전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2024.6 (p64~67)

Emerging Tech; 방위 기술
마치 SF의 '전자포', 다음 과제는 연속 사격
전원의 소형화는 민간의 파워일렉트로닉스 기술에 기대

방위장비청이 실용화를 목표로 추진하는 ‘레일건(전자포)’ 개발이 드디어 ‘제2 단계’로 이동하고 있다. 레일건은 SF 세계에서는 자주 등장하지만, 세계에서 실용화된 사례는 아직 없다. 방위장비청은 “아직 무기화 가능성이 보이고 있는 단계는 아니지만, 주목 받고 있는 기술인 만큼 신속하게 실용화하고 싶다”(방위청 기술전략부 기술계획관부 총괄의 마쓰이(松井) 씨)라며 의욕을 보이고 있다.

레일건은 전기에너지에서 발생되는 자기장을 이용해 탄환을 발사하는 무기이다. 화약을 사용하는 기존의 화포로는 실현이 불가능한 탄환의 초속도를 실현할 수 있는 기술로서 세계 각국에서 개발이 추진되고 있다.

지금까지 방위장비청은 주된 상정 용도인 ‘극초음속 유도탄’(Hypersonic Guided Missile)에 대응하기 위해 탄환을 가속하는 것에 초점을 맞춰 연구를 진행해 왔다. “탄환이 포신에서 나올 때의 위력과 비행의 안정성을 확립하기 위한 검증을 실시해 실증할 수 있었다”(마츠이 씨)라고 한다. 즉, 레일건은 SF 세계에만 존재하는 ‘가공의 병기’가 아니라, 현실 세계에서의 잠재력을 가지고 있다는 것을 확인한 것이다.

하지만, 현재는 1발을 쏘고 충전을 반복하는 ‘단사(單射)’로, 실전에서 위력을 발휘할 수 없다. 그래서 방위장비청은 2023년도 예산의 160억 엔을 배정해 연속 사격 실현을 목표로 하고 있다. 이 개발에는 4~5년이 소요될 것이라고 한다.

레일건의 구조는 이렇다. 평행의 2개의 도체 레일 사이에 전류를 통과시키는 전기자와 탄환의 접합체를 배치한다. 이 전류 경로에 펄스 형태의 대전류를 흐르게 하면 레일 주위에 강력한 자계가 발생. 이와 동시에 자계와 수직 방향의 전기자에도 전류가 흐르기 때문에 전기자에는 전자기력이 작용한다. 탄환은 전기자와 함께 가속해 고속으로 발사되고, 발사 후에 탄환과 전기자는 분리된다.

-- 유도탄보다 압도적으로 낮은 코스트 --
레일건은 (1)기존 화포의 높은 초속도 탱크보다 고속의 극초음속을 실현할 수 있다 (2) 전기에너지로 가속하기 때문에 초속도를 용이하게 변경할 수 있고, 발사약이 필요 없기 때문에 안전하게 운용할 수 있다 (3)탄환 사이즈가 작기 때문에 탐지·요격되기 어렵다 (4)유도탄보다 압도적으로 코스트가 낮다 등의 장점을 가지고 있다.

이와 같은 특징으로 인해 레일건은 이미 러시아와 중국이 실전 배치하고 있으며, 북한 등도 적극적으로 개발하고 있는 극초음속유도탄에 대한 방어에서 위력을 발휘할 것으로 기대되고 있다. 이 극초음속유도탄은 마하 5(음속의 5배, 약 1,700m/초) 이상의 극초음속으로 통상적인 탄도미사일보다 낮은 궤도를 장시간 비행할 수 있고, 더 나아가 임의의 타이밍에 속도나 고도를 바꾸는 기동성을 갖고 있다. 기존의 방공망을 돌파할 가능성이 있는 새로운 위협이 되고 있어 세계 각국이 대책 마련을 서두르고 있다.

일본은 극초음속유도탄을 요격하기 위해 미 국방부 미사일방어국이 추진하고 있는 유도탄 개발에 참여하고 있으며, 방위장비청이 독자적으로 유도탄 개발에 착수하는 등, 새로운 활동을 추진하고 있다. 이 극초음속유도탄에 대한 다층 방어 중 하나로 레일건을 설치할 계획이다. “유도탄과 비교해 1발 당 코스트가 훨씬 저렴하기 때문에, 많은 탄을 쏠 수 있을 가능성이 있다”(마쓰이 씨)라는 점이 큰 매력이다.

방위장비청은 2016년에 전자기 가속 시스템에 대한 연구를 개시, 2021년까지 구경 40mm의 중형 레일건을 시작(試作)했다. 전차포의 1,750m/초를 상회하는 탄환 초속도 2,000m/초 이상을 목표로 설정. 이미 무게 약 320g의 탄환을 2,297m/초(약 마하 6.7)의 초속도로 발사할 수 있는 능력을 달성했다.

2023년 10월에 실시한 사격 시험에서는 비행의 안정성과 위력을 검증했다. 상세한 내용은 공표로 하지 않았지만, 함정을 가정한 2개 이상의 강판을 뚫는 것에 성공했다고 한다.

2023년 8월에는 세계 최초로 해상 사격을 실시했다. 해상자위대의 협력을 얻어 실제 함정에 레일건을 탑재하여 사격해 데이터를 수집하는 데 성공했다. “향후, 함정으로의 탑재를 위한 과제를 밝혀내는 것이 목적이었다”(마쓰이 씨). 이 실증에서는 구경 40mm와는 다른 시스템을 사용했다고 한다.

-- 메인터넌스 프리로 120발 이상 쏠 수 있어 --
레일건의 가장 큰 과제 중 하나는 탄환의 가속 시 생기는 열이나 마찰에 의해서 일어나는 도체 레일 표면의 손상이다. 탄환은 수 밀리초라는 짧은 시간에 2,000m/초 이상의 속도까지 가속한다. 이때 가속도는 10만 G 정도로, 기존 화기인 곡사포와 비교해 한 자릿수 크다.

레일 표면의 손상에는 2종류의 현상이 있다. 하나는 전류를 레일에서 전기자로 흘려 보낼 때 발열에 의해 레일의 탄환 초기 위치가 달라지는 현상. 다른 하나는 탄환의 가속으로 인한 레일과의 마찰로 기계적인 마모 현상이다. “레일이 손상되면 전류가 적절하게 흐르지 못하게 되어 탄환의 초속도가 저하되거나, 레일이 파손될 가능성이 있다”(마쓰이 씨)

방위장비청은 유지보수를 하지 않고 반복적으로 120발 이상 사격해도 탄환의 초속도가 떨어지지 않는 것을 목표로 개선에 나서고 있다. 120발이라는 숫자는 실용화를 위한 기술 평가에 필요한 값이라고 한다.

사격 시험을 통해 방위장비청이 발견한 것은 레일의 소재와 배치가 레일 표면의 손상에 큰 영향을 미친다는 것이다. 방위장비청은 레일 표면의 전류 밀도와 손상에 양의 상관관계를 확인하였다. 그래서 소재로 사용하는 구리합금 등의 조성을 개선하였고, 동시에 방전 패턴을 최적화하고, 배치를 고안해내었다. 레일 표면의 전류 밀도를 낮추면서 목표로 하는 탄환의 초속도를 달성하기 위해 포의 내부 자속이 강화되도록 조절하였다.

그 결과, 레일의 손상이 큰 폭으로 감소되어 120발을 발사해도 탄환의 초속도가 2,000m/초 이상으로 안정적인 것을 확인할 수 있었다고 한다.

제2단계 개발에서 추진하는 ‘연속 발사’의 실현은 실용화의 행방을 크게 좌우한다. 방위장비청은 현시점에서 연속 발사 등에 관해서 ‘검토 중’이라고 밝히고 있으며, 그 과제 중 하나가 포부에 탄환을 장전하는 것이라고 한다.

통상적인 탄환은 둥글기 때문에 포부에 넣기 쉽지만, 레일건의 경우는 네모난 형상(길이 약 160mm)으로, 그것을 빠르게 포부에 넣지 않으면 짧은 간격으로 연속 발사를 할 수 없다. “물론, 자동 장전이 되겠지만, 구체적인 방법은 아직 정해지지 않았다”(마쓰이 씨)

연속 발사의 다음은 ‘파편 효과’ 실현을 목표로 한다. 파편 효과는 탄환이 공중의 공격 목표에 부딪히기 전에 공중에서 퍼져 타격 범위를 넓히는 것이다. 산탄총과는 다르지만 이미지는 비슷하다. 파편 효과를 가지면 목표 대상을 직격하지 않아도 데미지를 줄 수 있다.

-- 트럭 4대 분량의 거대한 전원 공급 장치 --
구경 40mm 레일건의 전원부는 트럭으로 견인하는 컨테이너 4대 분량으로 거대하다. 이러한 전원의 소형화는 레일건의 실용화를 추진하는 데 있어 주요 과제 중 하나이다.

레일건에서는 수백 k~수 MJ 레벨의 전기에너지를 저장하고, 그것을 수백 마이크로초~수 밀리초라는 단시간에 방출하는 펄스 전원을 사용한다. 대용량·고출력·고속 응답·고내구성을 가진 축전 디바이스 및 스위칭 디바이스가 필요하게 된다.

축전 디바이스로는 질량에너지 밀도는 낮지만, 펄스 전원으로 취급이 쉽고, 응답성과 모듈화가 용이한 점에서 콘덴서를 사용하고 있다. 구경 40mm의 레일건에서는 총 24개의 모듈이 수납된 급전 컨테이너 3대에 5MJ의 에너지를 저장하고, 각 모듈이 가진 반도체 스위치에 의해 방전을 제어해 레일건에 전력을 공급한다.

방위장비청에 따르면, 5MJ라는 에너지는 가전에 비유하면 소비전력 1,400W 정도의 드라이어를 약 1시간 사용했을 때와 같다고 한다. 비현실적인 크기의 에너지양은 아니지만, 이것을 수 밀리초라는 짧은 시간에 사용해 기가와트(GW)급 전력을 발생시키는 고도의 전원기술이 필요하다.

향후, 레일건을 함정에 탑재하거나 지상에 배치할 때, 플랫폼에 맞춘 개발이 필요하며 이때 전원의 소형화는 불가결한 요소가 된다. “민간의 기술을 도입해 소형화를 추진해나가고 싶다. 배터리의 높은 에너지 밀도화와 전력 제어 파워 디바이스의 고내압화 등의 첨단 기술에 기대하고 있다”(마쓰이 씨)라고 한다.

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