 거의 모든 원자가 유도방출에 가세하도록 만들어야 한다.

 

ㅡ 레이저의 첫번째 특징은 직진성이다.

레이저는 공진기에서 2개의 거울 사이를 축방향으로 수백번 왕복한 다음 공진기로부터

튀어나오기 때문에 계속 직진하려는 성질을 가진다.

 

두번째 특징은 파장의 균일성이다.

레이저 빛은 유도방출 원리에 의해 원자의 특정한 에너지 준위 차만 이용하므로

발생하는 빛의 파장의 분포는 매우 일정하다.  프리즘을 통과시키더라도 빛의 분산이 거의 없다.

 

세번째 특징은 고휘도성이다.

빛도 일정의 에너지로 휘도가 높다는 것은 그만큼 많은 에너지가 집중되어 있다는 의미다.

 

마지막 특징은 가간섭성이다.

이는 대단히 높은 규칙성, 시간적이나 공간적으로 예측할 수 있는 성질을 의미한다.

물리량 계측의 정확도를 높여주었다.

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ㅡ 레이더(RADAR, Radio Detecting And Ranging)를 이해하기 위해 전자기학을 이해해야 한다.

레이더시스템은 송신기, 듀플렉서, 수신기, 안테나, 표시기로 구성된다.

 

ㅡ 전자기파가 방출되어 목표에 반사되고 다시 돌아오는 시간을 계산하여 목표물과의 거를 측정하고,

방출된 파형과 돌아온 파형을 가지고 도플러 효과를 고려하여 물체의 이동속도를 알 수 있다.

안테나를 중심으로 전자기파가 도달할 수 있는 거리는 모두 일정할 것이니 모니터가 원의 모양일 수 밖에 없다.

 

ㅡ 이지스 시스템의 핵심은 SPY-1이라 불리는 3차원 위상배열(Phased-Array) 레이더이다.

기존 레이더는 표적 100개에 레이더가 100개 필요하지만,

SPY-1은 레이더가 전후좌우 평면에 부착되어 고정된 안테나에 배열된 레이더 소자를 각각 제어하여

전자적으로 레이더의 방사패턴, 방향, 강도 등의 설정을 신속하게 할 수 있어,

최고 200개의 목표를 탐지 및 추적하고, 그중 24개의 목표를 동시에 공격할 수 있다.

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ㅡ 비행기에는 추력(thrust), 중력(weight), 양력(lift), 항력(drag)의 4가지 힘이 작용한다.

추력은 엔진, 중력은 지구가, 항력은 공기저항, 마지막 양력은 비행기를 위로 뜨게 하는 힘이다.

 

ㅡ 비행기의 날개는 특징적인 모양과 공기와 맞닥뜨리는 각도를 통해 지속해서 양력을 생성할 수 있다.

양력은 크게 2가지 방법으로 설명할 수 있다.

첫번째는 뉴턴의 작용반작용 법칙이다.

날개는 공기의 흐름을 날개 아래쪽으로 꺾이게 하려고 공기에 힘을 작용하고,

반작용으로 공기는 같은 크기를 방향만 반대로, 위로 준다.

 

두번째는 베르누이 원리다.

공기 흐름 중 날개 위 곡면을 따라 흐르는 공기는 날개 아랫부분보다 속도가 빠르다.

베르누이 원리에 따라 속도가 빠르면 압력은 낮아지고,

공기 압력이 높은 아래쪽에서 높은 위쪽으로 밀어올리는 힘이 발생한다.

 

ㅡ 항공기가 이륙하고 나면 바퀴와 지면의 마찰력이 사라져버리기 때문에

자동차의 추진 원리로는 더 이상의 추진력을 얻을 수 없다.

따라서 비행기는 보통 프로펠러, 제트엔진 등을 이용해 연속적인 추진력을 얻는다.

 

ㅡ 비행기의 이착륙시에는 생각보다 큰 양력이 필요하다. 큰 양력이 발생하도록 날개형상을 설계하면

고속 비행시 항력이 커지게 된다. 그래서 플랩(flap)이 개발되었다.

플랩은 항공기의 주날개 뒤편에 장착되어 주날개의 형상을 바꿈으로써 높은 양력을 발생시킨다.

고속비행시에는 플랩을 접으면 된다.

 

ㅡ 순항중인 비행기라도 목표지점으로 이동하기 위해서는 3차원 운동을 해야한다.

에어론(Aileron), 엘리베이터(elevator), 러더(rudder)라는 조종날개가 존재하고

이는 롤링(rolling), 피칭(pitching), 요잉(yawing)과 같은 3차원 운동을 할 수 있게 된다.

 

ㅡ 이외에도 탭(tap)이라는 장치도 있다. 수평방향 비행시 조종기를 중립위치에 놓고 직진으로 유지하는 것이다.

 

ㅡ 고속기동이 필요한 전투기들은 강력한 터보팬 엔진을 추진기관으로 사용한다.

터보팬은 압축기 전면에 블레이드가 많이 달린 팬이 설치되어 있다.

팬에 의해 속도가 증가한 공기는 중간에 2갈래로 갈라져 한쪽은 압축기를 통해 연소하여

후방으로 배출되고 나머지 한쪽은 팬을 통과한 후 연소하지 않고 그대로 통과하여 후방으로 배출된다.

 

ㅡ 터보팬 엔진에서 연소한 공기와 연소하지 않고 엔진 외측으로 통과된

공기의 비율을 바이패스비(by-pass ratio)라고 한다.

바이패스 비가 높을수록 연료소비율과 엔진소음이 적어질뿐만 아니라 큰 추력을 얻을 수 있다.

 

ㅡ 램제트 엔진은 터보제트와 같이 흡입공기를 압축하기위해 기계적인 힘을 사용하지 않고,

공기가 가지고 있는 압축성질을 이용해 공기역학적(흡입구의 형상)으로 압축시킨다.

이를 랩 압축이라고 하며, 베르누이 원리 및 공기압축 효과를 이용한 것이다.

램제트는 압축기가 없으므로 연소를 원활하게 하기 위해 흡입 공기의 유속이 일정크기 이상이 되어야 하고,

초음속 비행 이상에서만 유효추력을 발생시킬수 있기에 램제트 엔진의 시동이 가능한 속도까지

가속하여 주는 부스터가 필수적으로 동반되어야 한다.

 

ㅡ RCS(Radar Cross Section)는 말그대로 레이더 반사율을 면적의 개념을 이용하여 수치화한 것이다.

RCS가 낮은 스텔스는 레이더반사 면적감소설꼐와 레이더흡수소재가 핵심기술이다.

 

ㅡ 레이더 반사신호를 낮출수 있는 방법은 전자기파를 다른방향으로 반사할 수 있는 비행기 형체,

평면 모양으로 만들면 된다. 평면형 비행기 외형은 유체역학상 매우 좋지 않아

기존의 항공역학이론으로는 도저히 비행기를 하늘로 날릴 수 없었다.

때 마침 F-16에 적용된 전자적으로 제어하는 Fly-by-Wire기술을 이용해 비행할 수 있었다.

이 전투기가 F-117 나이트호크다.

 

ㅡ 레이더의 전자기파를 흡수하는 물질을 RAM(Radar-Absorbent Material)이라고 한다.

 

ㅡ 스텔스기는 찾아낼 수 없을까? 답은 저주파 레이더를 사용하면 찾아낼 수 있다.

하지만 보통 대공 레이더는 비행이나 유도탄을 정확하게 파악하기 위해 고주파의 전자기파를 사용한다.

저주파 레이더는 정확도는 감소하지만 스텔스 항공기의 위치를 대충이라도 알 수 있다.

 

ㅡ 스텔스 기술은 더욱 진보하여 소리나 빛까지 속일 수 있는 메타물질이 연구되고 있다.

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ㅡ 인간이 눈으로 감지할 수 있는 전자기파는 가시광선밖에 없지만,

야간투시경을 통해 적외선을 확인할 수 있다.

사실 모든 물체는 절대영도(-273도)가 아닌 이상 기본단위인 원자들이 미소한 진동을 하고 있어서

적외선 영역의 에너지인 적외선을 뿜어낸다.

 

ㅡ 2가지 적외선 투시경이 있다.

하나는 사람의 몸에서 방출되는 적외선을 검출하는 것으로 긴 파장에 민감하고,

다른 하나는 짧은 파장의 근적외선을 검출하도록 제작되어 있다.

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ㅡ 만약 유도탄이 한낮이나 한밤중에 발사된다고 생각해보면

그 시간대에는 목표물 온도와 주변 온도가 비슷하게 유지될 가능성이 높기에

적외선 검출장치가 목표를 정확히 판별할 수 있는 능력이 감소하여 유도탄의 정확도도 감소하게 된다.

 

ㅡ 해가 뜨거나 질 무렵이 되면 주변의 온도와 목표의 상대적 온도가 크게 차이나기 때문이다.

즉 햇빛으로 인해 비열의 차이는 서로의 온도 차가 크게 되고, 이때 유도탄의 운용효과가 높다.

 

ㅡ 군용 무전기들은 주파스 도약(호핑, Hopping)을 사용하는데,

통신하는 동안 하나의 주파수만 사용하지 않고 다양한 주파수 대역을 오가면서 통신을 하게 된다.

 

ㅡ 유도탄의 고체추진 방식은 연료와 산화제가 이미 혼합되어 준비시간이 짧다는 장점이 있고,

반응속도가 상대적으로 빨라 가속하기 쉽다. 다만 연료와 산화제를 유도탄 내에 탑재해야되므로

무게 측면에서 불리하며, 한번 불이 붙으면 멈출수 없고 연소가스의 분출량을 조절할수 없다.

 

ㅡ ICBM은 어떻게 10,000km를 날아갈 수 있을까? 정답은 무중력 비행을 이용하는 것이다.

 

ㅡ 현대의 항법기술은 20세기 초 회전운동을 감지하는 자이로스코프(Gyroscope)의 발명으로부터 시작된

관성항법(inertial navigation)과 GPS를 이용한 위성항법이 있다.

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ㅡ 잠수함이 활용하는 부력은 물속에 잠긴 체적의 중심(체심)에서 작용한다.

수중에서 잠수함의 무게는 거의 일정하므로 잠항 및 부상을 위해서는 수중에서 부력을 제어할 수 있어야 한다.

 

ㅡ 잠수함의 무게를 바꿀 방법은 밸러스트 탱크(ballast tank)라는 물탱크에 물을 채우거나 비우는식으로 제어할 수 있다.

 

ㅡ 비행기가 조종날개를 사용해 3차원 운동을 하듯, 잠수함도 조종날개가 필요하다.

조종날개 적용 이후 잠수함은 심도를 변경하기 위해 부력을 제어하기보다는

중성부력을 유지한채 함수와 함미에 설치된 수평타(조종날개)를 조작한다.

 

ㅡ 잠수함에는 함수와 함미에 트림탱크(trim tank)가 설치되어, 수평을 맞추거나 그 반대의 역할을 한다.

또한 중력보상탱크는 잠수함의 중성부력을 유지하기 위해 잠수함의 중량과 부력변화를 확인하여

중량보상탱크의 해수를 배출 혹은 보충하는 역할이다.

실제로 해수의 밀도는 지역에 따라 조금씩 차이나기도 한다.

 

ㅡ 수심 200m에서 잠항중인 잠수함은 20기압 정도의 압력을 받고 있다.

이런 압력을 극복하기 위해서는 잠수함에 사용되는 철판의 두께를 증가해야 한다.

잠수함이 잠수시 외부압력 변동에 영향을 받지않도록 공간을 형성하는 원통형의 선체 부분을

압력선체(Pressure Hull)이라고 한다.

 

ㅡ 잠수함의 내압구조에서 진원이 중요하지만,

원통형 모양에 새로운 구조물을 추가하여 더 높은 수압을 견디게 만들수 있는것이 늑골(rib)이다.

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ㅡ 손가락에 지문이 있듯이, 기계장치(잠수함이나 함정)의 음파 특성을 '음문'이라 부른다.

음문의 분석결과들을 모아둔 데이터베이스를 카탈록 데이터(catalog data)라고 한다.

실제로 음문 수집을 위해 미국의 임페커블, 일본의 하리마 및 히비키 등과 같이

음파 데이터만 전문적으로 수집하는 함정들이 존재한다.

 

ㅡ 이러한 이유로 함 내 바닥에는 방음용 매트를 깔고, 유체소음, 기계류 소음 감소를 위해 설계한다.

특히 기계에서 진동이나 소음이 발생하더라도 선체를 통해 해수로 전달되지 않도록

동적 기계와 선체 사이에 쇼크 마운트(shock mount)라는 흡수장치를 장착한다.

 

ㅡ 적함 밑 수중에서 폭발하는 어뢰가 2~3배 이상 큰 피해를 주고 이를 침저어뢰라고 한다.

어뢰 탄두에 위치한 신관은 철과 같은 자성체에 감응할 수 있는 수색코일이

일정한 거리를 두고 2개가 존재하는데, 첫번째 코일에 유도전류가 관측되고 조금있다가

두번째 코일에 유도전류가 관측되는 순간 표적물이 머리위에 있다는 것을 알고 폭발명령을 준다.

이것을 자기신관이라고 한다.

 

ㅡ 물의 마찰저항은 공기보다 1000배 정도 더 크며,

어뢰 속도가 증가할수록 마찰저항이 지수함수로 증가하기 때문이다.

그러나 초동공(supercavity) 현상을 이용하여 기포로 어뢰를 완전히 덮어주면

마찰저항을 공기중의 마찰저항과 비슷하게 만들 수 있다.