얼마전에 쓰려다 못/안 쓰고 지금 쓰니 좀 뜬금없네요.
레일건을 쓰려면 원자로 있어야 한다는 말들도 많은데요.
적어도 전력 측면에서는 생각보다 훨씬 현실화되었다 할 수 있습니다.
일단 각종 무기에 필요한 에너지 (전력) 을 살펴보겠습니다.
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마지막에 소요 에너지라고 쓴 것은 전력 공급 시스템, 레일건 자체 에너지 효율등등을 모두 고려해서 포구 에너지에 4 를 곱한 것입니다. 한 발 발사에 필요한 에너지고요. 한국이 개발한 시스템도 포구 에너지 2 MJ 을 위해 8 MJ 전력 공급 시스템을 쓰고 있죠.
K2 소총 (K100 탄환) 포구 속도 920m/s 탄자 질량 3.95 g 포구 에너지 1672 J -- 소요 에너지 6.7 KJ
중기관총 (0.50 BMG 탄) 포구 속도 870m/s 탄자 질량 40 g 포구 에너지 15 KJ -- 소요 에너지 60 KJ
펠링스, M61A1 ( 20mm 탄 ) 포구 속도 1113m/s 탄자질량 100 g 포구 에너지 62 KJ -- 소요 에너지 248 KJ
골키퍼 ( 30mm 탄 ) 포구 속도 1035m/s 탄자질량 363 g 포구 에너지 194 KJ -- 소요 에너지 778 KJ
120mm 전차포 포구 에너지 9 MJ -- 소요 에너지 36 MJ
127mm 함포 (Mk.45 Mod 2) 포구 에너지 11 MJ -- 소요 에너지 44 MJ
127mm 함포 (Mk.45 Mod 4) 포구 에너지 18 MJ -- 소요 에너지 72 MJ
줌왈츠 목표 포구 에너지 64MJ -- 소요 에너지 256 MJ
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연속 발사시 필요한 전력량을 계산해보겠습니다. 간단히 말해서 배터리나 발전기의 발전 용량을 말한다고 보시면 됩니다. 괄호 안은 전력을 마력으로 치환할 것이고요.
연속 발사는 최대 소비 전력인 셈이고, 포탄 적재량 한계도 있기 때문에, 이 정도 출력은 달랑 몇 분간만 유지하면 됩니다.
K2 소총 (K100 탄환) 분당 800 발 -- 89 KW ( 120 마력 )
중기관총 (0.50 BMG 탄) 분당 750 발 -- 757 KW ( 1015 마력 )
120mm 전차포 분당 12 발 -- 7.2 MW ( 9655 마력 )
127mm 함포 (Mk.45 Mod 2) 함포 분당 20 발 -- 14.7 MW ( 1 만 9668 마력 )
펠링스, M61A1 ( 20mm 탄 ) 분당 4500 발 -- 18.6 MW ( 2 만 4920 마력 )
127mm 함포 (Mk.45 Mod 4) 분당 20 발 -- 24 MW ( 3 만 2185 마력 )
줌왈츠 목표 (64MJ) 분당 10발 -- 42.7 MW ( 5 만 7217 마력 )
골키퍼 ( 30mm 탄 ) 분당 4200 발 -- 54.4 MW ( 7 만 3 천 마력 )
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리튬이온 배터리의 출력은 kg 당 8.48 KW ( 톤당 8.45 MW ) 까지 가능합니다.
( http://fairman.co.kr/bbs/board.php?bo_table=lithium_polymer&wr_id=6 참고 )
위 배터리는 특별한 것이 아니라 모형 비행기/헬리콥터/드론등을 위한 고율 방전 배터리고요.
이 정도만 해도 배터리 1 톤으로 120 mm 전차포의 전력 공급 가능.
6.4 톤의 배터리로 골키퍼와 함포등도 전력 공급 가능.
( 부피는 문제가 안 됨 )
현재 리튬이온 배터리의 용량을 기존 (위 배터리 포함) 보다 6 배까지 늘릴 수 있는 기술도 개발되었다죠.
매우 가까운 미래에 1.75 kg 의 배터리로 레일건 소총에 필요한 전력 공급 가능하다는 얘기가 됩니다.
물론 배터리가 고율 방전하기 때문에 연속 발사시 지속 시간은 고작 분 단위지만,
배터리 떨어지기 전에 탄알/포탄이 먼저 동날겁니다.
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참고로 선박 엔진은 두산에서 엔진 하나에 10 만 3 천 마력짜리도 만들고 있습니다.
세종대왕급 엔진 전체 용량은 11 만 6400 마력
독도급 엔진 전체 용량은 12 만 8000 마력
항공모함, 원자력 잠수함용 원자로는 원자로 1 기에 100 MW ( 13 만 4100 마력 )
줌왈츠 엔진 전체용량은 147 MW ( 19 만 6862 마력 )
니 미 츠급 항공모함은 원자로 2 기를 써서 26 만 마력
원자력 발전소 원자로는 1500 MW ( 201만 마력)을 주로 쓰고요.
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탄알/포탄이 포신에 머물리 있는 시간은 1/1000 ~ 3/1000 초에 불과합니다.
이 정도로 매우 짧은 순간에 전력 집중 공급은 배터리나 발전기 직결로는 어림도 없고요.
( 원자로가 필요한게 아닙니다. ^^; )
그래서 펄스 전원용 캐패시터를 씁니다.
( http://www.ga.com/series-c-high-voltage-energy-storage-capacitors 참고 )
배터리나 발전기보다는 이게 핵심부품이라 할 수 있고요.
145.2 kg 짜리로 50 KJ 의 펄스를 공급 가능하네요. 1 KJ 당 2.904 kg, 톤당 344 KJ
이 글 첫 부분에서 말한 [ 소요 에너지 KJ ] 을 344 KJ 로 나누면 펄스 전원용 캐패시터 무게가 나옵니다.
K2 소총 (K100 탄환) -- 19.4 kg
중기관총 (0.50 BMG 탄) -- 176 kg
펠링스, M61A1 ( 20mm 탄 ) -- 719 kg
골키퍼 ( 30mm 탄 ) -- 2.26 톤
120mm 전차포 -- 104.5 톤
127mm 함포 (Mk.45 Mod 2) -- 128 톤
127mm 함포 (Mk.45 Mod 4) -- 209 톤
줌왈츠 목표 (64MJ, 분당 10발) -- 743 톤
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전력 관련에서는 대부분 실용 범위에 들어있습니다만,
중기관총은 장갑차/전차등에 장착된 상태라만 사용할 수 있겠네요.
전자포용은 전차 무게 2 배에 가까우니 불가능이라 봐야겠죠.
소총의 경우도 의미가 없겠고요.
소총과 같이 작은 용량만 필요한 경우는 캐패시터대신 인덕터를 쓰는 펄스 전원을 쓴다면 무게를 1/10 로 줄이는 것도 가능할 것 같습니다만, 배터리와 펄스 전원 합친 무게를 생각해보면 그냥 불가능으로 봐야겠고요.
전차포용 펄스 전원 공급은 기술 발달에 따라 해결 가능한 범위이긴 한 것 같습니다.
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현재 레일건의 가장 큰 문제는 포탄에 작약 탑재가 곤란하고 포신의 수명이 짧다는 점이겠죠.
그런데 이건 신무기 만드는데 레일건으로 가능한 마하 7 은 해야 의미있다는 고집(?)때문인 것으로 생각됩니다.
재래식 화약 기반의 포구 속도 마하 3 정도를 목표로 한다면 해결하기 힘든 문제도 아닐겁니다.
포구 속도를 기존 포와 비슷하게 한다는 얘기는 기존 포탄들을 모두 쓴다는 얘기입니다.
작약 엄청 들어간 고폭탄이나 유도 기능달린 포탄 등등 온갖 것들 모두.