포병사거리 연장의 역사및차기사거리연장포탄

포병 사거리 연장의 역사 및 차기 사거리 연장포탄

인류의 역사와 함께해 온 전쟁사를 둘러보았을 때, 혁신적인 지상 작전의 변화를 가져 온 것은 포병 화력의 운용이라 할 수 있다. 고대부터 근대시대까지 화포의 사거리 연장은 이러한 포병 화력의 효율성을 더욱 증가시켰고, 이는 곧 전쟁에서 전략의 우위를 보장해 주었다. 현대전에서도 다양한 최신의 첨단무기들이 운용되고 있지만, 지상전에서 포병화력은 여전히 전장을 지배하는 요소로 중요하게 여겨지고 있다. 대한민국 육군도 첨단 미래 군으로서 앞으로 변화되는 작전환경 및 전쟁수행 개념에 맞춰 차기 포병무기의 사거리를 어떻게 증가시켜 전장의 주도권을 확보할지 지속적인 연구개발이 필요하다.

(이미지)

국방과학기술의 발전에 따라 최신의 다양한 무기체계들이 개발되고 있다. 지상 작전 임무수행에서도 무인무기체계, 최첨단 지대지 유도무기, 차세대 전차 등 다양한 무기체계가 전장에서 운용되고 있다. 그러나 이러한 첨단무기체계가 운용되는 현대전에서도 포병 화력은 비용 대 효과 측면에서 훨씬 뛰어난 성능을 발휘한다고 평가되고 있다.

현재에도 미래에도 포병화력은 지상 작전의 핵심이며, 이러한 포병화력의 발전은 사거리 증대, 파괴력 증대 및 정확도 향상과 맥을 함께 한다고 할 수 있다. 여기에서 최근 지상 작전의 변화(군단 작전반경 증대 : 기존 종심 70→120km)에 따라 포병화력의 사거리 증가는 반드시 달성해야 하는 필수적인 요소라고 할 수 있다.

최근 대한민국뿐만 아니라 국방 선진국도 포병의 사거리 연장에 관하여 다양한 개발 및 연구를 실시하고 있다.

이렇게 포병 화력운용에 중요한 역할을 하는 포병 사거리 연장과 관련하여 과거 사거리 연장이 전쟁사에서 어떠한 역할을 하였으며, 역사적으로 어떻게 사거리 연장의 기술이 발전되었는지 알아보겠다. 또한 대한민국 포병의 차세대 사거리 연장에 관하여 사거리 연장 기술과 군사 선진국의 사거리 연장 현황에 관하여 살펴보고, 이를 통하여 앞으로 어떠한 기술을 통하여 포병 사거리 연장을 달성할 수 있는지 알아보도록 하겠다.

• 포병무기 및 사거리 연장의 역사

전쟁의 역사는 인류의 역사라 불리듯 인류역사와 함께 전쟁은 계속되었고, 전쟁에 사용되는 무기체계도 시대와 기술에 따라 발전 및 변형되어 왔다. 화포(포병)는 어떤 시대이든 전쟁에서 최고의 과학기술을 반영한 최신병기로 등장하였으며, 전장을 주도하는 무기체계로 운용되어 왔다.

◆ 고대 및 중세시대의 포병무기

고대의 포병무기는 화약이 발명되기 이전에 투석기가 주로 사용되었으며, 발사체의 형태 및 투석의 방법 등에 따라 다양하게 분류되었다. 역사에서 화포의 기원이라고 볼 수 있는 무기는 고대 투사무기 물매Sling를 들 수 있다. 물매는 투석 끈을 활용하여 발사체를 던져 목표를 맞추는 무기를 말한다.

[표 1] 고대포병무기 비교

고대시대의 포병무기는 [표 1]의 정리처럼 발사체의 무게와 투석기의 투석 방법 및 동력원 등에 따라서 사거리의 변화가 있다는 것을 알 수 있다. 이는 1900년 랄프페인-갤웨이의 실험을 통해 증명된 고대 야포의 투발을 정리한 것이다. 이렇게 고대의 포병은 사거리 연장을 위하여 동력원의 힘을 증대시키거나 비행체를 조정하는 방법으로만 사거리에 영향을 미칠 수 있었으며, 이러한 시도는 화약발명 이전 ‘투석포 시대’에서 적을 원거리에서 공격하거나, 공성전에서 활발하게 사용하여 지상전의 전술 및 전략을 바꾸는 계기가 되었다.

중세시대의 포병무기는 화약을 사용한 것이다. 화약의 폭발력으로 추진력을 받아 발사체를 투사하는 활강포가 출현했고 사거리 연장에 비약적인 향상과 포병운용의 획기적인 발전이 가능했다.

[그림 2] 화포사거리 연장에 기여한 화약

중세시대의 화약은 최초 흑색화약Black Powder이라고 불리는 유연화약(연기가 많이 나는 화약)의 발명으로 시작된다. 초기 화약은 불순물이 많고 성능이 떨어져 무거운 발사체를 멀리 보내는데 한계가 있었다. 이후 발사화약의 성능이 향상되면서 발사체를 투사할 수 있는 충분한 성능이 보장되었고 화포의 사거리 연장 에도 기여하게 된다.

중세시대 화포의 사거리 증대는 화약의 발전뿐 아니라 화포기술의 발전에 의해서도 가능했다. 중세시대 초기의 대포는 주조기술의 부족으로 인해 화포 및 탄약을 석재 또는 구리 등으로 제작하여, 화약의 폭발 효과를 견디지 못하고 심지어 아군에게 피해를 주는 위험한 무기였다. 15세기 이후 점차 주조기술의 발달로 화포가 화약의 폭발을 견디며 발사체를 원거리까지 투사할 수 있었다.

[그림 3] 중세시대의 화포

사거리 연장 필요성으로 공성포 포신의 길이는 연장되었고, 화약의 성능 개량(불순물 제거), 포신의 내구도 향상으로 화포의 사거리를 연장할 수 있었다.

◆ 근대의 포병무기

근세시대(17∼18C)에 화포의 중요한 변화는 표준화 개혁을 실시하였다는 것이다. 표준화를 통해 화포를 운용하는 사격제원 산출방법을 통일할 수 있었다. ‘포신’, ‘탄약’, ‘기타기재’ 등의 규격통일 등은 동일한 성능 일지라도 사거리 증대효과를 이룰 수 있었다.

[그림 4] 근세시대 표준화 화포

포경과 화포 포신을 고정시켜 장거리 사격을 위한 정확한 발사 각도를 부여할 수 있었고, 포강 내부에서 포탄의 유동을 감소시켜 추진가스의 유출을 줄였고 최대 3,280야드까지 사거리를 증가시킬 수 있었다.

근대 시기에 들어 기존의 포구장전식 활강포에서 포미장전식 강선포로 변화하기 시작했다. 강선포의 출현은 직사포와 곡사포를 분류하는 계기가 되었고, 사거리가 현저하게 증가되는 결과를 가져왔다. 강선포는 포탄에 회전력을 부여함으로써 비행중 포탄의 안정성을 높이고, 장거리까지 비행시킬 수 있으며 정확도 향상에 기여했다.

기존에 활강포는 탄약이 포구를 떠날 때 발생하는 포구초속에 의해 비행했고, 포탄에 회전력을 부여 하지 못했다. 이에 따라 근거리에서 최초 포구초속의 2/3 이상을 상실했고 사거리 감소에 막대한 영향을 끼쳤다.

[그림 5] 강선포신(위)과 활강포신(아래)의 차이

활강포에서 강선포로 변화함에 따라 포신내부에 홈을 파고 탄약을 변형시키는 시도들이 있었다. 강선포는 포신을 통과하는 탄약에 회전을 주는 방법으로 사거리를 증대하였고, 포미장전을 위해 뇌관 및 포탄의 추진방법을 변화시켰다. 하지만, 근대초기에는 강선포를 제작함에 있어서 포탄에 회전력을 부여하는 포신의 골을 효과적으로 제작하지 못했고 [표 2]에서 보이는 것처럼 활강포와 강선포의 사거리 차이가 크지 않았다.

[표 2] 근대 활강포 및 강선포 비교

근대시대 초기 이렇게 강선포와 활강포의 사거리 차이가 많지 않은 것은 강선포의 포신을 제조하는 기술이 성숙하지 못했고, 포탄을 제작하는 기술도 부족했기 때문이다. 기존 활강포에서는 원형포탄을 사용했지만, 강선포에서 포탄의 회전력을 충분히 받을 수 있는 원추형 포탄으로 변경하면서 탄도의 안정성과 함께 사거리 증대의 효과를 얻을 수 있었다.

[그림 6] 원형포탄(좌) 및 원추형포탄(우)

◆ 현대의 포병무기

산업혁명 이후에 발달된 기술 및 자원을 바탕으로 현대의 포병무기는 혁신적으로 발전했다. 그와 더불어 제1·2차 세계대전을 통해 포병 사거리 증대는 혁신적으로 변화하게 되었 다. 포병의 현대화는 강철제조 방식의 변경과 탄도학 분야의 연구를 통해 변화되었다고 할 수 있다.

현대 포병무기의 사거리 증대는 강철제조 기술의 발달로 포신의 크기와 길이가 거대해짐에 따라 기존에는 상상할 수 없는 원거리의 적을 타격할 수 있게 되었다. 그 대표적인 예가 제1차 세계대전에서 사용되었던 열차포라고 할 수 있다. 제1차 세계대전 운용된 여러 열차포 중에 가장 사거리가 길었던 열차포는 독일이 파리시를 폭격하기 위하여 제작한 ‘파리포’이다.

[그림 7] 제1차 세계대전시 열차포(파리포)

구경 240mm, 길이 39m, 최대사거리 130km나 되는 거대한 화포였으며, 강철 제조기술 덕에 가능해진 장포신과 많은 양의 화약에 의해 발생한 큰 추력으로 포탄의 사거리를 증가시킬 수 있었다.

장사거리 타격이 가능한 열차포는 제2차 세계대전에서도 등장했다. 역사상 가장 커다란 화포로 슈베러 구스타프Schwerer Gustav라는 열차포는 제2차 세계대전 독일이 프랑스의 마지노선을 공략하기 위하여 제작한 것으로, 구경 800mm, 길이 29m, 최대사거리 47km나 되는 초거대 화포였으며, 실전에서는 세바스토폴 요새함락에 사용되었다.

[그림 8] 제2차 세계대전시 구스타프 열차포 및 포탄

제1·2차 세계대전에 사용되었던 열차포들은 거대한 포신과 역사상 최장 사거리가 가능한 화포로 운용되었지만, 운용상 과도한 비용으로 유용한 화포라고 할 수 없었다.

• 포병 사거리 연장 기술

지금까지 인류 역사의 흐름에 따라 포병 무기의 사거리 연장에 관한 변화의 흐름을 알아보았다. 과거 투석의 방법으로 화포를 운용하다 화약의 발명으로 인하여 포탄에 추력을 가하는 방법으로 변화했다. 이후 과학기술의 발전으로 포신 및 포탄의 형상을 변화시켜 사거리를 비약적으로 향상시킬 수 있었다.

최근의 과학기술에서 사거리를 연장하는 방법은 크게 ‘강내탄도학적 방법’과 ‘강외탄도학적 방법’으로 구분하여 발전되고 있다.

◆ 강내탄도학적 사거리 연장방법

강내탄도학적 방법으로 화포의 사거리를 증대시키는 방안은 포탄의 포구초속을 증대시키는 방법이다.

과거 화포의 사거리 연장도 이러한 방법을 통하여 진행되어 왔었다. 서방지역 화포의 구경은 90, 105, 155, 175mm 등으로 제작되었고 이는 일정한 추진제 압력에 대하여 탄이 받는 진행방향 힘을 증가시켜 포구속도를 증가시키는 것이었다. 다양한 구경에 비하여 탄의 상용성을 높이기 위해 최근 구경 155mm가 가장 많이 사용되고 있으며, 대한민국에서 운용되고 있는 대부분의 화포도 155mm로 통일되어 있다.

다른 방법으로 포신의 길이를 증가시키면 포구를 떠나는 순간까지 탄이 받는 에너지가 증가하여 포구속도가 증가하게 된다. 최근 포신의 길이는 23→39→45→52구경장으로 증가되고 있으며 최근의 포신은 대부분 52구경장으로 제작되고 있다. 사거리 연장을 위하여 일부 국가에서는 포신길이를 62∼68구경장으로 길게 하는 추세이다.

사거리를 증대시키는 방법에는 포탄에 전달되는 에너지를 증가시키는 방법으로 포신의 구경 및 길이를 늘리거나 화약의 양을 늘리는 방법이 있었다. 그 외에도 기존 야포처럼 화약의 폭발에 의한 추력이 아니라 전자력을 활용하여 포탄을 추진하는 ‘전자력포(레일건)’도 사거리를 획기적으로 늘리는 차세대 방법으로 소개되어 선진국에서 개발중에 있다. 기존 화포에서 화약으로 발사되는 탄체와는 달리 레일건에서는 충분히 큰 전류만 공급된다면, 탄체에 매우 큰 힘을 전달할 수 있어 탄체의 포구속도를 크게 높일 수 있다.

[그림 9] 차세대 장사거리 화포인 전자력포(레일건)

◆ 강외탄도학적 사거리 연장방법

[그림 10] 화포의 사거리 연장방법

강외탄도학적 방법으로 화포의 사거리를 증대시키는 방안은 [그림 10]에서 보는 바와 같이 항력감소, 양력발생, 2차 추진 등의 방식이 가능하다. 보조추진제에 의한 방법으로는 탄체가 공기 중에 비행하는 동안 추가적으로 추진시켜 탄체를 가속시키는 방법으로 로켓보조추진탄RAPRocket Assisted Projectile과 램제트 Ramjet 추진탄이 있다.

[그림 11] Ramjet 사거리 연장 포탄

RAP탄은 포탄 속에 로켓모터를 장착하여 발사 후 수 초 내에 로켓모터를 점화시켜 포탄을 가속하게 하여 사거리를 증대시키는 방법이다. 그러나 로켓모터가 차지하는 공간만큼 작약을 충전하기 못하기 때문에 그 만큼 탄의 위력은 줄어들 수 있다. RAP탄은 현재 대한민국에서도 155mm견인포 및 K55, K9 자주포에도 운용되고 있다.

최근 군사선진국 및 대한민국 방산업체에서도 활발하게 연구되고 있는 기술은 램제트 추진탄으로, RAP 탄과 같은 원리나 로켓모터의 효율을 높이기 위해 전투기 엔진으로 사용하는 소형 ‘터보 제트’ 엔진과 유사한 장치가 로켓모터 대신 장치되는 추진탄을 말한다.

램제트 추진탄의 단점은 탄자에 부수적인 장치가 추가되어 구조가 복잡하여 값이 비싸고, 아직 기술이 실용적으로 완성되지 않았다는 점을 들 수 있다.

다음은 항력을 감소시켜 사거리를 연장하는 강외탄 도학적 방법이 있다. 탄자 밑에 형성되는 부분적인 진공상태는 탄저부 항력BaseDrag을 발생시키는데 이는 탄의 사거리를 감소시키는 역할을 한다. 이를 극복하기 위해 탄저부에 공기항력 감소장치BBBase Bleed를 부착하여 가스를 발생시켜 전체 항력의 50% 정도를 차지하는 탄저부항력을 감소시켜 사거리를 25∼30% 연장할 수 있다. 이렇게 개발된 BB탄은 52구경장 화포에서 최대사거리 40km의 사거리를 획득할 수 있다.

현재 대한민국에서는 사거리 연장을 위한 다양한 사거리 연장포탄이 개발되고 있다.

첫째로, RAP탄과 BB탄의 추진방법을 결합해 사거리를 연장하는 복합형Hybrid 고폭탄 개발이 진행되고 있다. 최대사거리 60km 달성을 목표로 탄 앞부분에는 추진력(RAP)을 부착하고, 탄저부에는 항력감소장치(BB)를 부착한 복합적인 형태의 포탄이다.

둘째로, 앞에서 설명한 램제트 추진탄이 국내 방산업체에서 연구되고 있다. 고체 로켓 모터에 비해 높은 비추력을 제공할 수 있는 램제트 엔진을 장착한 램제트 추진탄이 개발된다면 155mm 화포체계의 사거리를 80km 이상 비약적으로 향상시킬 수 있을 것이다.

• 국방 선진국의 사거리 연장 현황

국방 선진국들의 화포 시스템은 52구경장 장포신과 자동장전 채용 이후 그 자체의 발전에는 어느 정도 한계점에 달해 있다. 하지만 새로운 개념의 포탄 도입을 통해 그 능력을 무한히 발전시키려는 노력이 이어지고 있다. 한계점에 도달한 화포의 시스템 개선 대신 포탄만으로 사거리 증대, 위력 및 정확도 개선을 주도하고 있다. 사거리 증대를 위해 각 국에서는 다양한 포탄 사거리연장 시스템을 발전시켜 나가고 있다.

군사 선진국들의 새로운 사거리 연장 기술로 인해 155mm 포탄은 최대 80km 이상까지 사정거리가 연장이 가능할 것으로 판단되고 있다. 사정거리 연장은 탄 정확도 감소를 의미하므로 이에 대한 보정이 필요하다. 이는 사거리연장과 더불어 정밀유도 능력으로 보완된 포탄의 개발이 병행되어야 함을 의미한다.

[표 3] 세계 각국의 155mm급 최신포탄 개발현황

◆ 미 육군 엑스칼리버(Excalibur)

미 육군은 사거리 연장 및 유도능력을 보유하고 있는 XM-982 엑스칼리버 유도포탄을 도입했다. 레이티온이 개발한 엑스칼리버 포탄은 사거리 연장형 포탄에 활강날개와 GPS/INS 유도장치를 조합해 거리와 관계없이 10m 미만의 정확도를 유지할 수 있는 포탄이다. 정확도와 함께 사거리 연장도 기존의 포탄보다 향상되었는데, 엑스칼리버의 사정거리는 52구경장의 자주포에서 50km의 표적에 대해 사격이 가능하다.

[그림 12] 엑스칼리버(Excalibur)사거리 연장 유도포탄

◆ 임팩트(Impact) 포탄

임팩트 포탄은 프랑스와 영국의 MBDA사, 스웨덴 등 다양한 국가에서 참여하여 2004년부터 공동으로 개발을 추진하고 있는 155mm 포탄이다. 기존 포탄보다 높은 정확도와 원거리 타격을 위해 개발이 되는 모델이며, 탄체에 안정날개를 부착하고 첨단 경량 소재를 적용하여 개발중에 있다. BONUS지능 자탄을 탑재하여 최대사거리 100km 이상의 사거리 성능을 목표로 개발되고 있다. 임팩트 탄의 성능개량 버전인 MKⅡ 모델은 차후에 로켓보조 추진장치를 추가하여 사거리 150km를 달성하도록 설계되고 있다.

• 맺 는 말

21세기의 과학 혁명은 새로운 군사 과학기술을 탄생시켰고 현대 첨단 기술들은 미래전의 양상을 변화시킬 것이다. 미래전은 과거와 다른 전쟁 양상을 보일 것으로 예상되며 포병무기체계는 ‘장 사거리 정밀전쟁’이 가능한 모습으로 탈바꿈하게 될 것이다.

군사혁신이 주도하는 미래전 수행은 단위부대의 책임지역·공간 확대이다. 포병무기체계의 사거리 증대는 당연히 요구되는 사안이며 전투효율 추구를 위해 정확도 향상도 동반 요구되고 있다. 화포의 사거리가 연장되면 적 화력에 최소로 노출되면서, 상대보다 더 긴 사거리를 바탕으로 충분한 공격력을 발휘할 수 있게 해준다. 또한 장사거리의 화포는 소수의 화포로 넓은 지역을 방어 하거나 분산된 진지에서 집중적으로 화력지원을 가능 하게 하고, 적의 공격으로부터 보호받을 수 있는 충분히 먼 거리에 화포를 위치시킬 수 있게 해준다.

전쟁의 역사를 통해 포병무기체계의 사거리 연장은 변하지 않는 트렌드로 자리 잡고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 사거리 연장은 전투수행의 방법을 바꾸었으며, 더욱 효율적인 지상작전 수행의 밑바탕이 되었다. 앞으로의 포병무기는 더욱 장사거리의 목표를 정밀하게 타격할 수 있도록 끊임없이 발전할 것이라고 확신한다.

   

램제트 추진 포탄의 필요성과 개발동향

• 포병의 필요성과 역할

◆ 포병의 필요성

포병은 ‘전장의 신’이라 불렸다. 과거 전쟁부터 현대전(제2차 세계대전, 걸프전, 아프가니스탄전 및 이라크전 등)에 이르기까지 언제나 전장에 투입되었고, 전투결과로 그 효과를 입증했다. 이라크 자유작전 동안 제3보병사단 포병은 완벽한 대화력전 수행으로 사단에서 단 한명의 병사도 적의 간접 화력자산에 의해 피해를 입지 않았다.

포병뿐만 아니라 대표적인 화력 자산으로 항공 자산이 있지만, 항공 자산은 포병보다 즉응성이 떨어질 뿐만 아니라 기상환경에 영향을 많이 받는다. 항공자산이 작전에 투입되려면 사전에 항공임무명령서 ATOAir Tasking Order에 반영되어야 한다. 그런데 ATO의 항공 자산은 36시간 전에 협조되어야 하기 때문에 모든 연합 및 합동 연락장교와 함께 핵심표적 목록의 승인, 조종사 임무전 브리핑 등 일일 표적회의의 순서(절차) 속에서 오히려 융통성과 즉응성을 잃어버리게 된다.

물론 포병 또한 작전수행과정간 표적처리절차를 거치면서 소요되는 시간이 있지만, 작전실시간 반복적인 ‘상황판단-결심-대응’ 과정을 거쳐 즉각적인 화력지원이 가능하다. 또한 악천후시 항공 자산은 운용이 제한되며, 이라크전시 기상 악조건(모래폭풍 등) 하에서 지속적인 화력지원을 했던 것은 바로 포병이었다. 즉, 포병은 전장에서 꼭 필요한 전천후 화력자산인 것이다.

◆ 포병의 역할

포병은 전장에서 적에게 엄청난 두려움과 공포를 제공하고, 아군에게는 강력한 전투수단으로써 활용된다.

포병은 화력을 주 수단으로 적을 타격하는 화력전 투와 피지원부대가 요구하는 시간과 장소에서 화력으로 적을 타격하는 화력지원 임무를 수행하며, 일반적으로 수행하는 포병의 역할은 [표 1]과 같다.

[표 1] 포병의 역할

• 사거리 연장의 필요성과 그 노력

◆ 사거리 연장의 필요성

과학기술의 발전을 통해 지속적으로 새로운 무기체 계가 연구·개발되고 있으며, 포병도 사거리 연장, 정확도 및 생존성 향상 등을 위해 노력하고 있다. 포병의 역할을 고려하였을 때, 사거리 연장은 매우 핵심적인 고려 요소이다. 핵심표적 선정시 해당 제대가 표적을 식별할 수 있는지와 함께 그 표적을 타격할 수 있는지를 고려하게 된다. 포병이 타격할 수 있는 사거리가 연장된다면 더욱 다양한 핵심표적을 파괴 및 무력화 시킬 수 있기 때문이다.

또한 화력우세에 있어서 적 포병보다 우수한 타격 능력을 갖추게 되기 때문에, 전투 초기에 포병이 수적 열세에 있더라도 조기에 화력우세를 달성할 수 있다.

화력우세 달성을 통해 아군 기동의 제한요소 중 하나인 적 포병 능력을 저하시키고, 작전부대의 기동속도가 빠르더라도 지속적인 근접지원이 가능하기 때문에 아군의 기동여건을 보장할 수 있다. 이와 동시에 종심 지역에 대한 타격범위가 향상되기 때문에 적 2제대 타격을 통해 적의 원활한 기동을 제한시킬 수 있다.

미래에는 군 구조개편을 통해 군단급 제대 작전지역이 30km(폭)×70km(종심)에서 60km×120km로 증가되기 때문에 사거리 연장은 불가피하며, 이외에도 생존성 보장 측면에서도 사거리 능력 향상 시 적에 의한 피격 확률이 낮아지기 때문에 현재보다 생존성이 보장될 수 있다.

◆ 사거리 연장을 위한 노력

이러한 이유 때문에 우리나라는 포병 무기체계 사거리 연장을 위해 로켓보조 추진탄RAPRocket Assisted Projectile과 탄저항력 감소탄BBBase bleed과 같은 탄약을 개발했고, 운용중에 있다.

로켓보조 추진탄(이하 RAP탄)은 포탄의 탄저에 조그마한 로켓 모터를 달아서 추가적인 추진력을 얻는 방식으로 사거리를 증가시킨다. RAP탄은 사거리 증대를 위하여 별도의 추진장약과 로켓모터가 부착되기 때문에 탄체의 폭발효과를 위한 작약의 탑재량이 감소하며, 로켓 추진을 제어할 수 있는 장치가 없기 때문에 공산오차가 증가한다.

탄저항력 감소탄(이하 BB탄)은 탄저부에서 발생하는 진공상태를 제거해 사거리를 연장하는 원리를 적용한 탄이다. 탄이 고속으로 비행시 탄저부에 진공 현상이 발생되어 탄의 비행방향 반대쪽으로 작용하는 탄저부 항력이 발생된다. 탄저부 항력은 전 공기 저항의 30~40%를 차지하는데, 이러한 탄저부 항력을 감소시키기 위해 항력감소장치BBUBase Bleed Unit를 장착 한다. BB탄은 RAP탄과 다르게 별도의 추진장치 없이 탄저부의 항력을 감소시켜 사거리를 연장시키는 탄이다.

[그림 1] RAP탄과 BB탄의 구조

RAP탄과 BB탄 구조는 [그림 1]과 같으며, RAP탄은 최대사거리 30km, BB탄은 40km까지 타격할 수 있는 능력을 갖추었다. 기존 보통탄의 최대 사거리가 18km였던 점을 고려하면 그 거리가 획기적으로 증가한 것이다.

앞서 언급했듯이 포병 무기체계의 사거리는 현재까지 화포와 탄약의 개량·개발을 통해 기존보다 많이 향상되었다. 그러나 미래 전장에 투입될 포병의 변함없는 역할과 필요성으로 인해 사거리 연장에 대한 연구는 지속적으로 이루어져야 한다.

• 램제트 추진포탄 개념과 구성

사거리 연장에 대한 방법으로는 RAP탄과 BB탄의 경우처럼 보조추진장치 장착과 항력을 감소시킬 수 있는 장치를 장착하는 방법이 있으며, 이 외에도 사거리 연장을 위한 기술적 방법으로 램제트 추진 방식을 이용하는 방법이 있다.

◆ 램제트 추진포탄 개념

∷ 램제트 엔진

램제트 엔진은 압축기와 터빈을 사용하지 않고 흡입공기의 물리적 성질인 공기의 압축 성질과 흡입구의 형상을 이용하여 공기역학적으로 압축(램 압축)시키므로 초고속 비행에 적합할 뿐 아니라, 압축기와 터빈을 사용하지 않기 때문에 높은 추력/중량비를 가진다. 압축기와 터빈을 사용하지 않아 전체적인 중량을 줄일 수 있기 때문이다.

또한 램제트 엔진은 정지 상태에서는 공기를 압축시킬 수 없기 때문에 속도가 초음속 이상이 되어야 작동하게 되며, 이 조건을 만족시키기 위해 별도의 추진 장치가 필요하다.

램제트 추진방식은 일반적으로 두 가지 형태 즉, 고체연료 램제트SFRJSolid Fuel Ram Jet와 액체연료 램제트LFRJLiquid Fuel Ram Jet로 구분된다. 전자는 어떠한 움직이는 구성품도 포함하지 않아 구조적으로 간단하고, 로켓추진에 비하여 월등히 높은 비추력을 갖기 때문에 탄의 사거리 및 평균속도를 증대시키는 좋은 수단으로 인식되고 있다.

∷ 램제트 추진포탄

앞서 언급한 램제트 추진방식 중 고체연료 램제트 추진 방식을 155mm 포탄에 적용한 것이 램제트 추진 포탄이다. 램제트 추진포탄에는 주로 고체연료를 사용하는 이유는 액체연료 램제트를 사용했을 때 액체연료의 장기 보관에 문제가 있고, 연료 공급장치 및 밸브 등 상대적으로 복잡한 구성이 필요하기 때문이다.

램제트 엔진을 운용하기 위해 초음속 조건을 만족시키기 위한 별도의 추진 장치가 필요하다. 현재 운용 하고 있는 화포(KH-179, K55, K55-A1, K9)에서 포탄 발사시 마하 2 이상의 포구 초속을 낼 수 있기 때문에 초음속 조건을 만족시킬 수 있다. 또한 현재 포탄의 직경을 그대로 유지할 수 있기 때문에 화포의 새로운 개발이 불필요하고, 기존 발사수단을 그대로 활용한다.

◆ 램제트 추진포탄 구성과 원리

[그림 2] 램제트 추진포탄 구성(개략도)

램제트 추진포탄은 [그림 2]와 같이 초음속 및 아음속 디퓨저로 이루어진 공기흡입구, 고체연료를 포함하는 연소실, 배기노즐 그리고 추진 장약의 압력을 탄에 전달하는 밀음판으로 구성된다.

램제트 추진포탄이 추력을 얻는 원리는 다음과 같다. 공기흡입구로 들어온 공기가 충격으로 인해 압축되면 그 압축과정에서 고체연료가 공기와 반응할 수 있을 정도로 온도가 증가하게 된다. 이후 연소실에서 고체연료가 연소됨에 따라 그 열에너지가 운동에너지로 전환되는 원리이다.

• 램제트 추진포탄 개발동향

램제트 추진기관 자체에 대한 연구는 주로 항공기와 미사일에 적용하기 위해 과거부터 지속적으로 진행되어 왔다. 따라서 램제트 추진포탄은 이보다 개발이 늦게 시작되었다. 이번 장에서 램제트 추진기관을 적용한 155mm 포탄의 각 국 개발동향을 이야기하고자 한다.

◆ 미 국

미 육군은 사거리 연장 화포ERCAExtended Range Cannon Artillery 사업을 통해 곡사포가 130km 이상 거리에 도달하는 것을 목표로 하고 있으며, 몇몇 기술적 해결책이 현재 등장하고 있다.

육군의 장거리 정밀사격LRPFLong Range Precision Fires 교차기능팀CFTCross Functional Team 존 래퍼티 대령은 2018년 10월 10일 미 육군협회AUSA Association of the United States Army 주관 방산전시회에서 “향후 5개년 자금지원 계획을 위한 모든 투자 사업을 평가하기 위해 심도 깊은 연구를 하였고, 육군이 155mm 포를 이용하여 사거리 130km에 도달하는 방안이 마련될 수 있다. 또한 목표 사거리를 도달할 수 있도록 하는 몇 가지 기술이 있으며, 포탄에 공기흡입식 제트엔진을 사용하는 램제트가 그 방안이 될 수 있다”라고 언급했다.

이는 현재 미국이 포병 사거리 연장에 대한 필요성을 느끼고 있고, 이와 관련된 기술적인 사항들을 검토 하고 있음을 알 수 있는 내용이다.

◆ 노르웨이

노르웨이 방산업체인 남모사는 2018년 6월 11일 프랑스 수도 파리에서 개막한 국제방산 전시회 유로 사토리Eurosatory 2018에서 기존 포의 사거리를 획기적으로 연장하고, 소규모 포병의 융통성을 크게 높일 수 있는 새로운 탄 개념을 발표했다. 155mm 곡사포에서 60마일(약 97km) 이상 떨어진 표적에 도달하기 위해 사용하는 기술인 공기흡입 램제트 추진탄이 바로 그것이다.

남모사는 해당 설계의 실물크기 모형을 공개했으며, 현재까지는 단순히 ‘155mm 고체연료 램제트Solid Fuel Ramjet’라고 불린다. 앞으로 2019년 또는 2020년에 탄체 실사격 시험을 할 예정이며, 2023년에서 2024년에 이 신형 탄이 생산되어 군에서 운용되기를 바라고 있다. 남모사의 대구경탄 사업부 부책임자인 토마스 단볼트는 6월 12일 ‘포에서 사실상 미사일을 발사하다!’라는 제목의 보도 자료를 통해 “이는 포 분야의 판도를 바꿀 수 있다”라고 밝혔으며, “사거리가 50~60km 인 소수 정밀 유도탄을 제외한 대부분의 포 체계가 아직도 50여 년 전인 M109가 도입되던 당시와 같은 수준의 사거리를 가진다”라고 지적했다.

이 업체에 따르면 사격주기는 기본적으로 동일하게 유지되며, 다른 탄과 같은 방식으로 램제트 탄을 발사하게 된다. 남모사가 발표한 램제트 탄은 포탄이 발사 되는 힘을 이용하여 램제트 엔진을 시동시키기에 충분한 속도를 얻으며, 탄체는 고체 연료를 사용하여 음속의 3배에 달하는 최대 속도와 함께 약 50초간 해당속도로 계속 이동할 수 있다.

◆ 국 내

국내에서도 램제트 추진기관과 이를 활용한 램제트 추진포탄에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.

과거 한국추진공학회지와 국방과학연구소 연구 자료에 따르면 고체연료 램제트 추진포 탄에 대한 개념과 각 하부 시스템(공기흡입구, 연소실, 노즐 등)에 대한 성능해석 및 연구가 있었다.

예를 들어 최근 [그림 4]와 같이 램제트 연소실 조건에서 추진제 점화 연구를 실시하여 각 모드별 온도, 압력, 시간 등의 측정이 이루어졌다. 각 모드는 추진제가 점화된 이후 압력 구간에 따라 별도 구분한 것이다.

[그림 4] 추진제 점화 연구

한편, 2016 DX KOREA(대한민국 방위사업전)에서는 [그림 5]와 같이 국내 방산업체 풍산이 램제트 추진포 탄의 모형을 전시해 놓으며, 사정거리 80km인 포탄에 대해 개발중이라고 밝혔다.

[그림 5] 풍산 램제트 추진포탄