날개안정분리철갑탄
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1. 개요
날개안정분리철갑탄(APFSDS)은 운동 에너지를 이용하여 장갑을 관통하는 포탄으로, 초기에는 긴 탄체를 안정시키기 위해 핀을 사용했다. 1960년대에 소련에서 처음 실용화되었으며, 이후 미국, 이스라엘, 일본 등 여러 국가에서 개발 및 생산되었다. APFSDS는 텅스텐 합금이나 열화 우라늄 합금과 같은 고밀도 재료로 만들어진 관통자를 사용하며, 포신을 떠난 후 장탄통이 분리되어 관통체의 비행 안정성을 높인다. APFSDS의 관통력은 포구 속도와 관통자의 L/D비에 영향을 받으며, 현재 전차의 주력 대전차 탄약으로 사용된다. 훈련용으로 개발된 TPFSDS는 실제 APFSDS와 유사한 비행 특성을 가지면서도 안전하게 훈련할 수 있도록 설계되었다.
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| 날개안정분리철갑탄 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 운동 에너지탄 |
| 사용 국가 | 미국 영국 독일 프랑스 러시아 중국 이스라엘 대한민국 기타 |
| 제원 | |
| 주요 구성 요소 | 관통자 (Penetrator) 분리받침 (Sabot) 안정날개 (Fins) |
| 작동 원리 | |
| 작동 방식 | 포탄 발사 시 분리받침이 포신 내에서 추진력을 받아 관통자를 목표물까지 가속 분리받침은 목표물에 도달하기 전에 분리되어 나가고, 관통자만 남아 운동 에너지로 장갑 관통 안정날개는 관통자의 비행 안정성을 유지 |
| 장점 | |
| 높은 관통력 | 작은 직경과 높은 속도로 인해 높은 운동 에너지를 가짐 장갑 관통에 효과적 |
| 사거리 | 긴 사거리와 높은 명중률 |
| 안정성 | 안정날개에 의한 우수한 비행 안정성 |
| 단점 | |
| 낮은 폭발 효과 | 운동 에너지탄이므로 폭발 효과는 제한적 목표물 내부 피해는 관통력에 의존 |
| 복잡한 제조 공정 | 정밀한 제조 기술 요구 |
| 기타 정보 | |
| 다른 이름 | 날개안정분리철갑탄 APFSDS (Armour-Piercing Fin-Stabilized Discarding Sabot) |
2. 역사
날개안정분리철갑탄(APFSDS)은 탄의 단면 밀도를 높이기 위해 길고 가늘게 만들어 운동 에너지를 작은 면적에 집중시키는 방식으로 개발되었다. 그러나 길고 얇은 탄은 공기역학적으로 불안정하여 정확도가 떨어지는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 화살의 깃과 같이 탄약 바닥에 핀을 추가하여 비행 중 안정성을 확보하였다.[2]
초기 APFSDS 탄약은 강선포에서 발사되었지만, 강선에 의한 회전은 탄약의 성능을 감소시키는 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 '슬립 오버튜레이터'라는 기술이 적용되었고, 활강포가 개발되면서 APFSDS 탄약은 주로 활강포에서 발사되기 시작했다. 그럼에도 불구하고, M60/A1/A3 주력 전차에 장착된 105mm M68/M68E1 포나 챌린저 2 전차의 영국 120mm 로열 오드넌스 L30과 같은 기존의 강선포가 APFSDS탄과 함께 사용되기도 했다. 활강포에서 발사되는 APFSDS 발사체조차도 비행 중 약간의 회전 속도를 제공하기 위해 약간 기울어진 핀을 통합하고 있으며, APFSDS 탄약을 발사할 목적으로 매우 낮은 비틀림 강선포도 개발되었다.
2. 1. 초기 역사
1961년 소비에트 연방군은 세계 최초로 115mm 날개안정분리철갑탄(APFSDS) 실용탄인 BM-3을 T-62 전차에 탑재하여 운용하기 시작했다. BM-3은 텅스텐 카바이드 관통체를 가진 4kg의 비행체를 사용했으며, 포구 초속은 1,615m/sec였다.[1] 1962년에는 가공이 용이한 강철로 제작된 BM-6이 등장했다. BM-6은 포구 초속 1,615m/sec로 RHA 환산 시 2,000m 거리에서 236mm의 관통력을 가졌지만, 유효 사거리는 1,600m였다.1970년대 중반, 미국은 M60 전차 등의 105mm 포를 위한 M735 APFSDS 포탄을 개발했다. M735는 텅스텐 합금과 강철로 제작된 관통체를 포함하는 3.7kg의 비행체를 사용했으며, 포구 초속은 1,501m/sec였고, 2,000m 거리에서 318mm의 관통력을 가졌다.
2. 2. 발전 과정
1961년 소비에트 연방군에서 세계 최초로 115mm APFSDS 실용탄인 BM-3 운용을 시작했다. BM-3은 텅스텐 카바이드로 제작된 관통체를 가진 4kg의 비행체가 T-62 전차에서 포구 초속: 1,615m/sec로 발사되었다.[1] 1962년에는 BM-6이 등장했는데, 가공이 용이한 강철로 제작되었으며, 포구 초속: 1,615m/sec로 RHA 환산 시 236mm (거리 2,000m)의 관통력을 가졌지만, 유효 사거리는 1,600m였다.[1]1970년대 중반, 미국의 M60 전차 등의 105mm 포를 위한 M735 APFSDS 포탄이 등장했다. M735는 텅스텐 합금과 강철로 제작된 관통체를 포함하는 3.7kg의 비행체가 포구 초속: 1,501m/sec로 발사되었으며, 318mm (거리 2,000m)의 관통력을 가졌다. 이는 텅스텐 합금을 강철 덮개로 감싼 것이었다.[1] 이때는 아직 강선이 있는 포신에서 사용되었다. 활강포는 1977년 9월에 서독의 레오파르트 2 전차에 탑재된 120mm 활강포가 서방에서 최초였다.[1]
1978년 9월, 미국은 M735의 관통체 텅스텐 합금을 열화 우라늄 합금으로 대체한 M735A1이라는 포탄의 생산을 시작했다. 1979년 4월에는 열화 우라늄 합금을 강철로 감싸지 않고, 현대 APFSDS와 유사한 모노블록 구조의 M774를 생산하기 시작하여 M735 시리즈를 대체했다.[1]
이스라엘은 1978년에 M-111이라는 APFSDS탄을 실용화했다. M-111은 텅스텐 합금 모노블록 관통체를 포함하는 비행체가 포구 초속: 1,455m/sec로 발사되었으며, 342mm (거리 2,000m)의 관통력을 가졌다. 레바논에서의 전투에서 T-72를 격파하여 높은 평가를 받은 M-111은 NATO에서 선정 시험을 거쳐, 서독의 딜(Deil) 사가 라이선스 생산하여 DM23 105mm APFSDS탄으로 판매되었다.[1]
1977년에는 DM13이 운용 개시되었다. DM13은 L/D비 약 12였다.[1] 1987년 경에는 DM33이 운용 개시되었다. 이것은 이스라엘이 M-111의 후계로 개발한 M-413을 NATO에서 채택한 것으로, L/D비 약 20에 460mm (거리 2,000m)의 관통력을 가졌다.[1] 2004년 경에 DM53이 운용 개시되었다. DM53은 L/D비 약 30에 610mm (거리 2,000m)의 관통력을 가졌다.[1]
일본에서도 M735가 도입되었으며, 1984년부터 국내의 다이킨 공업에서 라이선스 생산이 이루어졌다. 1991년부터는 다이킨 공업에서 라인메탈 사제 DM33 120mm 탄의 라이선스 생산을 실시하여, '''JM33'''으로 명명하고 90식 전차의 주포탄으로 사용했다. 1994년부터는 마찬가지로 다이킨 공업에서 105mm APFSDS탄의 자체 개발에 의한 양산이 이루어지고 있다. 10식 전차용 120mm APFSDS탄의 국내 개발도 이루어져[17], '''10식 120mm 장탄통 부착 날개안정철갑탄'''으로 배치가 진행되고 있다.[1] 이 탄환의 L/D비는 약 30으로 DM53에 필적하는 값을 나타내고 있다.
3. 구조
APFSDS는 텅스텐 합금이나 열화 우라늄 합금 등의 중금속으로 된 가늘고 긴 탄체와 경금속 재질의 장탄통(Sabot)으로 구성되어, 전체 무게를 줄여 탄의 비행에 유리하다. 발사 시 장약 연소로 발생한 가스압이 장탄통의 탄대에 의해 밀폐되고, 포구 내 압력이 증가하면서 장탄통을 밀어낸다. 포구를 벗어난 후에는 공기 저항에 의해 장탄통이 탄체로부터 분리되고, 탄심(관통자)만이 목표를 향해 날아간다. 이러한 구조 덕분에 포탄 발사 화약의 운동 에너지가 좁은 면적에 집중되어 관통력이 높아진다.[18]
APFSDS는 매우 가늘고 길기 때문에 강선으로 회전시키면 오히려 불안정해진다. 따라서 강선이 없는 활강포에서 발사하는 것이 이상적이지만, 현재는 슬립 링(움직이는 회전대)을 장착하여 일반 강선포에서도 발사할 수 있다. 탄두의 안정 날개는 탄도를 안정시키는 역할을 하지만, 횡풍에 취약하다는 단점이 있어 명중률 향상을 위해서는 풍향 센서를 이용한 조준 보정이 필수적이다. 최근 전차포에서 마즐 브레이크를 보기 힘든 이유는 분리된 장탄통이 걸리는 것을 막기 위해서이다.
장갑 관통 능력은 균질 압연 강판(RHA, 철 합금)을 얼마나 관통할 수 있는지로 나타낸다. APDSDS 기준으로 105mm 강선포는 평균 400mm 중반에서 최대 600mm 초반, 120mm 활강포는 평균 500mm에서 800mm 중반 정도의 RHA(KE)를 관통할 수 있다. 열화 우라늄 탄체는 텅스텐 탄체보다 관통력이 약 10~15% 정도 우수한 것으로 추정되며, 철제 탄체는 관통력이 절반 정도이다. 대부분의 APFSDS 탄체는 텅스텐을 사용하며, 일부 국가에서는 열화 우라늄 탄체를 사용하기도 한다.
현대 전차의 주력 대전차 포탄은 대부분 APFSDS이다. 대전차고폭탄(HEAT)도 있지만, 복합 장갑, 반응 장갑 등의 기술 발전으로 인해 현대 주력 전차를 상대로는 APFSDS보다 효과가 떨어진다. 보병용 대전차 미사일이나 로켓도 HEAT를 사용하지만, 최근 전차들은 슬랫아머, 능동 방호 체계(APS) 등을 사용하여 방호력을 더욱 강화하고 있다.
APFSDS의 주요 구성 요소는 다음과 같다.
- '''관통자(Penetrator):''' 텅스텐 합금이나 열화 우라늄 합금 등의 중금속으로 만들어진다.
- '''장탄통(Sabot):''' 발사 시 가스압을 받아 포탄을 가속시키며, 포구를 벗어난 후 분리된다.
- '''풍방(Windshield):''' 비행 중 공기 저항을 줄이고, 착탄 시 충격을 완화한다.
- '''안정 날개(Fin):''' 탄도를 안정시키는 역할을 한다.
- '''슬리핑 밴드(Slip Ring):''' 강선포에서 발사할 때 탄의 회전을 줄여준다.
3. 1. 관통자
관통자는 텅스텐 합금이나 열화 우라늄 합금과 같은 중금속으로 만들어진 가늘고 긴 막대 모양의 부품이다.[3] 관통 성능을 높이기 위해 L/D비(길이/직경 비율)가 점차 증가하는 추세이다.
APFSDS의 관통체는 기존의 철갑탄(AP), APDS탄에 비해 가늘고 길다는 특징을 갖는다. 질량이 같을 경우, 가늘고 길수록 관통체 길이를 더 크게 할 수 있어 적의 장갑판에 대한 관통력이 높아진다. 또한, 정면 면적이 작아 비행 중 공기 저항이 적고, 비행 속도 감소가 적어 착탄 시 속도가 커진다. 이는 관통력 향상과 더불어 비행 시간 단축, 저신장 탄도(낮고 곧은 탄도)를 가능하게 하여 명중률도 높인다.
하지만 관통체가 너무 가늘면 명중 시 충격에 의해 파쇄되거나, 장탄통 분리 시 휘어져 비행 방향이 틀어지거나, 폭발 반응 장갑에 의해 쉽게 파괴될 수 있다. 따라서 관통체는 높은 강도를 가져야 한다.[18]
관통체의 가늘고 긴 정도는 길이(Length) / 직경(Diameter)의 비율, 즉 L/D비로 나타낸다. APFSDS의 L/D비는 계속 증가하여, 1970년대에는 15 정도였으나 1990년대에는 30에 달하는 것도 등장했다. 이러한 고L/D비화의 배경에는 고강도, 고인성 관통체 재료의 개발이 있었다.[18]
3. 2. 장탄통(Sabot)
장탄통(Sabot, 사보 또는 세이보)은 발사 시 가스압을 받아 포탄을 가속시키는 역할을 한다. 포신 내에서는 관통체와 단단히 결합되어 힘을 전달하고, 포구를 벗어난 후에는 공기 저항에 의해 3~4개로 분리된다. 장탄통 덕분에 발사 장약의 운동 에너지가 무거운 관통체에 집중되고, 가늘고 긴 관통체만 비행하여 공기 저항을 최소화한다.센타우로 정찰 전투차나 AMX-10RC와 같이 APFSDS 발사 가능 포를 탑재한 차량은 차체 측면 사격 시 반동 억제를 위해 마즐 브레이크를 장착하기도 한다.
1980년대 초에는 6061 및 6066-T6과 같은 저렴하고 고강도 항공우주 등급 알루미늄 합금이 사용되었으나, 이후 더 비싸고 강도가 높은 7075-T6 알루미늄, 마레이징강, 실험적인 초고강도 7090-T6 알루미늄을 거쳐 현재는 탄소 섬유 강화 플라스틱이 사용된다. 이를 통해 전체 발사체 질량의 거의 절반을 차지하는 장탄통의 무게를 더욱 줄였다.
분리된 장탄통 조각은 매우 빠른 속도로 수백 피트 이상 이동할 수 있어, 인근 병력이나 경차량에 피해를 줄 수 있다. 따라서 전차 사수는 주변 상황을 인지해야 한다.
3. 3. 풍방
알루미늄 합금으로 만들어진 풍방은 비행 시 공기 저항을 줄이고, 착탄 시 찌그러지면서 관통체와 목표 장갑판 사이의 충격을 완화하여 관통체의 파쇄를 방지한다.[18] APFSDS탄은 도탄되기 어려운 탄종이지만, 얕은 각도로 목표 장갑판에 입사하면 도탄될 수 있으므로, 풍방의 부드러운 알루미늄이 장갑에 고착되어 도탄을 방지하기도 한다.[18]풍방의 선단은 초음속 비행 시 공기의 단열 압축에 의한 고온으로 녹을 수 있어, 이를 방지하기 위해 선단에 칩이라는 작은 부품을 부착하기도 한다.[18]
3. 4. 안정 날개
APFSDS는 안정 날개를 통해 탄도를 안정시키지만, 횡풍의 영향을 받기 쉽다는 단점이 있다. 또한 안정 날개의 가공 오차로 인해 포탄마다 탄도에 편차가 생길 수 있다. 탄도의 안정을 위해 선동은 필요하므로, 강선에 의한 고속 회전을 상쇄하는 방법을 사용한 후 안정 날개를 통해 매초 수 회전에서 수십 회전 정도의 약한 회전을 준다.[17]3. 5. 슬리핑 밴드 (슬립 링)
날개안정분리철갑탄(APFSDS)은 매우 가늘고 길기 때문에 강선에 의해 고속으로 회전하면 오히려 탄도가 불안정해진다. 그래서 강선이 없는 활강포에서 발사하는 것이 가장 좋다. 하지만, 현재는 나일론 등의 고분자 소재로 만들어진 슬리핑 밴드(슬립 링)를 장착하여, 강선에 의한 회전을 줄여주기 때문에 일반적인 강선포에서도 안정적으로 발사할 수 있다.[1] 슬리핑 밴드는 강선의 회전 속도를 탄에 완전히 전달하지 않으면서도, 고압의 추진 가스가 새지 않도록 밀봉하는 역할을 한다.[1]4. 작동 원리
날개안정분리철갑탄(APFSDS)은 높은 운동 에너지를 좁은 면적에 집중시켜 장갑을 관통한다. 효과적인 긴 막대형 관통자는 표적에 비해 매우 높은 밀도, 높은 경도, 높은 인성(연성), 높은 강도를 가져야 한다.[4]
관통은 장갑에 거의 평행하게 착탄하는 경우를 제외하고는 도탄을 일으키지 않으며, 피탄 경사는 거의 기능하지 않는다.[17] APFSDS가 장갑을 관통하기 위해서는 착탄 시 속도, 관통체의 길이, 좌굴되지 않기 위한 인성과 연성이 필요하다. 착탄 시 속도가 낮으면 기존 철갑탄보다 관통력이 떨어진다.
4. 1. 유체역학적 관통
충분히 높은 충돌 속도에서 결정질 물질은 고도로 가소적인 유체와 유사하게 행동하기 시작하여 유체 역학적 관통 이론이 적용된다.[4][5]긴 막대형 발사체는 유체를 관통하는 것처럼, 표적 장갑과 관통자의 밀도 및 길이에 기반하여 관통한다. 관통자는 자신의 길이와 관통자 대 표적 밀도의 제곱근을 곱한 만큼의 깊이로 표적을 변위시킨다. 따라서 더 길고 밀도가 높은 관통자가 더 깊이 관통하며, 이는 긴 막대형 대 장갑 발사체 개발의 기초가 되었다.[4]
APFSDS는 기존 철갑탄보다 높은 비행 속도로 인해 더 큰 관통력을 가지며, 1960년대에 실용화되었다. APFSDS의 발사 시 초속은 보통 1,500m/s 이상으로, 제2차 세계 대전 이전의 철갑탄에 비해 고속으로 관통이 발생한다. 이러한 고속 충돌에서 관통체 선단은 소성 변형을 일으키며 관통하고, 선단은 버섯 모양으로 퍼지면서 장갑에 침투한다. 관통체는 선단부터 닳아 없어지므로 길이가 급속히 줄어들며, 장갑 두께에 비해 충분한 길이가 없으면 구멍만 남고, 길이가 충분하면 남은 부분이 장갑 내부에 들어가 피해를 준다.
이러한 APFSDS의 관통 모델은 1966년과 1967년에 Tate 및 Alekseevskii에 의해 독립적으로 제안되었다.[14][15] 이들은 관통체와 장갑의 거동을 유체역학적으로 다루어 관통 선단 속도를 구하고, 관통 성능을 간결하게 도출했다. 이 모델에 따르면, APFSDS 관통 성능의 상한은 장갑 강도에 크게 의존하고 관통체 강도에는 크게 의존하지 않는다. 또한, 관통체 길이당 관통 깊이는 충돌 속도에 대해 위로 볼록한 의존성을 보이며 상한이 존재한다. 그 상한은 관통체 밀도()와 장갑 밀도() 비의 제곱근()에 의해 결정된다.
1995년, Anderson 및 Walker는 연속체 역학적인 접근으로 APFSDS의 관통 모델을 제안하여, 기존 철갑탄과 APFSDS를 통일적으로 다루는 모델을 제시했다.[16] 텅스텐 합금탄이 강철 장갑판에 관통할 경우 850m/sec 이상, 강철 관통체가 강철 장갑판에 관통할 경우 1,100m/sec 이상의 속도가 없으면 관통체의 소모를 동반하는 관통은 멈추고, 관통체가 소모되지 않는 관통 양식으로 전환된다.
4. 2. 단열 전단 밴드
고갈 우라늄(DU) 합금 관통자는 단열 전단 밴드 형성을 보인다. 일반적인 오해와는 달리, 이러한 밴드를 따라 균열이 발생하여 관통자 끝이 지속적으로 재료를 떨어뜨려 끝의 원추형 모양을 유지하는 것이 아니라, "머슈룸"의 측면이 더 일찍 부서지는 경향이 있어 충돌 시 머리가 작아진다. 하지만 여전히 "머슈룸" 현상은 발생한다. 테스트 결과 DU 발사체가 뚫은 구멍은 유사한 텅스텐 발사체보다 직경이 좁았다. 두 재료 모두 거의 동일한 밀도, 경도, 인성 및 강도를 가지고 있지만, 변형의 이러한 차이로 인해 고갈 우라늄은 강철 목표물에 대해 동일한 길이의 텅스텐 합금보다 더 깊이 관통하는 경향이 있다.[6]대한민국과 같은 일부 국가에서는 다단계 순환 열처리[7][8] 및 미세 구조 제어와 같은 특정 열처리 공정을 텅스텐 관통자에 적용하여 금속 입자 구조를 미세하게 분리한다. 이를 통해 기존 텅스텐 합금의 만성적인 문제였던 머슈룸 변형을 크게 개선하여 관통력을 8~16% 증가시키고 충격 깊이 인성을 300% 향상시켰다. 이는 미립자 텅스텐 관통자가 DU 관통자와 동일한 자체 연마 거동을 유발하기 때문이다.[9][10][11][12]
5. 재질
날개안정분리철갑탄의 관통자 재료로는 텅스텐 중합금(WHA)과 고갈 우라늄(DU) 합금이 널리 사용된다. 텅스텐 합금은 밀도가 높고, 단단하며, 질기고, 연성이 있으며, 강도가 높아 장갑을 깊숙이 관통하는 데 적합하다.[6]
1970년대 이스라엘이 텅스텐 합금 단독(모노 블록 구조) 탄체를 개발하여 T-72 전차를 격파하면서 텅스텐 합금이 주목받기 시작했다. 이후 NATO군에서도 라이선스 생산되고 있다. 텅스텐 합금은 텅스텐을 90-93% 포함하고, 니켈, 철을 더하며, 코발트, 구리, 크롬, 은을 첨가하기도 한다.
대한민국을 비롯한 일부 국가에서는 다단계 순환 열처리[7][8] 및 미세 구조 제어와 같은 특수 열처리 공정을 적용하여 텅스텐 관통자의 성능을 향상시키기도 한다. 이러한 공정을 통해 금속 입자 구조를 미세하게 만들어 텅스텐 합금의 문제점이었던 머슈룸 변형을 줄이고, 관통력을 8~16%, 충격 깊이 인성을 300% 향상시킬 수 있다.[9][10][11][12] 이는 미립자 텅스텐 관통자가 고갈 우라늄 관통자와 유사한 자체 연마 거동을 보이도록 한다.
미국이나 러시아 등 일부 국가에서는 텅스텐보다 쉽게 구할 수 있는 열화 우라늄(Depleted uranium) 합금을 관통체에 사용하고 있다. 그러나 중금속으로서의 독성이나 잔류 방사능이 전투원이나 현지 주민에게 건강 피해를 입힌다는 의견도 있다 (걸프 전쟁 증후군 참조).[6]
열화 우라늄 합금은 관통할 때, 선단 외연부가 단열 전단에 의해 조기에 탈락하기 때문에 날카로워지는 "셀프 샤프닝 효과"(Self sharpening effect)를 가진다. 이러한 특성으로 인해 1600m/s 정도 이하의 속도에서는 텅스텐 합금에 비해 천공이 작고, 관통 에너지가 깊이 방향으로 유효하게 작용하여 더 두꺼운 장갑판을 관통할 수 있다. 또한 장갑판을 관통한 후, 파쇄되거나 미세화된 파편이 운동 에너지의 열 변환에 의해 용융·소이 효과를 발생시켜 적을 무력화하는데 더 효과적이라고 여겨진다. 열화 우라늄 합금은 열화 우라늄을 주체로 하고, 0.75% 정도의 티타늄이 더해진다.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 밀도 | 18.5g/cm3 이상 |
| 충격파 속도 | 4.9kg/sec (티타늄 0.6%, 입자 속도 1.5km/sec) |
| 충격 임피던스 | 약 91 (밀도 × 충격파 속도) |
| 인장 강도와 신장 | 700N/mm2에 12% 이상[17] |
5. 1. 텅스텐 합금
텅스텐 중합금(WHA)은 고갈 우라늄(DU) 합금과 함께 날개안정분리철갑탄의 관통자 재료로 널리 사용된다. 텅스텐 합금은 밀도가 높고, 단단하며, 질기고, 연성이 있으며, 강도가 높아 장갑을 깊숙이 관통하는 데 적합하다.[6]초기에는 텅스텐 합금의 강도가 낮아 마르에이징강제 보조통에 텅스텐 합금을 채운 구조를 사용했지만, 1970년대 이스라엘이 텅스텐 합금 단독(모노 블록 구조) 탄체를 개발하여 T-72 전차를 격파하면서 주목받기 시작했다. 이후 NATO군에서도 라이선스 생산되고 있다.
텅스텐 합금은 텅스텐을 90-93% 포함하고, 니켈, 철을 더하며, 코발트, 구리, 크롬, 은을 첨가하기도 한다. 텅스텐 합금의 주요 특성은 다음과 같다.
| 특성 | 값 |
|---|---|
| 밀도 | 17.1-17.5g/cm3 |
| 충격파 속도 | 6.0kg/sec (텅스텐 단체, 입자 속도 1.5km/sec) |
| 충격 임피던스 | 약 105 (밀도 × 충격파 속도) |
| 인장 강도 | 1,200N/mm2 이상 |
| 신장 | 10% 정도 |
대한민국을 비롯한 일부 국가에서는 다단계 순환 열처리[7][8] 및 미세 구조 제어와 같은 특수 열처리 공정을 적용하여 텅스텐 관통자의 성능을 향상시키기도 한다. 이러한 공정을 통해 금속 입자 구조를 미세하게 만들어 텅스텐 합금의 문제점이었던 머슈룸 변형을 줄이고, 관통력을 8~16%, 충격 깊이 인성을 300% 향상시킬 수 있다.[9][10][11][12] 이는 미립자 텅스텐 관통자가 고갈 우라늄 관통자와 유사한 자체 연마 거동을 보이도록 한다.
5. 2. 열화 우라늄 합금
미국이나 러시아 등 일부 국가에서는 텅스텐보다 쉽게 구할 수 있는 열화 우라늄(Depleted uranium) 합금을 관통체에 사용하고 있다. 그러나 중금속으로서의 독성이나 잔류 방사능이 전투원이나 현지 주민에게 건강 피해를 입힌다는 의견도 있다 (걸프 전쟁 증후군 참조).[6]열화 우라늄 합금은 관통할 때, 선단 외연부가 단열 전단에 의해 조기에 탈락하기 때문에 날카로워지는 "셀프 샤프닝 효과"(Self sharpening effect)를 가진다. 이러한 특성으로 인해 1600m/s 정도 이하의 속도에서는 텅스텐 합금에 비해 천공이 작고, 관통 에너지가 깊이 방향으로 유효하게 작용하여 더 두꺼운 장갑판을 관통할 수 있다. 또한 장갑판을 관통한 후, 파쇄되거나 미세화된 파편이 운동 에너지의 열 변환에 의해 용융·소이 효과를 발생시켜 적을 무력화하는데 더 효과적이라고 여겨진다.
열화 우라늄 합금은 열화 우라늄을 주체로 하고, 0.75% 정도의 티타늄이 더해진다.
| 항목 | 값 |
|---|---|
| 밀도 | 18.5g/cm3 이상 |
| 충격파 속도 | 4.9kg/sec (티타늄 0.6%, 입자 속도 1.5km/sec) |
| 충격 임피던스 | 약 91 (밀도 × 충격파 속도) |
| 인장 강도와 신장 | 700N/mm2에 12% 이상[17] |
6. 성능
APFSDS는 기존 철갑탄보다 빠른 속도로 더 큰 관통력을 갖는 포탄으로, 1960년대에 실용화되었다. APFSDS의 발사 시 초속은 대개 1,500m/s 이상이다. 고속 충돌에서 관통체(탄심) 끝부분이 소성 변형을 일으키면서 관통이 발생하며, 관통체는 끝부분부터 닳아 없어져 길이가 줄어든다. 장갑 두께에 비해 길이가 충분하지 않으면 구멍만 남고, 충분하면 남은 부분이 장갑 내부에 들어가 피해를 입힌다.
APFSDS의 관통 모델은 1967년과 1966년에 Tate 및 Alekseevskii에 의해 독립적으로 제안되었다.[14][15] 이 모델들은 관통체와 장갑의 거동을 유체역학적으로 다루어 관통 성능을 예측하며, 관통 성능 상한은 장갑 강도에 크게 의존하고 관통체 강도에는 크게 의존하지 않는다. 관통체 길이당 관통 깊이는 충돌 속도에 따라 변하며 상한이 존재하고, 이 상한은 관통체와 장갑의 밀도 비의 제곱근으로 결정된다.
1995년, Anderson 및 Walker는 APFSDS의 관통 모델을 연속체 역학적으로 다루어, 기존 철갑탄과 APFSDS를 통일적으로 취급하는 모델을 제안했다.[16] 텅스텐 합금탄은 850m/sec 이상, 강철 관통체는 1,100m/sec 이상의 속도가 없으면 관통체 소모를 동반하는 관통이 멈추고, 소모되지 않는 관통 양식으로 전환된다.
APFSDS는 착탄 시 속도, 관통체 길이, 좌굴되지 않기 위한 인성, 연성이 관통에 필요하다. 착탄 속도가 너무 낮으면 기존 철갑탄보다 관통력이 떨어진다.[17]
장갑 관통력은 균질압연강 장갑(RHA) 관통 가능 두께로 표현된다. RHA는 21세기 현재 오래된 장갑 기술이지만, 병기 제조사들이 잘 알고 있는 소재이기에 관통력 비교에 적합하다. 120mm 활강포용 APFSDS는 500~1,000mm 정도의 RHA를 관통할 수 있다.
APFSDS 침투 성능은 밀도에 크게 의존한다. 강철제 침투체는 같은 길이의 텅스텐 합금, 열화 우라늄제 침투체보다 관통력이 절반 정도이다. 열화 우라늄제 침투체는 1,600m/s 정도의 속도에서 셀프 샤프닝 효과로 텅스텐 합금제 침투체보다 10% 정도 관통력이 우수하다.[22] 그러나 열화 우라늄과 텅스텐 합금의 밀도는 동일하여, 더 고속에서는 관통력이 비슷해진다.[22]
APFSDS와 같이 침투체가 소모되는 침투는 침투 깊이가 충돌 속도에 대해 상한이 있다. 따라서 운동 에너지당 침투 깊이 최대화를 위해 고속화가 반드시 최적은 아니며, 최적 속도가 존재한다.[23] Odermatt 계산에 따르면,[23][24] 현용탄은 1,500m/s 전후에서 착탄하지만, 텅스텐 탄심은 2,000m/s 정도에서 천공 효율이 최대가 되고, 침투 깊이는 점차 작아진다. 열화 우라늄은 1,600m/s 강도에서 천공 효율이 최대가 되며, 그 이상 속도에서는 텅스텐과 마찬가지로 침투 깊이는 작아진다.[17][23]
21세기 현재 전차의 대전차용 포탄은 대부분 APFSDS이다. 성형작약탄(HEAT)도 대전차용 탄약이지만, 복합장갑에는 APFSDS에 비해 성능이 떨어진다.
| 정식 명칭 | 구경 [mm] | 침투체 재료 | 침투력 [mm] (RHA 환산, 거리 2,000m, 사각 0도) | 원 개발국 |
|---|---|---|---|---|
| BM-6 | 115 | 강철 | 236 (U-5포) | 러시아 (소비에트 연방) |
| M735 | 105 | 텅스텐 합금・강철 | 318 (L7포) | 미국 |
| DM23 (M-111) | 105 | 텅스텐 합금 | 342 (L7포) | 이스라엘 |
| DM33 (M-413) | 105 | 텅스텐 합금 | 413 (L7포; 추정) | 독일 |
| DM33 (M-413) | 120 | 텅스텐 합금 | 460 (L44포) | 독일 |
| M464 | 76 | 텅스텐 합금 | 230 (M32포) | 미국 |
| 3BM48 | 125 | 열화 우라늄 | 600 (2A46포) | 러시아 |
| M829A2 | 120 | 열화 우라늄 | 700 (L44포) | 미국 |
| APFSDS-T Mk II | 40 | 텅스텐 합금 | 135※1,000m (L70포) | 스위스 |
| DM53 | 120 | 텅스텐 합금 | 650 (L44포) 810 (L55포) | 독일 |
| M690A1 | 90 | 텅스텐 합금 | 300 이상 | 벨기에 |
| M1060A3 | 105 | 텅스텐 합금 | 460 (L7포) | 벨기에 |
| 3BM69 | 125 | 열화 우라늄 | 1,000 (2A82포) | 러시아 |
6. 1. L/D비
L/D비는 길이(Length)/직경(Diameter)로 나타내며, 관통자의 길이와 직경의 비율을 의미한다. 현대 APFSDS의 L/D 비는 20~30 정도이거나 30을 넘어가기도 한다.[3] L/D비가 클수록 관통력이 높아지는 경향이 있다.| 구경 (mm) | L/D비 | 원 개발국 | 취역 연도 |
|---|---|---|---|
| 115 | 5 | 러시아 (소비에트 연방) | 1961년 |
| 105 | 10 | 미국 | 1970년대 중반 |
| 105 | 10 | 이스라엘 | 1978년 |
| 105 | 20 | 1987년 (NATO) | |
| 120 | 20 | ||
| 76 | 15 | 미국 | 1980년대 후반 |
| 125 | 22 | 러시아 | 1991년 |
| 120 | 18 | 미국 | 1993년 |
| 40 | n/a | 스위스 | 2001년 |
| 120 | 30 | 2001년 | |
| 90 | n/a | 벨기에 | 2002년 |
| 105 | 29 | 벨기에 | 2004년 |
| 125 | n/a | 러시아 | 2005년 |
6. 2. 포구 속도
날개안정분리철갑탄(APFSDS)의 포구 속도는 제조사, 포구 길이 및 유형에 따라 다르지만, 일반적으로 1,400~1,800m/s 범위에서 작동한다. 미국의 제너럴 다이내믹스 KEW-A1의 포구 속도는 1,740 m/s이다.[13] 이는 M16 소총에서 발사된 5.56mm 탄환의 포구 속도(약 914 m/s)와 비교된다.목표물 재료 강도를 극복하는 데 필요한 최소 충격 속도 이상에서는 관통자의 길이가 충격 속도보다 더 중요해진다. 예를 들어, 초기 모델인 M829는 최신 모델인 M829A3보다 거의 200 m/s 더 빠르게 비행하지만, 길이는 절반에 불과하여 최첨단 장갑을 파괴하기에는 부적합하다.
침투의 물리에서 언급했듯이, APFSDS와 같은 침투체가 소모되는 침투에서는 침투 깊이가 충돌 속도에 대해 상한이 존재한다. 따라서 APFSDS에서는 운동 에너지당 침투 깊이를 최대화한다는 관점에서 고속화가 반드시 최적은 아니며, 최적의 속도가 존재한다.[23] Odermatt의 계산에 따르면,[23][24] 현용탄은 1,500m/s 전후에서 착탄하지만, 장래 고속탄이 실현되더라도 텅스텐 탄심의 경우 2,000m/s 정도에서 천공 효율이 최대가 되며, 침투 깊이는 점차 작아진다. 열화 우라늄의 경우 1,600m/s 강도에서 천공 효율이 최대가 되며, 그 이상의 속도 영역에서는 텅스텐과 마찬가지로 침투 깊이는 작아진다.[17][23]
| 정식 명칭 | 구경 (mm) | L/D비 | 침투체 재료 | 포구 초속 (m/s) | 원 개발국 | 취역 연도 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| BM-6 | 115 | 5 | 강철 | 1,615 | 러시아 (소비에트 연방) | 1961년 |
| M735 | 105 | 10 | 텅스텐 합금・강철 | 1,501 | 미국 | 1970년대 중반 |
| DM23 (M-111) | 105 | 10 | 텅스텐 합금 | 1,455 | 이스라엘 | 1978년 |
| DM33 (M-413) | 105 | 20 | 텅스텐 합금 | 1,465 | 독일 | 1987년 (NATO) |
| DM33 (M-413) | 120 | 20 | 텅스텐 합금 | 1,650 | 독일 | 1987년 |
| M464 | 76 | 15 | 텅스텐 합금 | 1,433 | 미국 | 1980년대 후반 |
| 3BM48 | 125 | 22 | 열화 우라늄 | 1,700 | 러시아 | 1991년 |
| M829A2 | 120 | 18 | 열화 우라늄 | 1,750 | 미국 | 1993년 |
| APFSDS-T Mk II | 40 | n/a | 텅스텐 합금 | 1,500 | 스위스 | 2001년 |
| DM53 | 120 | 30 | 텅스텐 합금 | 1,650 | 독일 | 2001년 |
| M690A1 | 90 | n/a | 텅스텐 합금 | 1,345 | 벨기에 | 2002년 |
| M1060A3 | 105 | 29 | 텅스텐 합금 | 1,560 | 벨기에 | 2004년 |
| 3BM69 | 125 | n/a | 열화 우라늄 | 2,050 | 러시아 | 2005년 |
7. TPFSDS
TPFSDS는 육상자위대의 일본 국내 훈련장이 좁아 APFSDS 실탄 훈련을 할 수 없기 때문에 개발된 훈련탄이다. 텅스텐 탄체와 동일한 비행 특성을 나타내지만, 목표 명중 또는 일정 거리를 비행하면 탄체가 3분할(정확히는 5분할)되어 급격히 감속함으로써 좁은 훈련장에서의 실탄 훈련을 가능하게 한다.
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