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Nikkei Electronics_2022.7 Hot News (13~15)

방위성이 레일건의 실용화 추진, SF가 현실로
게임 체인저가 될 수 있을까? 과제는 전원의 소형화
 

약 180년 전에 고안된 레일건(Railgun, 전자포)의 원리. 방위성이 SF 세계에서 친숙한 이 기술의 실용화를 목표로 하고 있다. 방위성은 새로운 미사일 방어 수단으로 ‘레일건(전자포)’ 연구를 본격화하려 하고 있다.

레일건은 현행의 미사일 요격 시스템보다 탄환 발사 속도를 매우 빠르게 할 수 있어, 고속화가 진행되고 있는 타국의 미사일 위협에 대항할 수 있다. 미사일 기술과 미사일 방어 기술의 경쟁이 이어지고 있는 상황에서 레일건은 게임 체인저가 될 수 있을 것인가?

방위성은 2022년도 예산안에 레일건 관련 비용으로 65억엔을 계상했다. 연사(連射) 및 비행 시의 안정성과 같은 요소 기술을 확립해 조기에 실용화할 방침이다. 방위성의 산하 행정기구 방위장비청은 1990년에 구경 16mm의 소형 레일건에 대한 기초 연구를 개시. 이후 구경 40mm의 중형 레일건을 시작(試作)해 탄환의 고초속화와 포신의 수명화에 대한 연구를 실시해왔다.

레일건의 주요 용도는 극초음속(마하 5(약 1702m/초) 이상) 순항미사일 방어이다. “극초음속 순항 미사일 방어에서는 요격 측도 극초음속으로 회합 지점을 향해 발사하는 것이 중요하다”(방위장비청). 레일건은 고속화의 잠재력이 지극히 높기 때문에 적합성이 높다고 판단한 것으로 보인다.

실제로 방위장비청의 시작 레일건은 2,230m/초(약 마하 6.6)의 초속으로 무게 약 300g의 탄환을 발사할 수 있다고 한다. 탑재 플랫폼을 공개되지 않았지만, 용도로 볼 때 자위대 주둔지나 이지스함에 탑재될 가능성이 높다.

-- 최초의 기술 제안은 1845년 --
레일건은 지금까지 전세계적으로 많은 연구개발 사례가 있지만, 아직 군사 용도로 실용화한 사례는 없다. 최초의 기술 제안은 177년 전인 1845년 미국에서였다. 이후 1901년, 최초로 노르웨이가 군사용으로 본격 개발을 했고, 세계대전 하에 프랑스와 독일, 전후 미국 등이 차례로 연구에 착수했다. 그러나 이러한 계획들은 거의 모두 좌절되었다. 당시에는 기술적으로 어려웠고, 2차 세계대전 종전으로 인해 개발이 불필요해진 점 등이 그 원인이다.

이러한 역사적 경위에도 불구하고, 최근 들어 방위장비청이 개발에 긍정적인 이유는 무엇일까? 미사일 방어라는 직접적인 요구와 함께 방위기술의 전자화를 강화하려는 의도도 있는 것으로 보인다.

관계자는 “세계 군사 기술의 조류는 전자기술 강화로, 일본이 화기(火器) 분야에서 뒤처져 있다고 판단했을지도 모른다”라고 말한다. 전자화의 장점은 많다. 예를 들어, 레일건과 같은 사격 용도에서는 제어성이 높다는 점을 들 수 있다. 발사장치에 흐르는 전류값을 바꿈으로써 탄환의 초속 (初速)을 용이하게 바꿀 수 있다.

-- 구리 합금 레일로 열화(劣化) 억제 --
또한 현저한 민생 기술의 진전으로 지금까지 실용화의 걸림돌이었던 기술적 과제가 해소되고 있다는 것도 연구를 뒷받침하고 있다. 레일건은 자기장 안에 흐르는 전류로 인해 생성되는 전자력을 응용한 것이다. 구체적으로는, 병행하는 2개의 도체의 레일을 준비하고, 그 사이에 전기자(電機子)와 탄환의 접합체를 배치한다.

이 전류 경로에 펄스 형상의 대전류를 흐르게 하면 레일 주위에는 강력한 자기장이 발생하고, 자기장과 수직 방향의 전기자에 전류가 흐르기 때문에 전기자에게는 플레밍의 왼손 법칙대로 전자력이 작용한다. 탄환은 전기자와 함께 가속화되어 고속으로 발사되는 구조이다. 발사 후 탄환과 전기자는 분리된다.

지금까지의 과제 중 하나는 레일의 열화이다. 대전류의 통전에 의한 열화뿐만 아니라 탄환이 극초음속으로 가속화됨에 따른 기계적 마모도 있었다. 이를 해결하기 위해 방위장비청과 시작(試作) 도급 업체인 일본제강소는 레일 재료를 기존의 구리에서 보다 단단한 구리 합금으로 변경하는 등을 조치를 취했다. 그 결과, 기존보다 전기저항이 높아졌지만 기계적 마모가 적어지면서 120발 이상 발사할 수 있게 되었다고 한다.

-- 1MA 오더의 전원 확보가 과제--
하지만 레일건의 가장 심각한 과제는 전원이다. 방위장비청이 개발 목표로 내세운 레일건은 1메가암페어(MA) 오더의 대전류를 출력할 수 있는 전원이 필요하다. 방전 시간은 방위장비청의 과거의 개발 사례를 볼 때 수 밀리미터초 오더로 예상된다. 지금까지 레일건 개발의 대부분이 실패로 돌아간 원인 중 하나는 이런 요구를 충족시킬 수 있는 전원 기술이 없었기 때문이다.

방위장비청이 레일건용 전원으로 상정하고 있는 것이 ‘콘덴서뱅크(Condenser Bank)’이다. 콘덴서뱅크란 같은 용량의 콘덴서를 다수 병렬로 접속한 유닛으로, “리튬 이온 커패시터와 같은 에너지 밀도가 높은 특수한 커패시터가 아닌 지극히 전통적인 커패시터를 이용하는 경우가 많다”(관계자)라고 한다. (레일건 전원으로서) 거의 유일한 선택지라고 생각한다”(관계자)라고 한다. 방위장비청은 니치콘의 콘덴서뱅크를 사용하고 있는 것으로 보인다.

원리적으로는 다수의 콘덴서를 거의 동시에 방전하면 큰 펄스 전류를 발생시킬 수 있다. 하지만 과제도 있다. 우선 수 밀리미터초 오더라는 지극히 짧은 시간의 방전을 제어하려면 고도의 엔지니어링 기술이 필수라는 점이다.

각 콘덴서에 접속되는 케이블 길이를 엄밀하게 맞춰야 하고, 내전압 특성과 저(低) 인덕턴스, 고(高) 시동 등의 특성을 가진 ‘갭 스위치’가 필요하다. “콘덴서뱅크는 현재 연구 용도로만 사용되고 있어 장치 자체 개발은 활발하지 않다”(관계자)라는 점도 걸림돌이다.

엔지니어링 측면뿐만 아니라 고전압 대전류의 방전 현상에는 아직 해명되지 못한 점이 많다. 콘덴서뱅크를 사용해 초강 자기장을 발생시키는 연구를 추진하고 있는 도쿄대학 물성연구소의 마쓰다(松田) 교수는 “일반적으로 순간적인 대전류 방전 현상은 복잡한 동역학이 작용해 작은 전류와 동일한 이론이 적용되지 않아 설계가 극히 어렵다”라고 말한다. 하지만, “최근에는 슈퍼컴퓨터를 사용해 해석을 효율화하는 연구 사례도 나오고 있다”(마쓰다 교수)라고 한다.

-- 25m 풀과 같은 부피의 전원이 필요? --
콘덴서뱅크의 또 다른 과제는 낮은 에너지 밀도, 즉 거대하다는 것이다. 현재 판매되고 있는 에너지 용량 0.5메가줄(MJ)의 콘덴서뱅크 유닛의 크기는 세로 2m, 폭 1m, 높이 3m 정도이다.

만일 레일건으로 10kg의 탄환을 초속 2000m/초로 쏘아 올릴 경우, 사출 시의 운동에너지는 20MJ. 전체의 효율을 50%라고 가정하면 필요한 전기에너지는 40MJ에 달한다. 앞의 크기와 대조하면 적어도 콘덴서뱅크의 체적으로서 480m³가 필요하다고 할 수 있다. 이것은 25m 크기의 풀(세로 25m, 폭 16m, 높이 1.2m)에 해당하는 부피이다. 유닛 간 간격이나 배선을 고려하면 더욱 커진다.

지상 배치라면 가능하지만, 이지스함 내에 이 정도의 체적을 확보하기는 쉽지 않을 것으로 보인다. 실제로 방위장비청도 전원의 소형화를 기술 과제로 꼽고 있으며, (소형화 포함한) 전원과 관련된 연구도 추진할 방침이라고 한다.

전원과 별개로 레일도 더욱 개선할 필요가 있다. 재질 변경을 통해 120발을 쏠 수 있게 되었지만 “작전 수행상 120발은 무기로써 도움이 안 된다. 내구성을 더 높이거나, 새로운 레일과 곧바로 교환할 수 있는 구조가 불가결하다”(관계자)라고 한다.

방위장비청은 레일건의 실용화 시기는 밝히지 않았지만 조기 실용화를 목표로 한다고 밝혔다.

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