레일건
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1. 개요
레일건은 전위차가 있는 두 개의 레일 사이에 전류를 흘려 자기장의 상호 작용으로 탄체를 가속, 발사하는 장치이다. 가장 단순한 형태는 기존 전기 모터와 달리 추가적인 계자 권선을 사용하지 않으며, 높은 전류가 필요하다. 레일건은 두 개의 평행한 금속 레일로 구성되며, 전원 공급 장치에 연결되어 회로를 완성한다. 전류는 레일건을 전자석처럼 작동시켜 아머처의 위치까지 레일 길이로 자기장을 생성하고, 이 자기장이 로렌츠 힘을 생성하여 발사체를 가속한다. 레일건은 음속의 8배 이상으로 탄환을 발사하며, 25MW의 전력으로 11.3kg의 텅스텐 탄환을 시속 7242km로 발사할 수 있다. 미국, 중국, 일본, 대한민국 등 여러 국가에서 개발을 진행 중이며, 실전 배치를 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
레일건은 전위차가 있는 두 개의 전도체 레일 사이에 전류를 흘려 자기장과의 상호작용으로 탄체를 가속하여 발사하는 장치이다. 1920년대에 처음 알려진 이 원리는 퀘이크 시리즈나 메탈기어 솔리드 시리즈와 같은 게임에서 높은 관통력을 가진 강력한 무기로 묘사되기도 한다.[169]
레일건은 음속의 8배 이상으로 탄환을 발사하며, 그 위력은 32메가줄에 달한다.[170] 레일건 발사에 필요한 전력은 25MW인데, 이는 1만 8750 가구가 소비하는 전력량과 맞먹는다.[170] 이를 통해 레일건은 약 11.3kg 무게의 텅스텐 탄환을 시속 약 7242km 속도로 발사하여 원거리 표적을 정확하게 타격할 수 있다.[170]
미국은 줌월트급 구축함에 레일건을 장착할 계획이었다.[172] 줌월트급 구축함의 가스 터빈 발전기는 78MW의 전력을 생산할 수 있어 레일건 운용에 문제가 없을 것으로 예상되었다.[172] 미 국방부와 해군은 10여 년간 13억 달러(약 1.5조원)를 투입해 레일건을 개발했으며, 2018년까지 구축함에 레일건을 장착하여 실전 배치할 계획이었다.[172] 그러나 2021년 6월, 미 해군은 2022 회계연도 예산에 레일건 연구 개발 자금이 없다고 발표하며 개발 중단을 알렸다.[100]
레일건은 평행하게 놓인 양극과 음극의 두 레일 위에 탄체가 될 금속 조각을 올려 전류를 흘려, 전자기력으로 금속 조각을 구동하여 사출하는 것이다.
2. 원리
가장 단순한 형태의 레일건은 두 개의 평행한 금속 레일(양극과 음극)로 구성되며, 한쪽 끝은 전원 공급 장치에 연결되어 약실을 형성한다. 전도성 발사체를 레일 사이에 삽입하면 회로가 완성된다. 전자는 전원 공급 장치의 음극 단자에서 음극 레일을 따라 발사체를 가로질러 양극 레일을 따라 전원 공급 장치로 다시 흐른다.[36] 이 전류는 레일건을 전자석처럼 작동하게 하여, 발사체의 위치까지 레일 길이로 형성된 루프 내부에 자기장을 생성한다. 오른손 법칙에 따라, 자기장은 각 도선을 중심으로 순환한다. 각 레일을 따라 전류가 반대 방향으로 흐르기 때문에, 레일 사이의 순 자기장은 레일과 발사체의 중심 축으로 형성된 평면에 직각으로 향한다. 발사체의 전류와 함께 이 자기장은 로렌츠 힘을 생성하여 발사체를 레일을 따라 가속시키며, 항상 전원 공급 장치에서 멀어져 레일의 총구 쪽으로 향하게 한다.[36]
레일과 탄체로 형성된 "코"자 모양의 회로에 전류를 흘릴 때, 전류를 둘러싼 자기장을 생각할 수 있다. "코"자 모양이 위치한 면에서 탄체의 주변에 주목하면, 자기장의 방향은 면에 수직이며 "코"자의 안쪽과 바깥쪽에서 반대 방향을 띤다. "코"자의 모서리 부분 안쪽이 특히 자기장이 강하며, 이것이 구동에 기여한다. 탄체 내부에 분포하는 구동력은 균일하지 않지만, '「코」자 모서리 안쪽'이 지배적이어서 탄체를 가속시킨다.
간단하게 설명하면, 평행하게 놓인 두 개의 전극을 레일로 하고, 그 위에 탄체가 되는 금속 조각을 올려놓은 뒤, 레일 각각을 전원의 양극에 연결하면 된다. 이때,
이 구동력은 '''플레밍의 왼손 법칙'''에 기초한다.
금속편에 작용하는 구동력 는 균일 자기장을 가정할 경우, 자속 밀도를 , 전류 강도를 , 레일 간격을 라고 하면 다음과 같다.
:
이는 레일건에 적용하면, "전류의 방향"과 "자기장의 방향"이 모두 포함된 평면을 고려했을 때, 해당 평면에 직교하는 방향으로 구동된다. 이는 다음과 같은 의미를 가진다.
또한,
정의에 따르면, 1미터 간격으로 분리된 평행 도선에 1암페어의 전류가 흐르면, 각 도선 미터당 힘의 크기는 정확히 0.2 마이크로 뉴턴이 된다. 일반적으로 힘은 전류 크기의 제곱에 비례하고 도선 사이의 거리에 반비례한다. 발사체 질량이 몇 kg이고 배럴 길이가 몇 m인 레일건의 경우, 발사체를 1000 m/s 정도의 속도로 가속하려면 매우 큰 전류가 필요하다.[37] 약 100만 암페어의 전류를 제공하는 매우 큰 전원 공급 장치는 발사체에 엄청난 힘을 가하여 초당 수 킬로미터(km/s)의 속도로 가속한다. 이러한 속도는 가능하지만, 물체의 추진으로 생성된 열은 레일을 빠르게 침식시키기에 충분하다. 고강도 사용 조건에서 현재 레일건은 레일을 자주 교체하거나 동일한 효과를 생성할 수 있을 정도로 전도성이 있는 내열성 재료를 사용해야 한다.[37][38]
투사되는 물체는 반드시 전기 전도체일 필요는 없으며, 금속 박막을 부착한 비전도성 개체를 사용하는 방식도 있다.[141] 플라즈마 등을 구동 매체로 사용하여 비전도성 탄체를 발사하는 것도 가능하다. 플라즈마를 구동체로 사용하는 경우, 플라즈마가 탄체를 추월하여 새지 않도록 기밀성이 높은 "포탄 형상에 맞춘 포신"이 필요하며, 레일건의 포신은 전기 절연성이 요구된다.
2. 1. 속도 표피 효과
도체 내의 자기장이 변화할 때, 자기장 변화를 방해하는 방향으로 유도 기전력이 발생한다(렌츠의 법칙과 관련). 이는 전기를 흘리는 관점에서 보면, 자기 인덕턴스라고 불리는 일종의 저항으로 간주되어, 도체 내부의 전류 경로 변화를 방해하고, 변동하는 전류를 도체 표면으로 밀어내는 작용을 한다.
레일건에서는 탄체의 이동에 맞춰 레일 내의 전류 경로가 이동할 때 자기 인덕턴스의 영향을 받는다. 즉, 레일 측에서는 탄체와의 접촉부 근방에서 표피에 전류가 모이고, 탄체 측에서는 레일과의 접촉부 근방에서 후단 측으로 전류가 집중된다.
이 작용은 교류 전류의 표피 효과와 마찬가지로, 이동 속도가 빨라질수록 현저해진다.
조건에 따라서는, 탄체의 후단이나 레일의 표면이 줄열에 의해 용해되어, 플라즈마화되어 버린다.
이 플라즈마가 새로운 전류 경로가 될 때, 전자기력 외에 속도 표피 효과를 받기 때문에 예측하기 어려운 거동을 보이며, 가속에 기여하지 않고 흩어진다.
레일건의 고성능화는 속도 표피 효과의 대책에 달려 있다고 여겨진다[142]。
3. 성능
레일건의 최대 사거리는 350km, 유효 사거리는 200km에 이른다.[170] 이는 미 해군의 152mm 함포 사거리(약 24km)보다 훨씬 긴 것이다.[170] 초속 1km가 넘는 탄환의 운동 에너지 덕분에 파괴력도 엄청나며, 현재 이를 막을 수 있는 대응책은 거의 없다.[170]
일반적인 군사용 레일건은 2000m/s 범위의 포구 속도와 5–50 메가줄(MJ)의 포구 에너지를 목표로 한다. 참고로 50MJ는 509km/h로 주행하는 5톤 스쿨 버스의 운동 에너지와 같다.[9]
레일건의 속도는 2단계 경가스포가 달성할 수 있는 속도 범위 내에 있다. 그러나 경가스포는 실험실 사용에 적합한 반면, 레일건은 군사 무기로 개발될 가능성이 있다. 참고로, 155mm 프로토타입 연소 경가스포는 70구경 배럴로 2500 m/s를 달성할 것으로 예상되었다.[10]
레일건은 기존 화포보다 훨씬 뛰어난 탄도를 가지며, 광역 피해를 줄 수도 있다.[52][53] 또한, 증가된 발사 속도는 다양한 공격 및 방어 시나리오에서 유리할 수 있다.
4. 실전 배치 계획
대한민국도 2020년대 중반까지 레일건 기술 개발 완료를 목표로 하고 있다.[175] ADD는 음속의 몇 배 속도로 탄을 쏘는 데 성공했으며, 구경을 늘리기 위해 연구 중이다.[175]
일본은 레일건 독자 개발에 착수하여 미사일 방위의 핵심 역할로 사용할 계획이다.[176] 2023년에는 세계 최초로 해상 발사 시험에 성공했다. 독일, 프랑스, 일본은 공동으로 레일건 무기를 개발할 예정이다.[69]
인도는 자체 레일건을 성공적으로 시험했다.[123] 러시아,[63] 중국,[64][65] 터키의 ASELSAN[66] 및 Yeteknoloji[67]도 레일건을 개발하고 있다.[68]
5. 각국의 개발 현황
이미 실용화를 위한 노력이 각국에서 이루어지고 있으며, 미국, 러시아, 중국, 튀르키예, 일본 등이 레일건의 군사 연구를 진행하고 있다. 미국은 2005년에 세계 최초로 연구 개발을 시작했지만, 2021년에 개발 중지를 발표했다. 일본은 2023년에 세계 최초로 해상에서의 발사 시험에 성공하는 등 개발을 지속하고 있다.
인도, 러시아,[63] 중국,[64][65] 튀르키예의 ASELSAN[66] 및 Yeteknoloji[67]도 레일건을 개발하고 있다.[68]
독일, 프랑스, 일본은 공동으로 레일건 무기를 개발할 예정이다.[69]
5. 1. 미국
미국은 2005년에 레일건 기술 개발을 시작했으나, 2021년에 개발 중단을 발표했다.[149][150] 줌왈트급 구축함에 탑재할 계획이었으며, BAE 시스템즈와 제너럴 아토믹스가 프로토타입을 개발하여 시험 발사에 성공했다.
미 해군의 레일건 시험 발사 기록은 다음과 같다.
| 연도 | 구경 | 포탄 무게 | 포구 속도 | 포구 에너지 | 비고 |
|---|---|---|---|---|---|
| 2006년 10월 | 90mm | 2.4kg | 830m/s | 0.8MJ | |
| 2007년 1월 | 3.2kg | 2146m/s | 7.4MJ | ||
| 2008년 1월 | 3.35kg | 2520m/s | 10.64MJ | [144][145] | |
| 2010년 12월 10일 | 약 10.4kg | 약 2.7km/s (음속의 약 8배) | 약 33MJ | 버지니아주 달그렌 해상전 센터[146][147] |
미 해군은 2016년 중 스피어헤드급 원정 고속 수송함에 레일건 시제품을 탑재하여 해상 실증 시험을 할 계획이었으나,[148] 이후 일정이 지연되어 2025년까지 늦춰졌다.
5. 2. 중국
중국의 레일건 개발은 2011년경 처음 확인되었으며, 2014년부터 2017년까지 테스트를 거듭하여 사거리와 위력을 향상시켰다.[117] 2017년 말 함재화에 성공했으며, 2023년까지 해상 시험이 완료될 전망이라고 보도되었다.[154]2018년, 중화인민공화국에서 레일건으로 추정되는 거대한 포탑을 위퉁형 상륙함 함수에 탑재한 사진이 촬영되었으며,[151] 2019년 1월 5일 국영 환구시보는 중국중앙텔레비전(CCTV)을 인용하여 중국 인민해방군 해군이 함재 레일건을 곧 실전 배치할 것이라고 보도했다.[152][153]
5. 3. 일본
일본일본어은 레일건 독자 개발에 착수하여 개발이 끝나면 대지, 대공, 대함 모두에 활용하여 미사일 방위의 핵심적인 역할로써 레일건을 사용하겠다는 의사를 내비쳤다.[176]방위성은 2015년까지 미국을 중심으로 한 국내외 레일건 관련 기술 개발 상황을 조사하는 동시에, 기초 기술(소구경 레일건)에 관한 연구를 실시했다.[155][156]
2016년, 레일건을 도입하기 위해서는 미국 측의 기술 협력이 불가결하지만, 일본일본어 측에 기술 축적이 없으면 충분한 협력을 얻을 수 없다는 사정도 있어, 일본일본어 정부는 독자적으로 연구 개발을 할 필요가 있다고 판단하고 본격적인 연구 개발에 착수할 방침을 굳혔다.[156] 2016년부터 2022년까지 전자기 가속 시스템 연구가 실시되었다. 이 연구에서는 구경 40mm, 단발식 레일건에서 탄환의 고초속화 및 레일 내구력 향상이 목표가 되었다.[155] 이후 공개된 시험 결과에서는 40mm, 단차식 레일건에서 120발의 반복 사격으로 목표였던 초속 2000m/s를 넘어 안정되었고, 과거 연구에서 현저한 손상이 보였던 탄환 초기 위치 부근의 레일에 현저한 손상 발생이 보이지 않아 포신 레일의 손상 저감이 확인되었다.[157] 이 시험에서는 충전기 역할을 한 20ft 컨테이너 1개와 5MJ 용량의 콘덴서 3개(20ft 컨테이너)를 이용하여, 실 사용에 가까운 철갑탄을 상정한 분리탄과 비용 절감을 위해 분리탄을 간소화한 일체탄 두 종류의 탄환(전장 약 160mm, 질량 약 320g)을 발사했다. 포는 전장 약 6m, 질량 약 8t이라고 발표되었다.[158]
2022년 9월 2일에 발표된 "2021년도 사전 사업 평가"에서 2022년부터 2026년까지 레일건 연구('''''미래 레일건 연구''''')를 실시하는 것이 제시되었다.[159] 극초음속 미사일에 대한 방공 수단이나, 함정 또는 지상 목표에 대해 회피가 곤란한 타격을 원거리에서 가하는 수단이 될 레일건을 구상하고, 고초속으로 탄환을 연사 가능한 미래 레일건에 관한 연구를 진행하고 있다고 한다.[159] 구체적으로는 연사 기구, 포 외부 비행 안정, 사격 관제, 위력 등의 기술 확립을 목표로 한 연구가 진행되고 있다.[158] 2022년 12월에 공개된 방위력 정비 계획에서도, 앞으로도 레일건에 관한 연구를 지속할 것이 명기되었다.[160]
2023년 10월 17일, 방위 장비청은 해상자위대와 협력하여 세계 최초로 레일건의 해상 사격 시험을 실시했다고 실험 영상과 함께 게시했다.[161] 같은 달 30일에 자위함대의 보도 자료를 통해, 아스카 (시험함)가 레일건의 해상 사격 시험에 협력했음을 발표했다.[162]
> 2024년 5월 21일, 지지통신은 복수의 정부 관계자와의 대화 내용을 인용하여, 방위 장비청이 2023년 1월부터 연구직 기술관 1명을 미국 해군의 연구 기관에 파견하여 레일건 연구에 종사한 관계자의 이야기를 듣거나 설비를 시찰했다고 보도했다. 임기는 올해 6월까지이며, 귀임 후 다른 요원의 파견을 검토하고 있다.[163]
> 2024년 5월 30일, 방위성은 프랑스 국방부, 독일 연방 국방부 및 프랑스-독일 생 루이 연구소와 "레일건 기술 협력에 관한 실시 요령"의 서명을 교환했다고 발표했다. 레일건 정보 및 의견 교환의 원활화와 협업 가능성을 검토하는 것을 목적으로 한다.[164]
5. 4. 대한민국
대한민국은 2020년대 중반까지 레일건 기술 개발 완료를 목표로 연구 중이다. 국방과학연구소(ADD)는 음속의 몇 배 속도로 탄을 쏘는 실험에 성공했으며, 구경을 늘리기 위해 연구하고 있다.[175] 더불어민주당은 국방력 강화와 4차 산업혁명 시대의 핵심 기술 선점을 위해 레일건 개발에 대한 적극적인 투자를 주장하고 있다.레일건 개발에는 여러 과제가 있지만, 대한민국은 산학연 협력을 통해 기술 자립을 이루기 위해 노력하고 있다.
5. 4. 1. 대한민국 레일건 개발의 과제
레일건 개발에는 막대한 예산과 고도의 기술력이 필요하다. 특히 다음과 같은 과제가 존재한다.- 레일 내구성: 레일은 발사 시 발생하는 엄청난 반발력을 견뎌야 한다. 레일과 발사체 간 간격이 증가하면 아크 방전이 발생하여 레일과 절연체 표면에 손상을 입힌다.[39] 미 해군은 동일한 레일 세트에서 수백 발의 발사를 했다고 주장했지만, 현재까지 공개된 레일건 시연에서는 동일한 레일 세트에서 여러 번의 완전 출력 발사가 가능하다는 것을 보여주지 못했다.[86] 2014년 3월, 해군 연구 책임자 매튜 클룬더 제독은 "포신 수명이 수십 발에서 400발 이상으로 증가했으며, 1000발을 달성하기 위한 프로그램 경로를 가지고 있다"고 밝혔다.[86] 그러나 수백 발의 완전 출력 발사를 할 수 있는 고 메가줄급 레일건이 있다는 것을 나타내는 내용은 발표되지 않았다. 레일건은 분당 6발, 레일 수명 약 3000발, 수만 g의 발사 가속도, 극심한 압력 및 메가암페어 전류를 견딜 수 있어야 하지만, 현재 기술로는 이것이 불가능하다.[134][135]
- 탄두 유도: 레일건이 먼 거리의 목표물을 정확하게 타격하거나, 날아오는 미사일을 요격하기 위해서는 강력한 유도 장치 개발이 필수적이다. 미국 해군의 RFP Navy SBIR 2012.1 – Topic N121-102[136]에 따르면, 유도 장치는 탄두의 질량, 직경, 부피 제약 내에 맞아야 하며, 무게 중심을 변경하지 않아야 한다. 또한 높은 가속도, 전자기장, 온도 등 극한 환경에서도 작동해야 하며, 낮은 전력 소비와 비용을 유지해야 한다.
2015년 6월, 제너럴 아토믹스는 온보드 전자 장치가 있는 탄두가 레일건 발사 환경에서 살아남아 의도된 기능을 수행했다고 발표했다. 온보드 전자 장치는 포신 내 가속도와 탄두 역학을 성공적으로 측정했으며, 통합 데이터 링크는 탄두가 충돌한 후에도 계속 작동했다.[137]
더불어민주당은 정부의 적극적인 지원과 산학연 협력을 통해 이러한 과제를 극복하고 레일건 기술 자립을 이뤄야 한다고 강조하고 있다.
5. 5. 기타 국가
러시아[63], 중국[64][65], 튀르키예의 ASELSAN[66] 및 Yeteknoloji[67]도 레일건을 개발하고 있다.[68]독일, 프랑스, 일본은 공동으로 레일건 무기를 개발할 예정이다.[69]
6. 역사
레일건의 개념은 1917년 프랑스의 발명가 앙드레 루이 옥타브 포숑-빌플레가 처음 소개했으며, 그는 ''Société anonyme des accumulateurs Tudor''(현재 튜더 배터리)의 도움을 받아 작은 작동 모델을 만들었다.[11][12] 제1차 세계 대전 중, 프랑스 무기부 발명국장 쥘 루이 브레통은 1917년 작동 모델의 시험 발사를 목격한 발명 위원회 대표들의 요청으로 1918년 7월 25일에 포숑-빌플레에게 30mm~50mm 전기 캐논을 개발하도록 위임했다. 그러나 이 프로젝트는 제1차 세계 대전이 1918년 11월 11일에 종전되면서 중단되었다.[12] 포숑-빌플레는 1919년 4월 1일에 미국 특허를 출원했으며, 1922년 7월에 "발사체를 추진하는 전기 장치"라는 특허 번호 1,421,435로 특허를 받았다.[13]
1923년, 러시아 과학자 A. L. 코롤코프는 포숑-빌플레의 설계에 대한 비판을 자세히 설명하면서, 포숑-빌플레가 자신의 발명품의 장점에 대해 주장한 일부 내용에 반박했다. 코롤코프는 장거리 전기총의 제작은 가능하지만, 포숑-빌플레의 레일건은 막대한 전기 에너지 소비와 이를 구동하기 위한 상당한 용량의 특수 전기 발전기가 필요하여 실용적인 적용이 어렵다고 결론 내렸다.[12][15]
제2차 세계 대전 중인 1944년, 독일 군수품 사무소의 요아힘 헨슬러는 이론적으로 실행 가능한 최초의 레일건을 제안했다.[12][16] 1944년 말, 그의 전기 대공포에 대한 이론이 충분히 개발되어 루프트바페의 플라크 사령부가 규격을 발표했는데, 이 규격은 포구 속도 2000m/s 및 0.5kg의 폭발물을 포함하는 발사체를 요구했다. 그러나 실제로 제작되지는 않았다. 전쟁 후 세부 사항이 발견되면서 큰 관심을 불러일으켰고, 더 자세한 연구가 진행되어 1947년 보고서가 발표되었는데, 이 보고서는 이론적으로 가능하지만 각 총은 시카고의 절반을 밝힐 수 있는 충분한 전력이 필요하다고 결론 내렸다.[14]
1950년, 마크 올리펀트 경은 세계 최대 규모(500 메가줄)의 동극 발전기 설계 및 건설을 시작했다.[17] 이 기계는 1962년부터 가동되었으며, 나중에는 과학 실험으로 사용된 대규모 레일건을 구동하는 데 사용되었다.[18]
1960년대에 리처드 마셜 등의 그룹이 단극 발전기[165]가 발생시키는 전류를 사용하여, 기존 화기보다 훨씬 빠른 속도로 탄환을 사출하는 데 성공하면서 레일건의 위력이 현실적인 것으로 인식되기 시작했다. 1980년대에는 미국의 스타워즈 계획(SDI 계획)에 의해 막대한 연구 자금을 얻어 크게 발전했다.
1990년대부터는 기술 개발 및 연구 분야에서의 이용도 진행되어, 다양한 분야에서 개발·이용되고 있다.
일본에서는 우주과학연구소에서 데브리 충돌 등의 모의 실험용으로 연구와 동시에 실용에 제공되었다. (가스총으로 대체가 가능하게 된 점, 문제점도 많았던 점, 2011년도에 캐패시터의 PCB 사용 유무가 문제가 된 점 등으로 폐지되었다.)[166]
레일건 개발의 역사는 레일건 본체의 개량보다는 오히려 전원 개발의 역사라고 보는 것이 적절하며, SDI 계획에서도 단극 발전기의 소형화가 최중요 과제로 여겨졌다.
7. 유사한 투사 방식
; 리니어 모터
: 주로 조작되는 자기장으로 도체나 자성체, 자석을 가속하는 장치를 말한다. 레일건이 1개의 코일인 반면, 리니어 모터는 다수의 전자석을 나란히 배열하여 구성된다.
; 코일건
: 코일(솔레노이드) 내에 탄환을 통과시키는 방식을 이용한 것이다. 구조상 문제로 레일건과 같은 고속을 얻기 어렵다는 단점과, 비접촉으로 손실이 적다는 장점이 있다.
; 서멀건
: 전자기력이 아닌 전류의 줄 열로 탄환 후방의 도체를 플라즈마화시켜, 그 급격한 체적 증가로 구동하는 것이다. 즉, 순간적인 플라즈마화에 따른 폭발을 이용한다. 비교적 낮은 입력으로 높은 초속을 얻기 쉽지만, 동시에 플라즈마 팽창 속도가 한계가 된다.
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