코일건

3. 역사

크리스챤 비르케란드는 1900년 코일건의 아이디어를 구상하여 특허를 취득했다. 비르켈란은 1904년에 공식적으로 코일건 특허를 받았지만, 그의 설명에 따르면 1845년부터 개발을 시작했다고 한다. 그는 500-그램짜리 발사체를 약 50m/s까지 가속시켰다.^[2][3][4] 하지만 당시 기술로는 제대로 작동하는 코일건을 실용화하기 어려웠고, 군사 분야에서도 큰 주목을 받지 못했다.

1933년에는 텍사스 출신 발명가 버질 리그스비가 기관총처럼 작동하는 고정식 코일건을 개발했다. 이 코일건은 대형 전기 모터와 발전기로 작동되었지만,^[37] 군대의 관심을 얻는 데는 실패했다.^[15]

미국 텍사스 대학교 오스틴에서는 전략 방위 구상의 일환으로 미국 국방부의 의뢰를 받아 코일건 연구를 진행했다.^[38] 그러나 레일건 개발에 비해 성과가 미흡하여 연구가 중단되기도 했다.

최근에는 일반인들이 일회용 카메라 부품 등을 활용해 코일건을 제작하는 경우가 늘고 있다. 이들은 홈페이지나 동영상 사이트를 통해 실험 결과를 공유하기도 한다. 그러나 이러한 코일건의 위력은 새총보다 약한 수준으로, 빈 캔이나 유리병을 깨는 정도에 그친다.

미국의 Arcflash Labs사는 상업용 코일건을 설계 및 제조하여 판매하고 있다. 이 회사는 EMG-01A, GR-1, EMG-02 등의 모델을 출시했다.

일본에서는 2024년 6월 14일 개정된 총도법에 따라 코일건이 총기류로 추가되어 규제 대상이 되었다. 이에 따라 코일건 소지자는 소지 허가를 신청하거나, 폐기 또는 적법한 소지자에게 양도해야 한다. 이를 위반할 경우 불법 소지로 처벌받을 수 있다. 경찰청은 코일건 폐기를 원하는 소지자에게 가까운 경찰에 무료 회수를 의뢰하도록 요청하고 있다.^[39] 7월 3일 기준으로 경시청 관내에서 2정의 코일건이 회수되었다.^[40]

4. 원리 및 구조

코일건은 전류가 흐르는 코일에 의해 생성되는 자기장을 이용하여 발사체를 가속하는 장치이다. 크게 단일 스테이지와 다중 스테이지 방식으로 나뉜다.

• 단일 스테이지 코일건: 하나의 전자석 코일을 사용하여 발사체를 추진한다. 솔레노이드와 유사하게, 코일에 큰 전류가 흐르면 강한 자기장이 발생하여 강자성체 발사체를 코일 중심으로 당긴다. 발사체가 코일 중심에 접근하면, 발사체가 멈추는 것을 방지하기 위해 전자석을 꺼야 한다.^[16][17]
• 다중 스테이지 코일건: 여러 개의 코일을 순차적으로 작동시켜 발사체의 속도를 점진적으로 높인다. 일반적인 코일건 설계에서 총의 "총신"은 발사체가 이동하는 트랙으로 구성되며, 트랙 주위의 자기 코일로 드라이버가 들어간다. 전원은 빠른 에너지 방전을 위해 설계된 배터리 또는 커패시터에서 공급된다.

4. 1. 스위칭

4. 2. 효율 및 제한 요소

• '''코일의 저항''': 코일 자체의 전기 저항과 전류 소스의 등가 직렬 저항(ESR)은 상당한 전력을 소모한다. 낮은 속도에서는 코일의 발열이 코일건 효율을 크게 저하시켜 낮은 효율을 보인다. 하지만 속도가 증가하면 기계적 동력이 속도의 제곱에 비례하여 증가하고, 저항 손실은 상대적으로 적어져 효율이 개선된다.^[16][17]
• '''자기 회로의 손실''': 이상적인 경우 코일에서 생성된 자기 선속의 100%가 발사체에 작용해야 하지만, 실제로는 자기 저항으로 인해 에너지 손실이 발생한다. 특히 공심 솔레노이드의 경우, 자기 선속의 대부분이 발사체에 결합되지 않고 주변 공기에 에너지를 저장하는 자기장을 생성한다. 이 에너지는 커패시터 방전 후 코일건 전기 회로로 돌아와 역방향 전류를 발생시키며, 이는 극성 커패시터에 손상을 줄 수 있다.^[18][19]
• '''역방전 방지 및 에너지 회수''': 역방전을 방지하기 위해 다이오드를 사용하면 다이오드와 코일의 저항으로 인해 에너지가 열로 소산된다. 일부 설계에서는 다이오드를 통해 에너지를 회수하여 커패시터를 재충전하지만, 이 방법은 커패시터의 ESR로 인한 재충전 전류 제한으로 효율이 떨어진다.^[20][21]
• '''자기 회로 최적화''': 자기 회로를 최적화하기 위해 백 아이언과 엔드 아이언을 사용하지만, 사용 재료에 따라 효과가 다르고 자기 포화 및 기타 자기 손실을 악화시킬 수 있다.
• '''발사체의 자기 포화''': 강자성 발사체의 경우, 발사체가 자기 포화 상태에 도달하면 코일 전류를 증가시켜도 힘이 선형적으로 증가하지 않고 효율이 감소한다. 이는 주어진 발사체가 허용 가능한 효율로 가속될 수 있는 한계를 설정한다.^[22]

강자성 발사체의 한계를 극복하기 위해 공심형(air-core) 시스템이 사용되기도 한다. 이 시스템에서 발사체는 움직이는 코일 "아머처"에 의해 가속되며, 유도 전류를 통해 작동한다. 공심형 시스템은 강자성 발사체보다 더 큰 자기장 세기로 작동할 수 있지만, 더 높은 전류가 필요할 수 있다.

5. 계산

단일 스테이지 코일건에 의해 가속된 발사체의 출구 속도는 다음 방정식으로 근사할 수 있다.^[5]

:$v\_\{exit\}=\backslash sqrt\{\backslash frac\{2\}\{m\}\{V\backslash mu\_0\backslash chi\_mn^2I^2\}\}$

• m은 발사체의 질량()
• V는 발사체의 부피(m³)
• μ₀은 진공 투자율이며, SI 단위로 4π × 10⁻⁷ V·s/(A·m)로 정의된다.
• χ_m은 발사체의 자화율이며, 적용된 자기장에 대한 반응으로 재료의 자화 정도를 나타내는 무차원 비례 상수이다. 이는 종종 실험적으로 결정되어야 하며, 특정 재료의 자화율 값에 대한 표는 CRC 화학 및 물리학 핸드북과 자화율에 대한 위키백과 기사에서 찾을 수 있다.
• n은 코일의 단위 길이당 코일 턴 수이며, 이는 코일의 총 턴 수를 미터 단위의 코일 총 길이로 나누어 구할 수 있다.
• I는 코일을 통과하는 전류(암페어)이다.

6. 활용

소형 코일건은 취미로 제작되기도 한다. 2018년, 미국의 아크플래시 랩스(Arcflash Labs)는 일반 대중에게 판매되는 최초의 코일건인 EMG-01A를 출시했다.^[6] 이 회사는 2021년에 더 큰 모델인 GR-1 가우스 소총을 개발하여 판매했다.^[7]

2022년, 노스쇼어 스포츠 클럽(Northshore Sports Club)은 노린코(Norinco)에서 제조한 콤팩트하고 15줄의 탄창식 코일건인 CS/LW21(E-샷건)을 배포하기 시작했다.^[8] 제조사는 중국 경찰과 군대에 "비살상 폭동 진압"용으로 공급할 계획을 발표했다.^[11]

DARPA는 코일건 박격포 설계를 연구 중이며, 2.1m 길이의 실험용 코일건 박격포는 22%의 효율을 가진다.^[26] 120mm EM 박격포의 예측 범위는 유사한 길이의 기존 버전보다 30% 증가할 것으로 예상되며, 발사 속도도 약 두 배 증가할 것으로 예상된다.^[1][27]

전자기 캐터펄트는 미래 미국 제럴드 R. 포드급 항공모함에 사용될 예정이다. 전자기 미사일 발사기(EMML)의 실험적인 유도 코일건 버전은 토마호크 미사일 발사를 위해 테스트되었다.^[30]

코일건은 우주 발사체, 질량 가속기 등 미래 기술에도 응용될 가능성이 있다. NASA는 달 기지 건설을 위한 대규모 코일건 활용을 연구했으며,^[32][33] 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)는 소형 위성 발사를 위한 킬로미터 길이의 코일건을 제안했다.^[34][35] 스타트램 개념과 같이 매우 긴 코일건에 대한 제안도 있었다.^[36]

7. 가상의 장치

SF 작품 등에 등장하는 가상의 포를 한자로 표기한 '''전자 투사포''' 또는 '''가우스 건''' 내지 '''가우스포'''(가우스 캐논)라고 부르기도 한다.^[1] '''가우스'''(Gauss)는 물리량에서의 가우스 단위계에서 유래되었으며, 카를 프리드리히 가우스와 직접적인 관계는 없다.^[1] 또한 이러한 명칭으로 불리는 포는, 후술하듯이 전자 투사 방식의 장치 전반을 지칭하며, 코일건에 한정되지 않는다.^[1]

참조

_[1] 논문 Magnetic cannon: The physics of the Gauss rifle https://aapt.scitati[...] 1904
_[2] 간행물 Popular Mechanics 06 1933 page 819 https://archive.org/[...] archive.org
_[3] 웹사이트 US Patent 754,637 "Electromagnetic Gun" https://patents.goog[...] 1904
_[4] 논문 Advanced Concepts of the Propulsion System for the Futuristic Gun Ammunition 2003-10
_[5] 웹사이트 Effect of Projectile Design on Coil Gun Performance http://phome.postech[...] 2012-12-14
_[6] 뉴스 You Can Now Buy a Practical Gauss Gun https://hackaday.com[...] 2018-07-12
_[7] 뉴스 Handheld railgun as powerful as an air rifle to go on sale in the US https://www.newscien[...] 2021-08-12
_[8] 뉴스 China Rolls Out Electromagnetic Weapon to Quell Violent Protests https://www.bloomber[...] 2023-04-17
_[9] 웹사이트 Coil Accelerator https://www.northsho[...] 2022-07-06
_[10] 웹사이트 Reviews https://e-shotgun.co[...] 2021-12-22
_[11] 뉴스 China unveils electromagnetic gun for riot control https://www.scmp.com[...] 2023-04-16
_[12] 문서 K. McKinney and P. Mongeau, "Multiple stage pulsed induction acceleration," in IEEE Transactions on Magnetics, vol. 20, no. 2, pp. 239-242, March 1984, doi: 10.1109/TMAG.1984.1063089.
_[13] 논문 Guidelines for the Design of Synchronous Type Coilguns 1991-01
_[14] 논문 Basic principles of coaxial launch technology 1984-03
_[15] 웹사이트 Popular Mechanics https://books.google[...] Hearst Magazines 1933-06-01
_[16] 웹사이트 Compact Coilgun http://www.lukeallen[...] 2011-05-08
_[17] 웹사이트 Coil Gun Kit Instructions From Disposable Camera https://www.angelfir[...] 2011-05-08
_[18] 웹사이트 Magnetic High Impact Cannon coil gun https://www.scribd.c[...] DangerousBumperStickers.com 2019-02-10
_[19] 웹사이트 Innovating New Solutions - CEM The University of Texas at Austin http://www.cem.utexa[...] 2019-02-10
_[20] 웹사이트 Electromagnetic Guns http://www.coilgun.i[...] 2009-02-13
_[21] 웹사이트 StarTram http://www.startram.[...] StarTram 2011-05-08
_[22] 웹사이트 Advanced Propulsion Study. Retrieved May 8, 2011 https://apps.dtic.mi[...] 2011-05-09
_[23] 웹사이트 Room 203 Technology http://philstechnolo[...] 2007-10-20
_[24] 웹사이트 World's Coilgun Arsenal http://www.coilgun.r[...] 2011-05-10
_[25] 논문 Multiple stage pulsed induction acceleration http://resolver.scho[...] 1984
_[26] 웹사이트 EM Mortar Technology Development for Indirect Fire. Retrieved May 9, 2011 https://apps.dtic.mi[...] 2021-04-27
_[27] 웹사이트 Army Times: EM technology could revolutionize the mortar. Retrieved May 9, 2011 http://www.armytimes[...] 2011-05-10
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_[29] 웹사이트 Versatile Electromagnetic Mortar Launcher for the JLTV-B. Retrieved May 9, 2011 http://proceedings.n[...] 2011-05-10
_[30] 웹사이트 Sandia National Laboratories / Lockheed Martin Electromagnetic Missile Launcher. Retrieved May 9, 2011 http://www.webstract[...] Sandia National Laboratories / Lockheed Martin 2011-05-09
_[31] 웹사이트 For Love of a Gun https://spectrum.iee[...] 2007-07-01
_[32] 웹사이트 Table_of_Contents1.html https://settlement.a[...]
_[33] 웹사이트 askmar.com - askmar Resources and Information. http://www.askmar.co[...] 2019-02-10
_[34] 웹사이트 L5 News: Mass Driver Update-National Space Society https://space.nss.or[...] 2017-08-03
_[35] 웹사이트 Lab Says Electromagnetism Could Launch Satellites https://www.nytimes.[...] 2011-05-09
_[36] 웹사이트 Transformational Technologies to Expedite Space Access. Retrieved May 9, 2011 http://www.ias-spes.[...]
_[37] 웹사이트 Machine gun https://patents.goog[...] 2019-02-10
_[38] 웹사이트 同大内ウェブサイトへの外部リンク http://www.utexas.ed[...]
_[39] 웹사이트 （2024年６月）銃刀法が改正されました！ https://www.npa.go.j[...] 警察庁 2024-06-01
_[40] 뉴스 改正銃刀法でコイルガン所持禁止に　警視庁が無償引き取り実施「期間内に処分依頼を」 https://www.itmedia.[...] アイティメディア 2024-07-04