탄도학; 탄의 발사, 비행궤도

탄도학(彈道學, Ballistics)이란 글자 그대로 탄이 날아가는 궤적인 탄도(Ballistic)를 다루는 학문이다. 탄도학은 총이나 포로 발사되는 탄약과 로켓, 미사일로 발사되는 비행체(탄두, 탄자, 탄체, 발사체)가 움직이는 거동에 대해서 다루는 학문으로서 발사 초기 탄이나 로켓의 속도가 빨라지는 가속단계에서부터 관성비행 중의 비행궤도(Ballistic), 최종 목표물 충격 시까지 운동과 운동에 영향을 미치는 힘들에 대해서 다룬다. 그런데 일반적으로 탄도(Ballistic)란 탄이 날아가는 길, 즉 탄이 비행하는 궤도를 말하고 탄도학(Ballistics)이란 탄의 비행을 포함한 탄도에 대해서 다루는 학문이다.

탄도학의 시작은 총이나 포에서 발사되는 탄두에 대해서 추진제, 바람, 중력, 온도, 지구의 자전 등 여러 조건과 운동을 다루는 것이었으나 로켓과 미사일에 의한 비행장치의 운동, 조정을 다루는 것까지 포함는 과학기술로 확장되었다. 탄도학은 인공위성, 우주탐사선과 같은 우주발사체의 발사와 이것에 대한 궤도를 분석하는 일까지 포함하고 있다.

총이나 포에서 다루는 탄도학은 발사 시 가속되는 단계에서의 총이나 포 내에서 화약의 연소, 그 때 발생하는 압력과 탄의 운동에 대해서 다루고(강내 탄도), 중간단계로서 비행 중에 외부의 바람이나 공기 밀도 등에 따른 저항, 비행안정성(강외 탄도), 마직막 단계로서 최종 목표물 충격시에 충돌물체와 탄 간에 발생하는 거동(종말탄도)에 대해서 다룬다. 화약폭발에 의해 일어나는 총/포의 강내, 즉 총강과 포강에서 발생하는 복잡한 기류, 발사 후 강외에서 비행 중에 일어나는 공기역학적인 모든 현상 등을 미적분학과 물리학을 이용해 분석하여 비행체가 목표지점에 안정적으로 도달할 수 있도록 하는 것이 탄도학이다. 

탄도학은 총과 포의 발달로 비행체(탄체, 발사체)의 운동이 빨라지고 역학이 발전함에 따라 진보되어 왔다. 처음 총이나 포가 만들어진 당시에는 발사된 탄약은 공기의 저항 등으로 인해서 전복모멘텀이 발생하여 비행이 불안정하였고 따라서 명중율이 현저히 떨어졌는데 탄도학적 접근으로 이를 해결하게 되었다. 발사되는 탄두에 회전을 주거나 날개를 부착하여 비행안정성을 유지하고 명중율을 개선하였다. 

이처럼 탄도학은 총, 포, 로켓, 탄도미사일 등 무기 발달과 인공위성, 우주발사체 등의 우주과학 발전에도 크게 기여하였다. 현재 대부분의 비행체(탄체 또는 발사체)는 고도의 기술과 수많은 실험을 필요하다. 특히 탄도학이 다루는 분야는 고속, 고압의 매우 엄혹한 환경이므로 전산유체역학과 같은 프로그램을 통해 확보된 데이터를 분석하고 복잡한 물리적, 수학적인 수치를 해석해 탄도를 예측하고 있다.

탄도학은 크게 강내 탄도학, 강외탄도학, 종말탄도학으로 구분할 수 있고 각각은 다음과 같다.

 

강내 탄도학

 : 총이나 포의 강내에서 일어나는 현상을 다루는 탄도학으로 대부분 화약(추진제)에 의한 압력, 충격파 등의 기류를 분석하여 비행체(탄두, 발사체)의 운동을 다룬다. 아래 그림은 7.62MM×51 NATO탄약(녹색 점선)과 7.5MM×55 SWISS탄약(적색 및 청색실선)의 강내 압력과 탄두의 속도를 나타낸 그래프이다. 그래프를 보면 초기에 화약의 연소로 인해 압력이 높아졌다가 낮아지고 탄두가  총강(Barrel)의 끝쪽(길이가 증가)으로 갈수록 속도가 빨라지는 것을 알 수 있다.

 

 

<강내압력 및 탄두 이동속도 관련 선도>

강외 탄도학

 : 총강이나 포강을 벗어난 비행체(탄체, 발사체)의 비행간에 일어나는 현상을 다룬다. 비행체가 비행 중 받는 중력, 바람, 저항, 회전 등의 영향으로 발생하는 힘과 이 힘이 비행에 미치는 영향을 다룬다. 다음 그림은 이러한 결과로 나타난 최종 비행탄도를 나타낸 것이다. 그래프는 가로축이 사거리이고, 세로축이 고도를 나타내고 발사되는 각도별로 최대고도와 사거리를 보여준다. 그래프에서 45도 각도로 발사할 때 가장 긴 사거리를 가지는 것을 알 수 있다. 이것이 일반적으로 말하는 탄도비행이다.

 

 

<발사각도별 최고 고도 및 사거리 선도>

종말 탄도학

 : 비행체(탄두)가 목표물에 도달 후 목표물 내에서 탄자의 운동과 목표를 어떻게 파괴하는가를 다루는 탄도학이다. 아래 그림은 소총탄이 수지조직(유기체)를 파괴하는 형태를 나타낸 그림이다. 탄두의 끝이 날카로울수록 파괴가 일어난 직경이 작고 탄두앞의 버섯 모양의 각도가 커질수록 파괴가 일어난 직경이 커지는 것을 보여주고 있다.

 

 

<소총탄의 목표물 관통 모습>