복합장갑


1 개요

Composite armour
말 그대로 여러 가지 소재를 조합하여 복합적으로 만든 장갑. 현용 3세대 주력전차의 전면장갑을 담당할 정도로 가장 강력한 장갑이다. 특성상 철갑탄대전차고폭탄의 공격을 모두 방어할 수 있다.


2 개발

단순 강철 장갑이 아니라 장갑판 사이에 다른 물질을 첨가하여 전차의 방어력을 증가시키려는 시도는 2차대전 직후부터 있었고, 미국은 T95 실험용 전차에서 퓨즈드 실리카를 내부충전물로 사용하는 복합장갑을 실험한 바 있다.

실용 복합장갑은 냉전기에 이르러 서방과 공산진영에서 독립적으로 발전되었는데, 세계최초로 복합장갑을 채용한 실용 전차는 T-64이다. T-64A의 복합장갑은 유리섬유와 알루미나 세라믹을 사용한 복합재를 장갑판 사이에 충진한 것이라고 알려져 있다. [1]

한편 서방세계에서는 영국이 1960년대부터 초범(Chobam)[2] 지역의 연구소에서 개발하기 시작했으며, M1 에이브럼스 전차에 처음 장착되었다. 이후 세라믹 계열 재료에 대한 연구가 진척되면서 3세대/3.5세대 전차는 세라믹 계열 충전재를 사용하는 복합 장갑을 도입하게 되었다.


3 특징

기본적으로 금속과 세라믹, 합성수지류 및 기타등등의 적층식 장갑. 당연히 내부 구조의 상세와 구체적인 작동원리는 극비에 부쳐진다. 냉전 종식 후 서방에 획득되어 연구된 소련제 전차들은 이미 다 드러났겠지만 그 작동원리는 개발국과 개발시기에 따라 세라믹의 강성을 단순히 이용한 것에서부터 거의 비활성 반응장갑에 가까운 것까지 다양하다. T-72B의 포탑 복합장갑의 경우 거의 비활성 반응장갑에 가깝고 영국의 초범장갑 역시 세라믹의 파괴거동을 이용한 비활성 반응장갑의 요소를 갖고 있다.

전차를 공격하는 방법은 크게 2가지가 있다. 첫째로는 철갑탄, APDS, APFSDS(날탄) 등의 운동에너지(Kinetic Energy) 계열이 있으며, 둘째로는 HEAT(대전차고폭탄) 등의 화학에너지(Chemical Energy) 계열이 있다.

대개의 밀리터리 정보에서 복합장갑재의 방어력을 균질 압연 강판 두께로 표시하는 수치를 각각 CE와 KE로 나누어 표시한다. 단 이게 탄약마다 덜 되냐 덜 되냐의 차이가 있어서 절대적인 것은 아니고 대강 이정도는 한다고 보면 된다. 막는 복합장갑이나 그것을 뚫는 탄의 재질에 따라서 유동성이 좀 있다. 복합장갑은 보통 운동에너지탄보다 화학에너지탄에 대해 방어력이 높다는 특성을 가지고 있다. [3] 어쨌거나 사용된 장갑재의 두께는 단일재질 장갑재보다 훨씬 얇고 가벼우니까 제 할일은 한다고 볼 수 있다.

그리고 복합장갑은 일단 차량에 설치된 후에도 교체가 가능하다는 장점이 있다. 이는 기술의 발전에 따라 구식복합장갑의 방어력이 상대적으로 낮아질 수 있다는 것을 상쇄하는 요소이다. 보통은 장갑의 일부를 절단한 후에 내부에 있는 복합장갑재를 교환하는 방식을 사용하는데, 특성상 주조형태의 둥근 형태보다는 용접식의 각이 있는 경우가 작업이 용이하므로 현용 전차의 상당수는 용접식 각진 포탑의 형태를 유지한다.[4]


3.1 도해

이하는 현재까지 공개된 복합장갑재의 도해


AMX-56 르클레르 전차의 장갑개발연구 수행중의 테스트 사진

다음은 널리 알려진 구소련 전차들의 복합장갑이다.

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가장 먼저 복합장갑을 실용화한 T-64는 주조포탑에 알루미나 세라믹 볼을 삽입한 형태를 하고 있다. 알루미나 세라믹은 고경도 소재로 그 이름이 Kvartz 또는 Sand bars라고 알려져 있다. 이와 같이 볼 형태로 삽입하는 전차는 T-64가 유일하며, T-72에도 극소량의 모델에 적용되었다고 하나 비효율적 생산방식이라고 판단되어 아래와 같은 Combination K복합장갑으로 전환되고 T-64도 후기형에 와서는 이 형태의 장갑을 사용하지 않는다.

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차체와 포탑의 복합장갑 삽입 위치. 차체 전면의 경우 1970년대부터 STEF(러시아명 steklo plastica의 준말로 강화플라스틱)라고 불리는 복합재가 삽입된다. 즉 포탑에는 알루미나 재질, 차체에는 플라스틱 재질이 삽입되는 것이 특징이다. STEF는 유리복합섬유(glass textolite) 내지는 유리 강화 플라스틱으로 알려진 재료로 같은 두께 대비 철갑탄에 대해 0.41배, HEAT탄에 대해 0.5배의 방어력을 제공한다. 차체에 두께 대비 효율이 낮은 재료를 사용한 것은 포탑보다는 공간에 여유가 있었기 때문인 것으로 풀이된다.

다음은 T-72부터 사용된 Combination K 복합장갑이다.

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수출형 T-72M1으로 구 동독에서 운영된 T-72M1을 절단한 사진이다. 파란색으로 표시된 강철 사이의 노란 부분이 세라믹 충전제 즉 복합장갑이며 재질은 위에 언급했듯이 kvarz 즉 알루미나 합금이다. 속이 빈 강철 주조장갑을 만들고 복합재를 주입하는 방식으로 알려져 있다. 최소한 위의 T-64보다는 생산성이 높은 간결한 형태라고 할 수 있으며, T-72는 물론 T-80B에도 채용된 방식이다.

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T-80의 복합장갑 도해. 차체는 STEF가 들어가고 포탑에는 Kvartz가 주입 형태로 들어가는 전형적인 구소련식 Combination K장갑이다.

흔히 수출형 T-72는 강철 단일 재질의 주조포탑으로 다운그레이드되어 수출되었다고 하나 반은 맞고 반은 틀리다. 1982년 이전의 T-72수출형은 강철 단일 재질로 포탑이 제작되었는데 정확히는 소련 내수용도 1979년까지는 그랬다. Combination K방식이 적용된 1979년 이전에는 위의 T-64의 값비싼 생산방식밖에 없었다. 위의 동독 수출형 T-72M1은 구소련 오리지널로 복합장갑이 사용되었고 T-72A와 방어력이 같다. 물론 1982년 이후에도 수출형 T-72에서 강철 주조 포탑을 볼 수 있는데 이는 라이센스 생산국가에서 생산 단가를 절약하고자 복합장갑을 생략했기 때문이다. 특히 이라크에서 생산된 전차들이 그러하며, 이들은 걸프전에서 대부분 파괴거나 노획되었고 노획한 미국이 포탑을 따보자 그냥 단순 주조 포탑이었고 이 사실이 널리 퍼진 것으로 보인다.

사실 수출형 T-72가 불나방저럼 터져나간 이유는 복합장갑이 없어서가 아니다. 문제는 단지 포탑전면과 차체 전면에만 이와 같은 보호가 베풀어져있었다는 점(....측면피격시 포탑사출!!)

구 동독의 T-72M1 방어력을 참조해보자.

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독일 통일 후 대량의 T-72가 스크랩처리 되면서 각종 표적으로도 활용되었다. 위 사진에서 작은 구멍은 105mm포에서 발사된 DM33 철갑탄, 큰 구멍은 DM12 HEAT탄의 관통사진이다. 위와같은 복합장갑을 적용하고도 T-72는 HEAT탄에는 꽤나 무기력하게 관통되었다. 반면 철갑탄의 경우 1500m이하로 접근하지 않는 경우 관통은 힘들었다고 한다. 참고로 105mm포로 발사된 DM33의 관통력은 2000m에서 420mm, DM12탄은 430mm임을 하면, T-72의 전면에 적용된 복합장갑은 비록 HEAT탄에 대한 내성을 위해 제작되었다고 해도 큰 의미가 없었음을 알 수 있다.

T-64/72의 의의는 단지 제한된 중량에서 복합장갑을 적용해봤다는 것 뿐이다. 현대식의 HEAT, APFSDS를 막으려면 대체로 55톤 이상의 중장갑을 두르지 않으면 아무리 복합장갑이라고 해도 방어력 대비 순 철판으로 만드는 것 보다는 가볍다는 것 이상의 의미가 없다.

다음은 새로운 장갑이 도입된 T-72A 극후기형 또는 T-72B형이다.


미군이 T-72 B형을 입수하여 포탑상부 장갑충진영역의 뚜껑을 열어본 사진. BDD또는 Brow Armor, Bulging Armor라고 불리우는 장갑이다.고무와 알루미늄을 조합한 것을 공간을 두고 여러 개로 배치 한 장갑으로 NERA(Non Explosive Reactive Armor)의 한 종류로서 초범 장갑의 초기형과 유사하다. 이 버전의 경우 반응장갑 장착을 전제로 하고 있기 때문에 본체의 장갑은 운동에너지 탄은 잘 방어하는데 치중하고 있다... 고 하고 있으나 실제 이 형태의 장갑은 HEAT탄에 매우 대응력이 우수하다. T-80U와 T-90 등에도 유사한 방식의 장갑이 사용되나, 장갑재로 알루미늄 대신 티타늄을 사용한다고도 알려져 있다.

T-72B형부터는 차체도 STEF가 아닌 벌징 아머가 적용된다.

아래 도해는 초범아머(Chobham Armor)라고 알려진 복합장갑 중 기밀 해제된 벌링턴 장갑(Burlington Armor)이다. 벌링턴 장갑은 탄성 플라스틱을 충진한 전형적인 NERA형 장갑이다. 주된 개발 목적은 RPG-7/칼 구스타프 무반동포 등에서 발사된 HEAT탄에 대한 방호였고, 일반 철갑탄(APDS)에 대해서는 같은 두께의 RHA와 방어력이 거의 동일하다.[5] 내부 충진제가 세라믹인 종류는 챌린저 2에 사용된 도체스터 장갑(Dorchester Armour)으로, 재료나 작동 방식은 당연히 극비이다.

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벌링턴 장갑의 도해이다.[6] 벌링턴 장갑은 다양한 방식으로 연구되었으며, 이 도해는 여러 방식의 장갑 중 하나일 뿐이다. 외피라고 할 수 있는 버스터 플레이트는 고경도 철판이며, 도해에 빨간색으로 칠해진 샌드위치 패널은 1매 당 철판-플라스틱-철판의 형태이다. 초기의 벌링턴 장갑은 샌드위치 패널을 3장을 겹친다.

초범아머, 벌징 아머 형태의 장갑은 샌드위치 패널을 공간을 두고 여러개 겹친 공간장갑의 일종으로 사실 만드는게 복잡하지 않다. 유사한 형태의 장갑은 1991년 걸프전 당시의 이라크 군도 사용했다.

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T-55에 포탑 용접 형태로 붙여진 추가 장갑으로 위의 T-72B의 벌징아머와 같은 구성이다. 즉 알루미늄과 고무판, 공간이 적층으로 결합된 전형적인 NERA이며, 카더라에 따르면 아파치가 발사한 헬파이어 미사일 여러 발을 맞고도 살아남은 전례가 있다고 한다(...) 노획한 미국의 테스트 결과 HEAT탄에 대한 방어력은 같은 두께의 RHA의 2배였으나 철갑탄을 상대로는 RHA와 동일했다고 하는데, 벌링턴 장갑과 동일한 특성을 보인다.

T-55에 사용된 NERA는 사실 복합장갑이라는게 본질적으로 복잡한 것은 아니라는 걸 보여주는 사례로도 소개된다. 사용된 충진재의 재질이 복잡한 것도 아니고, 저런 형태의 장갑을 사용함으로서 수월하게 HEAT탄에 대한 내탄성을 향상시킬 수 있었다는 것이다.

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파괴된 M1A1전차의 측면장갑. 외피-샌드위치 플레이트 3매-코일스프링(공간)-내피 등으로 구성된 NERA 형태의 복합장갑이다. 알루미늄, 강판, 티타늄 등을 사용하는 러시아(소련)와 영국과 달리 미국은 열화우라늄을 샌드위치 패널의 주 재료로 사용한다고 알려져있다. 위의 T-72B 전면장갑과 비교해보자. T-72B쪽이 좀 더 투박하지만, 크게 다른 형태는 아니다.

해당 문단에서 HEAT에 대응하는 NERA형 복합장갑을 집중적으로 다룬 이유는, 철갑탄을 상대로도 같은 두께/중량인 RHA보다 높은 방어력을 확보하는 최신예 복합장갑도 RHA 사이에 충진재를 삽입한다는 본질적인 설계 방식은 NERA와 동일하기 때문이다. 다만 소재를 어느 것을 사용하느냐에 따라 장갑의 효율은 천차만별이며, 본격적으로 APFSDS를 막아낼 수있는 미국, 독일, 한국, 일본, 러시아 등 최신예 전차들의 장갑 재질과 제조 공정, 작동기전은 군사기밀사항이다. 미국 M1A2 Sep.2에 사용된 복합장갑은 M1 초기형의 초범아머와 5세대의 간격이 있으며 중량은 거의 20톤 무겁고 방어력은 몇배 이상이다.


영국이 IDET2007에 출품한 경장갑 차량용 복합장갑 (NATO STANAG 4569 Level 2) 실사테스트 결과물. 세라믹 타일을 합성수지로 강화섬유층과 결합한 형태이다. 장갑차 등 경장갑 차량은 전차보다 빡빡한 중량 제한이 요구되므로, 경장갑 차량용 복합장갑은 제한된 중량 내에서 최대한 소화기/기관포에 대한 방호력을 끌어올리는 것이 목적이 된다. 따라서 이러한 복합장갑은 방어력을 부여하는 세라믹을 가벼운 방탄섬유와 폴리머[7]로 감싸는 형태로 주로 만들어져서 모듈식 증가장갑 형태로 장착된다. 해당 형태의 복합장갑은 NATO 규격 [STANAG 4569]에 의해 방어력이 표기된다.


4 문제점

당연히 복합장갑도 무적은 아니겠지만 그나마 눈에 띄는 단점은 성능 외적인 것이 대부분이다.

  • 비싸다 : 가장 큰 문제점. 언제나 필요한 양을 조달하기가 쉽지 않다. 때문에 전차라도 측면의 경우엔 복합장갑 위에 NERA를 붙인다던가 하는 식으로 해결하는 경우도 있다.
  • 매우 두껍다 : NERA 형태의 복합장갑에 해당되는 단점이다. 벌징아머를 적용한 T-72B는 충전식 복합장갑으로 제작된 T-72A와 비교해 3톤이 무겁고, 포탑 전면의 두께는 거의 200mm가까이 늘어난다(T-72극초기형 포탑 전면 최대 두께 550mm., T-72A 포탑 전면 최대 두께 700mm, T-72B 800mm). 레오파트2나 M1전차같은 경우 포탑 전면 두께는 1000mm 즉 1m가 넘는다. 그러나 HEAT탄에 대해서나 의미가 있고 철갑탄에 대한 내탄성은 그냥 사용된 재료의 경도와 두께로 계산하므로 절반 또는 2/3수준에 불과하다. NERA형 복합장갑의 의미는 같은 무게의 철판을 사용했을 때보다 HEAT탄에 대한 내탄성이 크다는 거지, 실제 효율은 같은 무게의 철판과 크게 다르지 않다.
  • 중량이 크다 : 효과는 좋지만 절대적인 중량이 크게 증가하므로 장갑차 같은 경우에는 이 장갑을 사용하기 힘들다. 그래도 최소한 고전적인 균질압연장갑보다는 중량 대비 방어력이 높기 때문에 크게 눈에 띄는 단점은 아니다.[8]
  • 조달이 힘들다 : 바로 위에서도 나온 말이지만 복합장갑은 제작 방법, 특히 충진재의 구성과 제조공정은 국가기밀이므로 무기 시장에서 돈 주고 복합장갑만 산다는 것은 매우 힘들다. 게다가 외국제로 복합장갑이 적용된 무기를 통째로 사더라도 수출형은 충진재에 다운그레이드를 해놓은 경우가 많다. 복합장갑의 충진재 성능은 APFSDS의 관통자 성능와 마찬가지로 개발 국가의 재료공학 수준과 정비례하므로, 단순히 성능 좋은 재료를 찾는 수준을 넘어서 개발 국가의 기초 및 응용과학 수준이 뒷받침되어야 원하는 성능을 얻을 수 있다.


5 평가

비록 문제점이 없진 않아도 성형작약탄 앞에서 약세를 보이던 전차를 극복하게 해줄 수 있었을 정도로 중요도가 높은 장갑이다. 물론 반응장갑도 마찬가지 역할을 수행하였으나 반응장갑은 본질적으로 1회용인 소모품의 성질이 있으므로 복합장갑만큼 큰 역할을 하지는 못했다.

이에 더해서 철갑탄 계열의 운동에너지탄에도 방어력을 충분히 확보할 수 있도록 만들어졌기 때문에 앞으로도 한참동안 가장 강력한 장갑의 타이틀을 유지할 수 있을 전망이 보인다.

픽션에서도 뭔가 굉장히 단단한 장갑엔 앞에 붙는 여러 수식어 뒤엔 꼭 복합장갑이 붙는다. 예를 들면 다층 세라믹 복합장갑이라든지.

  1. James Warford, "Soviet-Russian Tank Turret Armor: The Cold War Shell-Game", Armor magazine Jul-Aug 1999
  2. 이 때문에 복합장갑을 초범장갑이라고 부르기도 한다.
  3. 예시로 M1 에이브람스는 걸프전 당시 전면장갑으로 헬파이어를 막아낸 전적이 있다.
  4. 사실 복합장갑이 아니더라도 주조식으로 포탑을 만들 경우 일반강판보다 균질성이 떨어지고 추가적인 강화처리도 거의 불가능하기 때문에 용접식으로 만든 포탑보다 방호력이 약간 떨어지게 된다. 그럼에도 불구하고 복합장갑 등장 전까지나 등장 이후에도 동구권의 많은 전차들의 포탑이 주조식으로 만들어졌는데, 필요한 형상을 만드는 데에는 주조식이 용접식보다 용이하기 때문이다. 일반 압연강판은 원통형으로 구부리는 것도 쉽지 않은데 이걸 구형으로 성형하려면 엄청난 노력이 들어가야 하며, 그렇게 성형이 되었다고 해도 내부결함이나 가공후 잔류응력 문제가 발생하기 때문에 생산성은 떨어지고 균질도는 주조식에 비해서도 별 차이가 없는 상황이 된다.
  5. [Feastibility Study of Burlington Fitted to Chieftain], F.V.R.D.E. Report No. P.C. 59, 1969, Table 1-2.
  6. Ibid., Fig. No. 4
  7. 통상 운행에 필요한 내충격성을 부여함과 동시에 피탄시 세라믹 파편이 튀지 않도록 막아주는 역할을 한다. 보병용 방탄 플레이트와 설계 방식 및 작동 기전이 거의 같다.
  8. 허나 이것이 전차의 중량이 커질수록 복합장갑의 방호력이 높다는 근거는 되지 못한다. 애초에 복합장갑은 무턱대고 균질압연장갑의 두께를 늘릴 수는 없다는 점 때문에 나온 물건이고, 장갑의 방어력은 내부 충진재에 의해 크게 좌우된다. M1 에이브럼스의 경우는 내부의 장갑재를 나노기술로 바꿔가며 중량을 줄이는 것과 동시에 방호력을 증대시키고 있다.