이 글을 읽기전에 먼저 이런 잡담을 하게된 이전 글들을 읽어 보시면 좋을 것 같습니다.

• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #1 - 이야기의 발단
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #2 - 이야기의 가정
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #3 - 이야기의 시작
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #4 - 본격적인 이야기
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #5 - 초광속비행
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #6 - 광속엔진
• 외계인과 우주전쟁을 한다면 #7 - 우주전함의 무기체계

앞에서 우주전함의 주포에 관하여 언급 했었는데, 이러한 우주전함의 주포는 "Directed Energy Weapon" (지향성 에너지 빔 무기)라고 부를 수 있다. 이런 종류의 무기에 해당 하는 것에는 레이저(Laser Beam), 입자 빔(Particle Beam), X-ray Laser 와 같은 마이크로파 무기, 플라즈마 (Plasma) 등이 있다. 초광속 비행 이나 광속 엔진 등에 비하면 이 쪽 분야는 상당히 많은 연구가 이루어진 편인데, 가장 체계적인 자료를 찾을 수 있는 것이, 레이건 대통령이 1983년에 발표한 Strategic Defense Initiative (SDI) 프로젝트에 관한 자료 들이다. 이 프로젝트에는 우주에서 사용가능한 직사무기 체계가 포함되어 있는데, 이것을 통해 우주전함의 주포가 어떤 모양이 될것 인가 예상 해볼 수가 있겠다.

"우주전함 야마토" 에서 파동포를 발사하는 장면

마이크로파 무기

고강도 마이크로파 무기는전자장비나 단위 전자 부품을 파괴하고 기능을 손상시키는 비살상 전자파무기의 일종이다. 주로 EMP 라는 이름으로 게임이나 영화에 많이 등장하는 무기로, 전자 장비를 파괴하거나 전자기 장비 사용의 방해가 가능한 공격무기와 방어무기체계로 이용이 가능하다. 마이크로파의 특성은 인명이나 건물등 구조물에 피해를 주지않으면서 전자 장비를 파과할 수 있으며, 광범위한 지역을 동시에 공격할 수 있다. 기후의 변화에 무관하며 두꺼운 방호벽을 투과 할 수가 있다. 안테나의 구조와 방향 조정이 가능하여 투사 범위를 조정할 수 있으며 마이크로파의 강도를 조절할 수도 있다.전파의 특성상 사정거리가 수 만 Km 에 이르며, 공급에너지의 보충에 따라 무한정으로 사용이 가능하며 재발사의 비용이 거의 없다. (레이저나 입자빔은 발사하기 위한 준비 시간이 필요하므로 한번 발사 한 후에 다음 발사까지 시간이 걸린다)

고출력 레이저 무기

레이저는 기본적으로 출력이 높은 빛을 집적하여 특정 목표에 에너지를 전달하는 방식의 공격을 수행한다. (특성상 몇초동안 목표를 가열하여 파괴하는 방식이 주를 이룬다) 지향성이 우수하고 광속으로 전파되며, 전파특성이 영향을 받게 되기 때문에(빛의 특성상 파장을 가지기 때문에 파장에 따라 대기투과 효율이 다르다) 목표의 종류 및 레이저가 전파되는 공간의 특성에 따라 적합한 레이저를 사용하여야 한다. 현재 세계적으로 연구가 진행중인 유도탄 요격용 레이저는 대부분 화학레이저로서 레이저 발생에 필요한 에너지를 화학 반응을 통해 공급한다. 지상에서는 불화중수소(DF: Deuterium Fluoride) 레이저, 공중에서는 산소-요오드 레이저(COIL: Chemical Oxygen-Iodine Laser), 우주에서는 불화수소(HF: Hydrogen Fluoride) 레이저가 적합한 것으로 알려져 있다. 선진국의 경우에 화학레이저는 무기체계에 활용 가능한 정도의 출력(MW급)을 달성한 단계이며, 무기체계 응용을 추진 중이고 정확도 및 기동성 등을 향상시키는 연구가 주를 이루는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 25 kW 레이져는 수백 km 원거리에 있는 적 무기체계의 센서를 파괴시킬 수 있고, 3~4km의 거리에있는 금속판에 구멍을낼 수 있으며, 출력이 100kW에 이르면 수십 km에 있는 목표를 파괴시키기에 충분하다. 전기 구동 방식의 고체 레이져(SSL, Solid State Laser) 기술은 현재 출력 100kW 미만에 머물러 있다.

입자 빔 무기

입자 빔 무기는 입자를 가속시켜 발사 하여 목표를 타격 하는 무기이다. 입자빔 속의 개별 입자는 입자의 무게와 속도에 상응하는 운동 에너지를 보유하고 있게된다. 입자빔에 사용되는 입자의 종류로는 양자,전자나 수소 입자등이 있으나 전기적인 중성인 중성자나 수소 입자가 우주에서 지구 자장이나 대기권 하전 입자와의 간섭을 받지 않으므로 지향성 특성이 탁월하여 입자빔의 매체로서 사용될 가능성이 높다. 고속의 입자빔이 목표물에 도달하게 되면, 입자의 운동에너지가 목표물의 원자 및 분자 구조와 충돌하여 운동에너지가 열에너지로 변환되면서 고열이 발생, 목표물이 파괴된다. 특성상 입자빔 무기는 앞에서의 다른 에너지 빔 무기들에 비하여 비교적 강력한 파괴력을 가질 것으로 예상된다. 관련글 : 입자 빔 무기에 대한 이해

입자빔 무기는 대기권 내에서 사용되는 하전 입자빔 무기체계와 외기권인 우주에서 사용될 중성자빔 무기로 대별되며, 대기권내의 입자빔 무기체계는 강력한 가속 에너지원과 매우 정확하게 빔의 특성을 조정하는 기술이 요구되며, 외기권 중성자 빔 체계는 가속문제는 거의 기술적인 애로가 없으나 외기권에서 원거리에 위치한 지상의 목표물에 정확하게 빔의 초점을 일치시키는 문제가 기술적인 장애로 부각되고있다.

또한 입자빔의 가속장치는 보통 100 내지 500 m 이상의 가속거리를 필요로하기 때문에 적당한 길이의 가속장치를 개발하여야 하는 기술적인 어려움이 있으며, 입자빔 가속에는 순간적으로 수 백 내지 수천만 와트의 전력이 필요하므로 이러한 동력장치 또한 개발이 필요하다.

자 후보가 될 만 한 것들을 몇가지 살펴 보았는데 이 중에 우주전함의 주포로 가장 적합해 보이는 것은 입자 빔 이다. 빔 무기중에 파괴력이 가장 뛰어나며 적당한 길이로 개발된 가속장치는 긴~ 주포의 포신 부분이 될것 같다. 입자 빔에 비하면 고출력 레이저는 포신이 필요 없으며, 입자 빔에 비하여 위력이 떨어지므로, 부포 또는 방어용 무기로 사용 되는 것이 적합해 보인다. 마이크로 파 무기는 ECM 이나 미사일 방어용 무기로 사용 될 듯 하다.

아래의 글은 1983년 당시 레이건 대통령이 Strategic Defense Initiative (SDI) 프로젝트를 발표하고 나서 Dr. Richard M. Roberds 가 1984년에 조사한 내용이다. 양성자 빔이나 중성자 빔의 원리 대한 자료를 찾다가 비교적 정확해 보이는 자료를 찾게 되어 앞부분에 해당하는 내용을 간단히 번역해 보았다. 물리용어나 군사용어 들이 많고, 영어 사전에도 없는 단어들이 간혹 있어서 오역한 내용이 있을 수도 있으며, 정확한 번역 보다는 필요한 문맥 만 읽어보고 입자 빔의 원리를 이해하는 것을 목적으로 하였기 때문에 의역이 많으니  참고하여 읽으시기를..

원문출처: Introducing the Particle-Beam Weapon

소련의 ICBMS 에 대항하여 최신무기로 방어하자는 레이건 대통령의 제안이 논란을 불러일으키고 있다. 이와 같은 방어 시스템은 개발하는데 돈이 많이 들고, 위험요소가 많은 기술이며, 개발 되더라도 가격에 비하여 효율이 떨어진 다는 주장과, 최신 기술을 계속 개발 하여야 한다는 주장이다. 이런 무기를 개발 할 수 있고, 효과적으로 배치 할 수 있다면 이것은 국가안보적으로 중요한 일이다. 이런 무기가 가능 하다면 먼저 개발하는 것은 소련이 아니라, 미국이 되어야 한다.

빔무기를 사용하면 ICBM 공격을 방어할수 있는 가능성을 높일 수 있다. 빔무기는 "탄환"이 필요없고, 거의 빛의 속도를 가진다는 특징이 있기 때문에, 빠르게 움직이는 목표를 효과적으로 저지할 수 있다. 우주에서 수천 킬로미터의 긴 거리를 타격 할 수도 있다.

그리고 치사량의 에너지를 초단위로(또는 100분의 1초 단위로) 전송 할 수 있다. 탄약도 필요없고, 파워 제너레이터를 위한 연료만 있으면 된다.

빔무기에는 크게 세가지 종류가 있다 : 마이크로파 빔무기, 고 에너지 레이저, 입자 빔. 마지막 두가지만 정부의 지원을 받았다.

고 에너지 레이저 (HEL)를 이용한 무기는 20년 이상 개발 되었으며, 어느정도 수준있는 결과들을 내고 있다.

반면에 입자 빔 (PBW)의 연구는 최근까지 잠잠 했지만 Advanced Research Projects Agency (현재는 DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency)로 불리움) 의 협찬으로 프로젝트가 시작되어 1960년에 첫번째로 시연하게 되었다. 코드네임 Seesaw인 이 프로젝트는 입자 빔을 탄도미사일을 방어에 사용할 수 있는지 조사하는 것이 목적이다. 입자빔은 레이저에 비하여 살상력이 더 높을 것으로 예상된다.

입자 빔의 성공적인 개발을 위하여 서는 여러 분야에서의 상당히 수준높은 기술의 연구가 필요하다. 이 글은 입자 빔 에 대한 기본적인 이해를 도와, DOD와 국방위원회의 (입자빔 개발)결정에 도움이 되기 위하여 작성한다.

입자 빔이란 무엇인가?

입자 빔은 다른 빔무기 와 에너지가 전달되는 방식에서 다르다. 몇가지 작동방식이 있지만, 공통적으로 입자 빔 무기는 원자 또는 입자를  (충분한 양의  에너지를 공급해서) 빛의 속도에 가까운 속도까지 가속시킨 다음, 매우 강한 에너지 빔으로 모아서  발사하는 방식이다.

현재 빔에 사용되는 입자는 전자,양성자, 또는 수소 원자이다. 수소 원자는 원자들 중에 가장 작은 원자 인데 이 수소 원자의 핵이 양성자 이다. 수소 원자는 하나의 양성자와 하나의 전자를 가지며, 핵의 무게는 전자의 2000배에 해당하며, 양성자와 전자는 각각 + 와 - 의 전기값을 가진다.

입자 빔은 우리가 잘 알고 있는 자연현상인 "번개"와 비슷한 현상이다. "번개" 에서는 '전자'에 해당하는 입자들이 - 전기값을 가지는 구름으로 부터 + 전기값을 가지는 구름이나 지구의 한 부분으로 흐르게 된다.  "번개"에서 전자들은 미터당 50만 볼트 정도로 가속되며, 이 값은 입자 빔 보다 적은 값이지만 전자의 갯수가 훨씬 더 많기 때문에 자주 더 파괴적인 결과를 가져온다.

빔무기로 사용한다는 목적을 고려해 보면 수소원자는 중성값을 가지기 때문에 수소입자를 사용하는 방식은 지구 자기장의 영향에 민감하지 않고, 빔안에서 같은 값을 가지는 입자들간의 상호 반발력 때문에 확산되기 쉬운 성질도 없기 때문에 빔 무기로 사용하기에 적합하다. (대기중에서는 공기분자와 충돌하여 자연적으로 중화될 것이다)

입자 빔이 목표를 파괴하는 방식은 빔에 주입된 에너지를 목표에 전달하는 방식이다. 빔안의 입자들이 목표를 이루고 있는 물질의 원자,양성자 또는 전자와 충돌하면 빔안의 입자가 가지고 있던 에너지가 목표의 입자를 통과하게 된다. 마치 당구공끼리 충돌 하듯이 말이다. 그 결과 목표는 굉장히 높은 온도까지 급속하게 뜨거워진다. 이것은 어떤물체가 폭팔하는 광경과 동일하다. 목표가 폭팔 할 만큼 충분한 에너지라면 말이다. (이것이 꼭 파괴를 의미하는 것은 아니다)

입자 빔의 원리를 전기적 특성으로 설명 하는 부분 생략 (앞부분의 번개와 비슷 하다는 설명으로 충분 할 듯)

입자 빔 무기의 종류

입자 빔 무기에는 크게 양성 또는 음성 입자를 사용하는 빔 무기와 중립 입자를 사용하는 빔 무기 두가지 종류가 있다. 대기중(내기권)에서 사용하기 위한 양(음)성자빔을 개발 하는 것과 우주(외기권)에서 사용하기 위한 중성자빔을 개발 하는 것은 전혀 다 기술들이 필요하다. 먼저 충분히 높은 동력이 필요하고, 우주에서 운영 되는 것과 달리 대기중에서 특징을 정의 하는 것이 필요하다. 내기권에서 사용되는 고출력 동력부와 입자가속기를 개발 하는 것은 매우 위험도 높은 기술에 의존하게 된다.

외기권용 무기에서도 상당한 기술적인 문제들이 있다. 하지만 내기권용 무기 보다는 어렵지 않다.  외기권용 빔 무기는 수천키로 떨어진 목표에 에너지를 집중하여 맞출 수 있어야 한다. 그러기 위해서는 첫째, 무기가 높은 강도로 만들어져야 하고, 중성자 빔은 입자 가속기 부분에 하찮은 문제가 남아 있다. 둘째, 목표를 조준할 수 있는 시스템이 필요하다. 이 시스템은 빔의 오차를 보정 할 수 있어야 한다. (이것을 포착 하는 것은 매우 힘들다) 그리고 필요한 경우 빗나간 것을 목표로 방향을 변경 하여야 한다.

내기권과 외기권에서 사용되는 입자 빔 무기는 차이가 있기 때문에 두가지 다른 종류의 무기체계가 필요하다. 하지만 기초적인 부분에서의 개발은 두가지 다 동일하다.

입자 빔 무기를 위한 개발 영역

이 부분은 구체적인 기술 영역을 설명 하는 부분이므로 그림 한장으로 대체, 나머지 부분 모두 생략