전열화학포

영어 : Electrothermal Chemical Gun (전열화학포, ETCG), Electrothermal Gun (전열포, ETG)

Chemistry Gun of the Line이 아니다

1 전열화학포의 개발 개념

전열화학포는 기존 화포무장과 유사한 구조를 가지고 있다.

기존 화포무장이 화학추진제만으로 탄체를 가속시키는 반면 전열화학포는 화학추진제 연소시 발생하는 화학에너지와 외부에서 인가되는 전기에너지를 이용하여 탄체를 가속시키게 된다.

전열화학포는 전기적으로 발생된 플라즈마를 개량형 니트로 셀룰로스(NC: Nitro- Cellulose) 추진장약의 점화에 이용하며, 재래식포의 포미부위에 설치된 전극에 펄스형태의 전기에너지를 공급하여 아크를 발생시킨다.

이 아크가 전극사이에 위치한 절연제를 플라즈마화하여 노즐을 통하여 약실에 분출된다. 약실내로 분출된 플라즈마는 약실내에 있는 액체를 가열, 고온/고압의 플라즈마를 다시 발생시켜, 이 플라즈마의 팽창력으로 탄자를 가속시키는 원리이다.

추가적으로 전열화학포가 각광을 받은건 장약의 완전 연소가 가능하기 때문이다. 현재 전차포 날탄의 관통력이 정체된 것중 하나가 장약의 불완전 연소 때문이기도 하다. 장약의 폭발력을 증대시키기 위해 화약의 밀도를 높혔더니 상당한 양의 장약이 불완전 연소를 해서 생각 만큼 폭발력이 나오지 않기 때문이다. 하지만 아크방전으로 장약을 완전 연소 시킨다면 이론치에 버금가는 폭발력이 발생한다.

재래식포는 추진제가 폭발되어 탄자가 진행함에 따라 약실압력이 감소하지만 전열화학포는 방전되는 전기펄스의 크기와 주파수를 변화시켜 탄자가 진행하는 동안 최대압력을 계속 유지하도록 추진제의 연소를 제어하므로써 강내의 최대압력을 장시간 유지시켜준다. 따라서 전자열 추진은 탄자가 견딜수 없는 가속한계를 넘지 않으면서 최대가속도가 재래식에 비하여 오래 지속시킬 수 있게 된다.

2 전열화학포의 개발 추진 이력

전열화학포는 1980년 미국에서 최초 연구개발되기 시작하여, 미육군에서는 실험실 규모의 30/90밀리 전열화학포 실험연구에 이어 FMC사(Advanced System Center, Minneapolis, Minnesota 소재), GDLS사(General Dynamics Land Systems Co.)를 활용, 차기세대 전차 후보로서 120mm 전열화학포를 연구하고 있다.

1988년 FMC사가 120밀리 9~18MJ La- boratory gun 및 곧이어 1989년 전자포인 스키드포(Skid-gun)를 보완할 120밀리 9~17MJ ETC 스키드포를 개발하였다. 1989년부터 1990년까지 FMC사는 GDLS사와 공동으로 120밀리 M256 Tank Gun에 장착할 목적으로 미육군시험평가를 실시한 것으로 알려지고 있으나 결과는 확인되지 않고 있다.

1993년 미국의 로빈슨 앤드 로젠버그는 60밀리 ETC Gun 사격 강내탄도 시뮬레이션을 통해 플라즈마의 점화율 계수( Burn rate coeff.)는 고체추진제를 이용한 것에 비해 압력과 속도에서 20%이상 증가됨을 확인하였다.

현재 FMC사는 M174포가와 8" 주퇴복좌장치를 사용하여 포구에너지 17MJ(포구속도 1.7Km/s, 탄체 11.8kg), 사격속도 9발/분(3분간 지속)의 CAP포를 개발하여 시험, 선택시 차기세대전차 무장으로 연구되어질 계획으로 있으며 현재 포구에너지 9MJ(포구속도 2.5Km/s, 탄체 2.9kg)이상 달성할 것으로 예상하고 있다. 시험시 전원장치는 100MJ, 400VDC Lead and Bipolar 밧데리와 8.5MJ, 16KVDC 커패시터 뱅크가 사용되고 있다.

무기체계 수준의 전열화학포는 미국 육군, 해군 주도로 FMC사, GDLS사, GE사 및 Olin사 등에서 활발히 연구되어지고 있으며, 1999년 미 육군은 형상면에서 M1A2전차에 적합한 120밀리 XM291 전차포의 동급 전열화학포에 대한 시험을 계획하고 있는 것으로 알려지고 있다.

기타 영국, 이스라엘, 독일, 네덜란드 등에서는 무기체계화를 위한 연구가 진행되고 있으며, 독일과 이스라엘의 경우 60~120밀리 전차포와 기존 고체추진제를 활용하는 고체추진제 전열화학포를 활발히 연구하고 있다. 국내에서는 국방과학연구소에서 전열화학포에 관한 기초연구를 수행하고 있다.

ADD에서 실제 120미리 포를 이용 실사격을 수행하는 단계 까지 왔지만 현재는 사실상 폐기 수순을 밟고 있다. 차기 포로 레일건에 집중하고 있다. 하지만 레일건이 언제 소형화가 될지 모르고 레일건의 여러가지 기술제반상 지원장비의 소형화가 얼마나 이루어질지는 아직은 미지수인 상황이다.

한때 전열화학포가 둔감화약의 존재로 폐기수순이 된것이라고 알려졌으나 사실 무근이자 잘못된 정보라고 한다. 오히려 전열화학포나 레일건 같은 무기에서 추진체로 가장 중요한건 둔감화약이라는 점이 와전된듯 하다.관련정보

3 전열화학포의 구조

전열화학포는 전극에서 발생되는 아크에 의해 생성된 플라즈마가 추진제를 연소할 수 있는 구조로 되어있다. 전열화학포의 구성요소중 가장 핵심적인 분야인 전원장치의 구성별 기능은 다음과 같다.

3.1 축전기 뱅크(Capacitor Bank)

간단한 구조로 되어 있고, 모듈화/확장성, 안전성, 신뢰도, 펄스발생 및 제어의 용이성으로 인하여 널리 사용되고 있으며 상용화가 손쉽고 다른 민수분야의 수요도 많아 발전 가능성이 매우 높다. 축전기 뱅크는 0.1 ~1MJ 전기에너지 용량을 갖는 여러개의 축전기 모듈이 병렬로 연결되어 구성된다. 특히 대전류펄스(500kA, 3~6msec)를 전달하기 위해 사용되어지는 스위치 기술의 확보는 이 분야의 전원장치 구성품중 가장 난해한 기술로 손꼽힌다.

3.2 보상펄스발전기(Compulsator)

회전체의 고속회전 운동에너지로 부터 대전류펄스 형태의 전기에너지를 직접 발생하는 발전기이며, 회전주기에 따라 펄스를 연속 발생 시킬 수 있다. 이 원리는 회전자에 인가되는 자장을 주기적으로 상쇄시킴으로써 회전자 코일의 내부 인덕턴스를 감소시켜 전류 펄스가 발생토록 하는 것이다.

4 전열화학포의 특성

전열화학포의 추진에너지는 화학에너지 80~ 90% 이상, 전기에너지 10~20%를 이용하므로써 전자포에 비해 전원장치의 규모를 1/5이하로 줄일 수 있다. 전열화학포의 무기체계화시 장단점을 살펴보면 다음과 같다.

• 장점
  • 기존 화포에 비해 포구속도 및 포구에너지 증대 용이
  • 기존 화포와 비교시 최대압력 대 평균압력 비율 낮아 부드러운 가속 가능 : 가속도에 민감한 탄 가속에 적합
  • 전자포와 비교시 전원장치 규모가 1/5 이하로 감소되므로써 무기체계화 적합
  • 둔감한 추진제의 사용으로 안전도 증대
  • 기존 화포의 기술 활용

• 단점
  • 기존 화포에 비교시 추가되는 전원장치로 인한 중량, 부피 증가 및 가격상승
  • 대전류 펄스의 발생 및 제어와 관련된 새로운 기술연구 필요
  • 고전류 펄스로 부터의 인원, 장비 보호설비 필요
  • 전기에너지에 의한 고온 발생

다음으로 전열화학포 구성품의 성능을 결정하는 가장 중요한 요구사항은 전원장치 에너지 밀도와 전기 및 화학에너지 비율이다. 즉 전열화학포의 무기체계 선정에 있어 가장 큰 문제점은 전원장치의 부피 및 중량 문제이며, 이를 해결하기 위한 전원장치의 고밀도화 해결이 필수적이다. 따라서 전열화학포의 추진에너지는 전자포에 비해 전원장치의 규모를 최소화하기 위한 전열추진 개념 연구, 기존 추진제보다 에너지 밀도가 높고 둔감도가 우수한 추진제 사용 방향 연구가 필요하다. 또한 전열화학포의 제어성, 포구속도 재현성 및 고밀도 전원장치 등의 무기체계화시 발생될 수 있는 문제점 해결을 위한 연구를 병행하여야 할 것으로 보인다.