본 내용은 Children of a dead earth 게임 개발자의 블로그 포스트를 번역한 것이며 Reference로서 가치를 지니지는 않습니다.

Space Guns

이전 포스트, Misconceptions about Space Warfare, 에서 전투를 간략하게 살펴보았습니다.

일반적인 개념은, 충분한 delta-v가 주어진다면, 미사일과 드론은 주력함이 갈 수 있는 어떤 곳이라도 도달할 것이기 때문에 장거리 전투를 지배할 것이며, 적이 수십-수백 킬로미터 범위에 있는 중거리 전투는 투사체 무기가 우세하고, 마지막으로 레이져가 단거리에서 큰 위력을 발휘할 것이지만 중거리 정밀 타격에서도 쓰일 수 있다는 것이었습니다.

드론 포격을 받는 쪽의 모습. 간헐적인 도탄은 물리 효과에 의한 것이다.

오늘 우리는 투사체 무기에 대해 살펴볼 것입니다. 가장 널리 쓰일 투사체는 재래식 포(Conventional Guns) 레일건(Railguns) 그리고 코일건(Coilguns)입니다. 전자기 캐터펄팅 말고는 잘 사용되지 않는 리니어 모터(Linear Induction Motors) 또한 존재합니다 (레일건은 기술적으로 리니어 모터의 한 종류지만요).

투사체 무기의 핵심은 크게 두 가지입니다 : 얼마나 큰 투사체를 날릴 수 있느냐와, 그것을 얼마나 빠르게 발사할 수 있느냐 입니다.

그러나, 다른 고려사항 또한 존재합니다. 질량. 비용. 크기. 전력 사용. 냉각 속도 및 온도. 회전 속도와 포각. 적 공격에 견딜 수 있는 방어. 투사체 질량, 비용, 부피 그리고 휘발성까지. 이 모든 것들은 Children of a Dead Earth에서 고려해야 할 대상입니다.

발사중인 레일건. 배경은 가니메데이다.

무기들의 차이점을 비교하기 전에, 먼저 공통점부터 보도록 합시다.

모든 무기 디자인은 튜브 모양일 것이며 튜브를 따라서 투사체를 가속시킬 것입니다. 투사체 무기들은 한쪽이 고정된 Cantilever Beams 같을 것이고, 그러므로 무기는 발사할 때 진동할 것이며, 그것으로 인해 내재적인 부정확함이 발생함과 동시에 무기에 대해 가해지는 스트레스 너무 크다면 파괴될 수도 있습니다. 이것은 이 전 포스트인 Origin Stories 에서 다뤄졌던 난점입니다.

또 다른 고려사항은 운동량 보존 법칙을 위배하지 않는다는 전제 하에 모든 무기가 가질 반동입니다. 리코일 스트레스 또한 당신이 Recoilless Rifle 을 사용하지 않는 이상 무기에 분명한 피해를 가할 수 있으며 반드시 고려되어야 합니다.

무반동포는 배출구를 통하여 배기 가스를 내뿜으며 이 문제를 완화하지만 큰 우주선에 적용하기엔 까다로울 수 있습니다. 특히 터렛에 장착할 무기라면요.

무반동포의 도식.

Note: 무반동 레일건 또는 무반동 코일건은 아직 시도된 바가 없지만, 이론상으로는 가능합니다. 당신이 레일 또는 코일을 방출하고 싶다면요. 하지만 아마 그것은 달성하려는 목표보다 더 값비쌀 것입니다.

마지막 고려 사항은 냉각입니다. 위 3가지의 무기는 우주에서 무기의 길고 노출된 포신에 의한 radiative cooling 을 통하여 간단하게 냉각될 수 있습니다. 이는 사실 꽤나 효과적이며, 투사체 무기가 무기 자체의 포신을 제외한 별도의 냉각 장치를 필요로 하는 것은 이례적인 일입니다(당신이 무기 뒤쪽에서 전력을 공급하는 반응로를 제외하면 말이죠, 하지만 그건 다른 이야기입니다).

이제 차이점을 살펴볼 차례입니다.

재래식 포는 폭약을 폭발시켜 연소로 인한 가스로 튜브를 따라 발사체를 가속시킵니다. 이는 다소 연소성 로켓 추진체 위에 총알을 올려놓은것과 비슷하며 튜브는 가스를 잡아두기 위한 관에 불과합니다. 결과적으로 포신은 저렴하고, 폭발성 탄약 또한 저렴하며, 외부 동력이 필요하지 않습니다.

단점은 낮은 포구 속도(대개 2km/s 미만)와 탄약이 매우 휘발성이 강하다는 것입니다.

탄약고가 폭발하며 주력함을 절반으로 찢어놓은 모습. 화면에 폭발이 희미한 구형임에 주목하십시오. 우주에서의 폭발은 연소 후 밀리세컨드 안에 모든 섬광과 색깔을 잃어버립니다.

폭발성 탄약은 당신의 탄약고가 피격당했을 시에만 문제되는것이 아닙니다. 재래식 포는 레이저의 애정 공세 대상입니다. 레이저는 포신을 달궈, 포신 안에서 폭약이 폭발하게 할 수 있으며 그 과정에서 약해진 포신을 찢어놓을 수 있습니다.

레일건은 아마추어(전도체)를 사이에 둔 한 쌍의 레일들로 전류를 흐르게 하며, 전류 루프로 인하여 발생하는 Lorentz Force 로 전도성 투사체를 가속시킵니다. 레일건은 보통 훨씬 빠른 투사체 속도를 가지며(<10 km/s) 휘발성이 없는 탄약을 사용합니다. 한편, 작동하는데 큰 동력 소모를 하며 레일/포신 또한 훨씬 비싸고 커대합니다. 열과 마찰로 인한 삭마(ablation) 때문에 레일건은 작은 투사체에 적합하며 큰 투사체를 발사하는데 어려움을 겪습니다. 모든 사항이 고려된다면, 작은 투사체가 더 정확하게 만들기 쉽습니다.

위력적인 13 MW 코일건 디자인의 예시.

코일건은 연속된 전류가 흐르는 연속된 루프를 가지며 루프들로 인하여 형성된 자기장으로 전도성 탄약을 포신을 따라 가속시킵니다. 코일건은 레일건과 비교될 만한 투사체 속도를 달성할 수 있으며 탄약 또한 비휘발성입니다. 단점은 마찬가지로 큰 전력 소모이지만 코일/포신은 더 저렴하고 덜 거대합니다. 그 반면, 탄약이 매우 비쌉니다(Magnetic Metal Glass 같은 생소한 물질 대신에 훨씬 낮은 투사체 속도를 감수하며 철같이 저렴한 전도성 물질을 사용하지 않는다는 전제 하에).

레일건과 뚜렷하게 대비되는 점은, 코일건은 커다란 투사체에 더 적합하며, 작은 투사체를 발사하는 데 더 어려움을 겪는다는 점입니다. 이는 Magnetic Saturation 덕분으로, 전도성 투사체가 포화(Magnetically)되는 순간부터 훨씬 느리게 가속하며, 이는 더욱 더 큰 투사체를 발사하는 것 외에는 해답이 없습니다(포신을 늘리는건 이 문제를 완화시키지 않습니다).

이러한 이유들 때문에, 상기한 세 무기는 우주 전투에서 각자 적소(niche)를 가집니다.

재래식 포는 저렴하며, 미련없이 버릴 수 있는 드론과 커다란 동력원이 없는 작은 우주선에 유용합니다. 또한 작은 우주선은 높은 가속도를 이용하여 적에게 빠르게 접근할 수 있을 것이며 이로 인해 낮은 투사체 속도 때문에 낮은 사거리를 가지는 재래식 포의 단점을 상쇄할 수 있습니다.

재래식 포는 싸고, 저전력이며 작기 때문에 드론에 매우 적합하다. 뒷 배경은 세레스이다.

레일건과 코일건은 재래식 포에 비하여 서로 비교될만한 투사체 속도와 전력 소모를 가지며 주력함간의 싸움에 더 적합합니다. 레일건의 투사체는 더 작고, 덜 위력적이지만 더 정확합니다. 이는 레일건을 드론과 미사일을 요격하는 국지방어기 시스템으로 쓰기에 적합하게 만듭니다(레이저가 드론을 격추하는데 더 적합하긴 하지만요). 레일건은 또한 주력함의 기관포로서 널리 사용되며 Whipple Shields를 벗겨내거나 주 벌크헤드를 깎아내리는 데 매우 유용합니다. 크고, 비싼 탄약의 코일건은, 코일건의 질량을 감당할 만한 함선에 제한됩니다. 이들은 부정확하지만, 주력함 싸움의 강타자로서 활약합니다.

이상이 중-근거리 전투의 주요 구성요소입니다. 다양한 이유로 언급되지 않고 넘어간 투사체 무기 기술들이 있었지만 여기에서 언급하도록 하겠습니다.

전자기 친구보다 훨씬 부피가 큰 2단계 가스 총.

Light Gas Guns 은 레일건과 코일건과 비슷한 속력까지 도달할 수 있는 무기입니다. 이 무기는 수소 같은 가벼운 기체에서의 음속이 훨씬 높다는 점에 기반합니다. 이로 인하여, 투사체는 가스를 압축하고 있던 폭발성 피스톤에 의해 가벼운 기체에서의 음속까지 가속될 수 있습니다. 어떤 의미에서, light gas gun은 스프링 공기총과 비슷합니다, 대신 가벼운 기체를 이용할 뿐이죠. 이들은 또한 레일건과 코일건 같이 큰 동력원이 필요하지 않습니다.

단점은 그 자체의 큰 부피와 휘발성 탄약입니다. 매 발사마다, 피스톤을 때릴 폭약만 필요한 것이 아니라 투사체를 가속시킬 상당한 양의 가벼운 기체가 필요합니다

이 전 포스트인 Gasping for Fumes 에서 언급했던 것과 같이, 수소 같은 가벼운 기체는 끔찍한 밀도를 가지기 때문에 큰 부피를 차지합니다. 피격되면 폭발할 당신의 탄약고는, 엄두조차 낼 수 없을 정도로 커질 것이며, 우주전에서도 적합하지 않을 것입니다.

A Ram Accelerator

Ram Accelerators 는 연소성 가스를 통하여 투사체를 초음속까지 가속시킵니다. 스크램젯 기술을 이용하여, 무기는 튜브 속의 가스보다도 빠르게 투사체를 가속시킬 것입니다. 이는 재래식 포와 비슷한 장점을 가지며(저렴하고, 저전력) 포구초속은 레일건과 코일건에 비견될만합니다. 하지만 무기는 각 발사마다  상당한 양의 연소성 가스를 필요로 하며, light gas gun과 동일한 단점을 지닙니다.

An Explosively Formed Penetrator.

오늘날 널리 쓰이는 무기인 Explosively Formed Penetators 은 렌즈 모양으로 만들어진 많은 양의 폭약을 통해 메탈제트를 형성하여 타겟을 향해 발사합니다. 보통 탄두로서 많이 사용되지만(이 경우 성형작약으로 불립니다), 이는 장거리 무기로서도 사용 가능합니다. EFP는 페이로드를 사용할 수 없는 대가를 지불하며(폭발으로 형성된 투사체밖에 발사할 수 없으므로) 코일건 또는 레일건과 비견될 만한 투사체 속도를 가집니다. 큰 문제점은 재래식 포가 가진것과 같은 취약한 탄약고이며 더 큰 문제는 이 무기가 완벽한 레이저 미끼라는 것입니다.

무기는 크고, 폭약은 얇은 코팅물질로 덮여있기 때문에 레이저의 손쉬운 타겟입니다. 또한 폭약이 올바른 방식으로 터져야 하기 때문에 보호 장갑이 벗겨지고 난 다음에 레이저에 의해 유발된 기폭은 무기에 큰 손상을 가할 가능성이 높습니다*.

*Modern explosives can be made very stable, this is true. However, a partially dissociated explosive payload will detonate incorrectly, and at best shape the charge incorrectly and miss, and at worse, damage the weapon.

Helical Railguns 은 코일건과 레일건의 혼종입니다. 이 시스템들에 대한 논문은 매우 적고, 이 기술이 실용적인 형태로 만들어진 적도 없으며 한계와 장점 또한 자세하게 연구되지 않았기 때문에 제외되었습니다.

Nuclear Launched Projectiles 은 핵 폭발을 이용하여 투사체를 타겟에게 날립니다(한 실험은 입이 벌어지는 66 km/s를 달성하였습니다). 이 무기의 주된 문제점은 포가 주력함으로부터 최대한 멀리 떨어져야 한다는 점이기 때문에 본질적으로 1회 발사만 가능한 드론과 다를바가 없습니다. 해당 무기에 대한 연구 또한 적기 때문에, 전투에서의 실용성은 불분명하며, 아마 비용 대비 효과는 처참할 것입니다.

아직까지 엄청난 속도를 달성하는 데 유일하게 실용적인 방식으로 알려진 Voitenko Compressor

마지막으로, Voitenko Compressors 는 폭약을 통하여 가스를 충격파로 빚어내(shape a gas into shockwave) 투사체를 60km/s 또는 더 빠른, 엄청난 속도로 가속시키는 포 입니다. 이는 1960년대에 개발되었으나 격발이 무기 자체와주변을 초토화 시키기 때문에 별다른 진전을 보이지 못했습니다. 이 무기 또한 문제가 해결되지 않는 한 1회 격발 드론으로 그 사용처가 제한됩니다. 미래에, 이것이 여태까지 개발된 투사체 무기 중 가장 강력한 것이 될 수도있겠지만, 현재, 이는 실용적인 기술이 아닙니다.

이상 미래에 가능할 만한 투사체 무기들을 살펴보았습니다. 거의 대부분은 여기에 언급되지 않았는데 Children of a Dead Earth는 근미래를 배경으로 하기 때문입니다. 먼 미래의 기술들은 공학적 분석이 동일한 정도로 엄밀하게 적용되지 않으며, 그 때문에 기술의 한계, 스케일링 법칙, 그리고 실제 퍼포먼스에 대한 데이터가 존재하지 않습니다.

그러나 무엇을 쏘아야 하는 걸까요? 작은 무기에서조차 단순한 질량보다 더 많은 것을 발사할 수 있습니다. 당신이 페이로드, 작은 자이로젯, 또는 완전한 미사일을 발사하지 않더라도 여전히 투사체의 형상과 물질은 적에게 어떻게 피해를 가할 수 있는가를 크게 좌우합니다. 이는 미래의 포스트에서 다뤄질 것입니다.

사족 : Generally, I found that you have to put on a lot of armor to make guided projectiles useful. And that requires much bigger engines and much more propellant, and then you find that you are firing full blown missiles. Most projectiles weapons in the game tend to those two extremes, small dumb projectile, or much larger long distance missiles.