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운동 에너지탄

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목차

1. 개요

운동 에너지탄은 질량과 속도를 이용하여 장갑을 관통하는 무기이며, 돌, 고밀도 금속으로 만든 포탄에서 시작하여 현대에는 고속 포구 속도와 집중된 힘을 결합한 형태로 발전했다. 초기에는 장갑차나 방어 구조물 파괴를 목적으로 사용되었으며, 현재는 APFSDS, APDS와 같은 다양한 종류가 존재한다. 작동 원리는 질량과 속도를 극대화하고, 충격 면적을 최소화하여 관통력을 높이는 것이다. 종류로는 철갑탄(AP), 분리철갑탄(APDS), 날개안정분리철갑탄(APFSDS) 등이 있으며, 운동 에너지 미사일도 존재한다.

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운동 에너지탄
개요
명칭운동 에너지탄
유형비폭발성 고밀도 관통자
사용 목적장갑 관통
작동 원리
원리높은 운동 에너지로 표적을 관통
폭발물을 사용하지 않음
구성 요소
재료고밀도 금속 (텅스텐 합금, 열화 우라늄 등)
특징높은 밀도
높은 경도
디자인 및 작동 방식
디자인길고 얇은 형태
안정 날개 (필요에 따라)
작동 방식포탄 또는 미사일에 장착
고속으로 발사되어 표적에 충돌
운동 에너지로 표적을 관통
장점 및 단점
장점높은 관통력
폭발 위험 감소
부수적인 피해 감소 가능성
단점제조 비용이 높음
특정 재료 사용 시 환경 문제 발생 가능성
사용
용도대전차 무기
벙커 버스터
사용 무기전차포
대전차 미사일
참고 사항
관련 용어장갑 관통탄
철갑탄
날개안정분리철갑탄 (APFSDS)

2. 역사

초기 대포는 운동 에너지 탄약을 발사했는데, 처음에는 돌을 가공하여 만든 무거운 포탄이었고, 나중에는 고밀도 금속으로 바뀌었다. 이러한 무기 설계의 핵심 요소는 높은 구경 에너지, 발사체 무게, 그리고 경도였다. 주된 목적은 장갑차나 방어 구조물의 외피를 파괴하는 것이었다.

현대 KE 관통탄은 고속 포구 속도와 집중된 힘을 결합하여 개발되었다. 포구 속도는 저질량이고 포신 내에서 큰 밑면적을 가진 발사체를 사용하여 달성된다. 이탈피(sabot)라고 하는 가벼운 외피로 감싼 소구경 발사체를 발사하면 포구 속도가 높아진다. 포탄이 포신을 빠져나가면 사보트는 더 이상 필요 없어지고 조각으로 떨어진다. 이렇게 하면 발사체가 높은 속도로 이동하며 단면적이 작아지고 표적까지 비행하는 동안 공기역학적 항력이 감소한다. "사보트"라는 이름은 프랑스어로 나막신(일부 유럽 국가에서 전통적으로 신는 나무 신발)을 의미한다.[1]

작은 면적에 힘을 집중시키기 위해 처음에는 하나의 금속(일반적으로 강철) 포탄을 사용했으나, 이후 두 가지 금속을 사용한 복합 포탄으로 대체되었다. 이는 무거운 코어(텅스텐 기반)가 가벼운 금속 외피 안에 있는 디자인이었다.

2. 1. 초기 발전

초기 대포는 운동 에너지 탄약을 발사했는데, 처음에는 가공된 돌로 만든 무거운 포탄이었고, 나중에는 고밀도 금속으로 바뀌었다. 처음부터 높은 구경 에너지와 발사체의 무게, 그리고 경도를 결합하는 것이 이러한 무기 설계에서 가장 중요한 요소였다. 마찬가지로 이러한 무기의 주된 목적은 장갑차나 방어 구조물의 외피를 파괴하는 것이었는데, 돌 벽, 범선의 목재, 또는 현대 전차 장갑 등이 포함된다.[1] 다양한 형태의 운동 에너지 탄약은 매우 집중된 종말탄도학으로 인해 일관되게 이러한 무기의 선택이었다.

2. 2. 제2차 세계 대전

제2차 세계 대전 중 독일은 대공전에서 대공포의 고도를 높이기 위해 "''treibspiegel''"("추진 거울")이라는 현대식 이탈피(sabot)를 개발했다.[1] 영국은 장갑관통 복합 강체탄(APCR), 미국은 고속 장갑관통탄(HVAP), 독일은 ''hartkern''(경질 코어) 등 다양한 형태의 운동 에너지탄을 개발했다. 고속 장갑관통탄(HVAP)은 주로 미국 육군의 구축전차에서 사용되었으며, 텅스텐 코어가 비싸고 다른 용도로 우선순위가 높았기 때문에 상대적으로 드물었다.

2. 3. 냉전 시대와 현대

냉전 시대 초기에 대부분의 전차에서 사용된 주요 운동 에너지 무기는 장갑관통 분리식 사보트탄(APDS)이었다. 하지만 APDS 탄약은 정확도가 떨어진다는 주요 단점이 있었다.[2] 1970년대에는 안정핀을 관통탄에 추가하여 정확도를 크게 높인 장갑관통 안정핀 분리식 사보트탄(APFSDS) 탄약이 개발되었다.[2] APFSDS는 현대 전차의 주력 탄약으로 자리 잡았다.

3. 작동 원리

운동 에너지탄은 질량과 속도를 이용하여 장갑을 관통하는 방식이다. 장갑을 관통할 때 발생하는 열과 파편, 그리고 충격파가 목표물을 파괴한다.[3]

현대 운동 에너지 무기는 목표물에 전달되는 응력(운동 에너지를 충격 면적으로 나눈 값)을 극대화하기 위해 다음과 같은 방법을 사용한다.


  • 질량 극대화: 밀도가 높은 금속(주로 결핍 우라늄이나 탄화텅스텐)을 사용하여 운동 에너지를 높인다. 운동 에너지는 발사체의 질량(''m'')과 속도(''v'')의 제곱에 비례한다((mv^2/2)). 따라서 발사체의 구경 속도를 극대화하는 것이 중요하다.
  • 폭 최소화: 발사체가 회전하지 않고 정면으로 충돌하도록 하여 충격 면적을 줄인다. 대부분의 현대 발사체는 원형 단면적을 가지며, 충격 면적은 반지름 ''r''의 제곱에 비례한다(\pi r^2).


관통체의 길이는 관통 깊이에 큰 영향을 미친다. 일반적으로 관통체는 자신의 길이보다 더 깊이 관통하기 어렵다.[4] 이러한 이유로 현재의 운동 에너지탄은 긴 금속 화살과 유사한 형태를 가지고 있다.

Wili Odermatt와 W. Lanz가 고안한 공식을 사용하면 단일 재료로 만들어진 일체형 관통체의 관통 깊이를 계산할 수 있다.[5]

1982년, 기체 역학 개념과 표적 관통 실험을 바탕으로 한 분석 조사에서는 비전통적인 3차원 형상을 사용하면 관통 깊이가 더 깊어진다는 결론이 나왔다.[7] [8]

운동 에너지탄은 성형작약탄(HEAT)이나 고폭파편탄(HESH)과 같은 화학 에너지탄에 대응하여 개발되었다. LOSAT이나 CKEM과 같은 운동 에너지 미사일, APFSDS와 같은 운동 에너지 철갑탄, 그리고 최근 개발되는 텅스텐탄, 열화우라늄탄 등이 이에 속한다. 넓은 의미에서는 일반적인 철갑탄이나 탄환도 운동 에너지탄으로 분류할 수 있다.

중공장갑은 HEAT탄을, 비산방지내장은 HESH탄을 막기 위해 개발되었지만, APFSDS나 CKEM처럼 탄체 자체의 속도로 Hugoniot탄성한계를 초과하여 이러한 장갑들을 돌파하는 탄약이 등장했다.

하지만 세라믹 복합장갑이 충분한 두께를 갖는 경우에는 운동 에너지탄의 효과가 떨어진다.

대전차 무기로 사용되는 운동 에너지탄두는 텅스텐이나 열화 우라늄을 주로 사용하며, 이는 경도와 비중이 높기 때문이다.

대표적인 운동 에너지탄인 APFSDS는 관통력을 높이기 위해 다트 모양을 하고 있으며, 탄 자체의 질량은 수 kg 정도이다. 그러나 1,500m/s 전후의 매우 빠른 속도로 인해 3MJ 전후의 운동 에너지를 가지며, 이 에너지가 한 점에 집중되어 전차 장갑을 관통한다.

대표적인 대전차용 운동 에너지 미사일로는 LOSAT나 CKEM과 같은 지대지 미사일이 있으며, 이들은 유도 미사일의 특성으로 인해 APFSDS보다 훨씬 긴 사거리(4km~10km)를 가진다. 하지만 미사일 1발당 비용이 매우 비싸다는 단점이 있다.

4. 종류

운동에너지탄은 크게 운동에너지 미사일과 운동에너지 관통자로 나눌 수 있다.


  • 운동에너지 미사일(Kinetic Energy Missile)
  • LOSAT
  • CKEM
  • DF-21
  • SM-3
  • CSM

  • 운동에너지탄(Kinetic Energy Penetrator)
  • 고속철갑탄(HVAP)
  • APDS
  • APFSDS

4. 1. 철갑탄 (AP)

철갑탄(徹甲彈)은 한자로 '뚫을 철(徹)'자를 사용하여 장갑을 관통하는 탄을 의미한다. '철갑'과 발음이 같아 쇠 철(鐵)자로 오인하는 경우가 많으며, 관련 업체나 작가들도 오류를 범하는 경우가 종종 있다. 아래아 한글에서도 한자 변환 시 鐵甲彈으로만 표기된다. '관철', '철야', '철두철미' 등에 쓰이는 '뚫을 철(徹)'자를 사용한다고 이해하면 구분하기 쉽다. 일본에서는 철갑탄(てっこうだん)으로 표기하지만, 중국에서는 뚫을 천(穿)자를 써서 천갑탄(穿甲彈)이라 부른다. 이는 천공카드의 '천'자와 같다. Full Metal Jacket을 철갑탄으로 오해하는 경우도 있는데, 이는 철로 된 피갑을 씌운 탄을 의미할 뿐, 군사적으로 철갑탄은 장갑 관통용 탄약(armor piercing ammunition)을 의미한다.[1]

4. 2. 분리철갑탄 (APDS)

분리철갑탄(APDS, Armor Piercing Discarding Sabot)은 철갑탄의 한 종류로, 관통자 주위에 이탈피(sabot)를 감싼 형태이다. 포탄의 관통력을 높이기 위해서는 탄두 무게를 늘리거나 탄속을 높여야 하는데, 탄 무게를 무한정 늘릴 수 없어 고안된 것이 분리철갑탄이다. 관통자 크기를 줄이고 장약을 늘려 관통력을 향상시키려는 노력은 경심철갑탄 개발로 이어졌다. 그러나 경심철갑탄은 텅스텐 탄심 가공이 어렵고 관통력 증가가 크지 않았으며, 근거리를 지나면 관통력이 떨어지는 문제가 있었다. 또한 탄자 형태 때문에 도탄률이 높고, 경사장갑에 맞으면 관통력이 크게 감소하는 단점도 있었다.[1]

4. 3. 날개안정분리철갑탄 (APFSDS)

날개안정분리철갑탄(APFSDS)은 APDS에 안정핀을 추가하여 정확도를 향상시킨 형태이다.

4. 4. 기타 철갑탄 종류


  • '''경심철갑탄 (APCR) / 고속철갑탄 (HVAP)''' : 중앙에 단단한 심을 박고 겉을 덜 단단한 금속으로 감싼 형태의 철갑탄이다. 제2차 세계 대전 후반기부터 6.25 전쟁 시기에 사용되었다.
  • '''피모철갑탄 (APC)''' : 탄두에 연성 금속 캡(피모)을 씌워 착탄 시 탄자 붕괴를 막는 형태의 철갑탄이다.
  • '''저저항피모철갑탄 (APCBC)''' : 피모철갑탄에 유선형 캡을 추가하여 공기 저항을 줄여 관통력을 높인 철갑탄이다. 제2차 세계 대전 당시 대전차포와 전차 주포의 주력 탄종으로 사용되었다.
  • '''철갑유탄 (APHE)''' : 철갑탄 내부에 작약을 충전하여 관통 후 내부 폭발을 일으키는 형태의 포탄이다. 일반 철갑탄에 비해 인명 살상에 뛰어나지만, 관통 능력은 떨어진다.
  • '''철갑소이탄 (API)''' : 철갑탄과 소이탄을 결합하여 관통 후 화재를 일으키는 포탄이다.
  • '''철갑소이고폭탄 (APHEI)''' : 철갑탄, 소이탄, 고폭탄을 결합한 복합탄으로, 장갑 관통 후 내부 폭발 및 화재를 일으킨다.

4. 5. 운동 에너지 미사일

LOSAT, CKEM, DF-21, SM-3, CSM 등은 미사일에 운동 에너지 탄두를 탑재하여 장거리에서 목표물을 타격하는 방식이다.

5. 문제점 및 한계

세라믹 복합장갑이 충분한 두께를 갖는 경우, 운동 에너지탄의 효과는 떨어진다.[1]

참조

[1] 서적 Shorter Oxford English Dictionary Shorter Oxford English Dictionary 2007
[2] 웹사이트 Tank - Armament https://www.britanni[...] 2020-02-22
[3] 웹사이트 Heat Rounds and Sabots https://web.archive.[...] 2008-07-07
[4] Youtube M829A3 penetration test https://www.youtube.[...] 2020-02-22
[5] 웹사이트 Long Rod Penetrators. Perforation Equation http://www.longrods.[...] 2020-02-22
[6] 논문 Optimization of star-shaped penetrators 1982
[7] 논문 Mechanics of Dynamic Penetration into Soil Medium Allerton Press 2010
[8] 논문 Area rules for penetrating bodies Elsevier Ltd. 1997
[9] 웹사이트 デジタル大辞泉KEW https://kotobank.jp/[...]
[10] 웹사이트 デジタル大辞泉DEW https://kotobank.jp/[...]


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