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국방홍보원

무기체계의 기본, 화약에 대한 모든 것

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■ 화약을 알면 무기체계가 보인다 ■ 

고대에서 현대에 이르기까지 전쟁을 빼놓고 역사를 논할 수 없다. 그만큼 전쟁사는 그 자체가 인류의 역사라고 해도 무방할 정도다. 전쟁에서 승리한 나라는 강대국으로 발돋움 했고, 그렇지 못한 나라는 역사 속에서 사라지거나 패전의 늪에서 허덕여야 했다. 그렇기에 각국은 국가의 명운을 위해 전쟁 승리에 역량을 쏟아부었고, 승패를 결정짓는 ‘무기’ 개발에 눈을 떴다. 


이 중 화약은 전쟁을 승리로 이끄는 중요 수단으로서 ‘화기의 시대’ 선봉장에 섰다. 창과 칼이 오가는 시대의 종말을 고한 화약의 개발은 1040년 송나라로 거슬러 올라간다. 


우리 민족의 전투에서 화약이 처음 위력을 발휘한 것은 고려시대 말 때 일이다. 1375년 최무선은 우리나라 최초로 화약을 개발해 1380년 진포해전과 1383년 관음포 해전에서 화포로 왜구를 섬멸하는 개가를 올리는 등 고려를 군사 강국으로 이끌었다.

■ 화약을 알면 무기체계가 보인다

 

화약은 기본적으로 무기에 사용된다. 만약 화약이 없다면 모든 총이나 포는 쇳덩이를 날리는 것에 불과하다. 아니 이것들을 날릴 수조차 없다. 그만큼 화약의 위력은 무기체계의 성능을 다 파악할 수 있는 중요한 요소다. 화약을 알면 무기체계가 그대로 보이는 것이다. 그렇기에 화약의 발전을 이끈 과학의 역할은 매우 중요하다.


화학반응 중 하나인 연소반응은 물질(연료)이 산소와 결합해 빛과 열을 내며 타는 현상이다. 그리고 폭발반응 역시 연소반응이 매우 빠르게 일어나는 현상이며, 이러한 폭발반응을 일으키는 물질이 바로 화약이다.


화약으로서 가장 오래 전 사용된 물질은 흑색화약으로 알려져 있다. 흑색화약은 자연으로부터 얻어지는 목탄, 초석(질산칼륨), 황의 혼합물이며, 흑색화약의 성분 중에서 목탄(, 탄소)은 연료가 되고, 초석은 목탄을 태울 산소를 내어놓는 산화제 역할을 한다. 이 때 황은 혼합물의 점화 온도를 낮춰주고 반응 속도를 높여주는 일종의 촉매로 작용한다. 하지만 과학 기술이 발전하면서 흑색화약과 같은 혼합물 형태의 화약시대를 지나 연료와 산화제 성분이 하나의 화합물 내에 존재하는 분자화약으로 개발되어 반응속도가 훨씬 더 빠르고 폭발력도 커지게 되어 화약 기술의 성장을 엿볼 수 있다. 예로서 TNT(TriNitroToluene)는 연료성분인 톨루엔(C7H8)3개의 니트로기(NO2)가 산소공급원으로 붙어있다.

■ 화약의 폭발을 이끄는

    ‘질량 보존의 법칙’


이처럼 화약의 큰 폭발력 뒤에는 ‘질량 보존의 법칙’이 숨어있다. 즉 한 덩어리의 화약은 반응할 때 같은 무게의 이산화탄소, 수증기, 질소 등의 기체로 변하게 되고, 또한 이 때 발생하는 열이 생성 기체를 가열해 화약 덩어리 부피의 수만배까지 팽창시켜 더 큰 압력을 형성하게 되는데 여기에는 ‘보일-샤를의 법칙(Boyle-Charle’s law)’이 적용된다. 이러한 과학 원리에 따라 화약은 금속 탄체를 산산조각 내서 멀리 비산시킬 수 있는 강한 폭발력을 발생시킨다. 

■ 화약의 폭발력을 좌우하는 반응속도


반응속도에 좌우되는 화약의 폭발력도 흥미롭다. 철이 서서히 녹스는 현상이 매우 느린 산화(연소)반응이라고 한다면 화약의 폭발반응은 수 마이크로초(10-6 초) 내에 일어나는 매우 빠른 산화반응이다.


여기서 놓치지 말아야 할 것이 있다. 화약이 위력적인 것은 높은 에너지를 함유하고 있어서가 아니다. 화약의 단위무게 당 에너지는 소고기 1㎏ 속의 에너지(열량)와 거의 동일하지만, 자동차 연료의 10% 정도에 불과하다. 쇠고기는 섭취 후 에너지화(소화) 되는 데 긴 시간이 소요되고, 자동차 연료는 서서히 타면서 에너지를 방출하지만 화약은 순식간에 에너지를 방출한다. 즉 더 많은 에너지를 갖고 있더라도 반응속도(폭발속도)가 다르면 위력이 다르다. 고폭화약의 폭발속도는 초당 6 ~ 9 km 정도이며, 같은 에너지를 갖더라도 반응속도가 빠르면 파편을 생성하고 날리는 속도가 커져 위력적이게 된다.

자발적인 화학반응의 에너지 다이어그램

화약의 반응을 과학 원리로서 ‘에너지 보존 법칙’으로 풀이할 수 있다. 


화약에 활성화 에너지(자발적 반응 진행을 위한 에너지) 이상의 에너지를 가하면 폭발반응이 일어나고, 화약과 생성물 간의 에너지 차이만큼의 에너지를 폭발적으로 방출하는 것. 이 때 생성물과 에너지 차이가 더 큰 화약이 폭발할 때 더 많은 에너지를 발산하는 원리다. 따라서 화약 연구자들은 화약에 에너지를 많이 담으면서 활성화 에너지를 높여 화약을 둔감하게 하는 데 많은 노력을 기울이고 있다.

고폭화약 둔감도 평가

고폭화약 둔감도 평가

고폭화약 둔감도 평가

고폭화약 둔감도 평가

■ 둔감 화약


TNT와 같은 분자화약은 탄에 직접 충전되지만, 대부분의 분자화약은 입자형태로 되어 있어 고분자 소재 등의 결합재로 혼합된 조성(composite) 형태로 탄에 충전된다. 이 과정에서 분자화약의 종류와 함량, 연료 성분으로서 알루미늄 등의 금속분말 적용 여부 등에 따라 화약조성의 성능과 안전도 특성이 달라지게 된다.


일반적으로 화약은 성능이 높을수록 자극에 민감하다. 즉 성능이 높은 만큼 대형 폭발사고의 위험성을 내포하고 있는 것이다.


대표적인 예로 지난 1967년 미해군 포레스탈 항공모함에서 일어난 사고다. 무장 장착중인 팬텀기에서 로켓이 발사되어 폭탄을 장착하고 출격 대기 중인 인근 항공기에 명중되면서 유출된 항공유에 의해 화재는 급속도로 번지게 되고 폭탄은 굴러다니면서 화염에 의해 폭발하게 된다. 이 사고로 무려 134명이 사망하고 49대의 전투기가 손실되는 등 막대한 손실을 입은 끝에 둔감화약의 필요성을 깨닫는 계기가 됐다.


둔감화약이란 화재에 노출되거나 총탄에 피격되어도 폭발반응을 보이지 않아 인접한 탄의 연쇄폭발을 방지할 수 있는 수준의 둔감성을 갖고 있어 유사시 아군의 피해를 최소화할 수 있다.

국방과학연구소에서 둔감화약에 대해 설명하는 이기봉 수석연구원

국방과학연구소 이기봉 수석연구원은 "새로운 고성능 화약물질을 개발하는 것 못지않게 탄약의 저장, 수송, 전장 운용환경에서 예기치 않은 사고로 가해지는 화재, 열, 충격 등의 외부 자극에는 폭발하지 않는 둔감한 화약을 개발하는 데 중심을 두고 노력 중"이라고 말했다. 

폐탄약의 에너지 물질 변환 기술 사례

폐탄약의 에너지 물질 변환 기술 사례

폐탄약의 에너지 물질 변환 기술 사례

■ 군사무기로서 화약의 미래는

 

그렇다면 차세대 무기가 잇따라 출현하는 미래에 화약의 역할은 무엇일까. 이기봉 수석연구원은 "과거와 달리 물량으로 적을 이기는 시대는 지났다. 단 정확한 타격이 중요한 만큼 정밀하고 위력이 큰 화약 개발이 추세"라며 "레이저포 및 비살상 무기의 등장으로 화약의 비중은 줄어들 수 있지만 화약의 역할은 분명하고 매우 중요하다"고 단언한다.
이어 "화학적 합성 관점에서 새롭고 획기적인 고성능 화약물질의 창출은 포화단계에 이르렀다"며 “기존 화약의 성능을 2~3배 높일 수 있는 새로운 화약물질 개발을 위해 물리화학적 합성 기법까지 동원하는 중이지만 아직은 요원한 상태”라고 덧붙였다.

※ 불꽃놀이는 화약이 아니다?

 

"불꽃놀이 때 터지는 것도 화약 아닌가요?"

우리가 흔히 화약에 대해 잘못 알고 있는 것이 도심의 밤을 수놓는 불꽃놀이 때 사용하는 폭죽을 화약으로 인식하는 것이다. 결론적으로 일부는 맞고 일부는 틀리다. 폭발반응을 보이는 측면에서 넓은 의미로 화약의 범주에 속하지만 앞에서 언급한 우리가 인식하는 고폭화약 개념의 범주에는 들어가지 않는다.


폭죽은 플래시 파우더(Flash Powder)라 불리는 금속혼합물을 코르다이트(Cordite)라 불리는 추진제 성분으로 혼합한 것으로 터뜨리면 폭음과 함께 사용되는 금속 종류에 따라 다양한 색을 연출하며, 이를 쏘아올리는 데는 주로 흑색화약이 사용되고 있다. 결론적으로 폭죽의 발사와 폭발은 고폭화약 대비 반응속도가 1/20 수준에 불과한 추진제의 빠른 연소반응으로 볼 수 있다. 

기사 : 노성수 기자

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