1. 개요
성형작약(成形炸藥, shaped charge)은 탄두 내의 폭약을 오목하게 성형하여 폭발에너지를 특정한 방향으로 집중시킨 지향성 폭약의 일종이다. 폭발력이 사방으로 퍼지는 일반적인 고폭약(high explosive)과 구별된다. 작게는 박격포탄부터 크게는 대전차고폭탄이나 대전차미사일같은 화학 에너지탄에까지 다양하게 적용되며, 기본적으로 폭발물이기에 대인용으로도 사용이 가능하다.2. 원리
글로 설명하자면 다음과 같다.
1. 폭약의 앞부분을 안쪽으로 솟은 고깔모양으로 판다.
2. 고깔 모양의 폭약 표면에 구리와 같은 금속 물질을 붙인다.
3. 포탄이 착탄하면 신관이 작동, 폭약이 폭발한다.
4. 폭약의 폭발력으로 원뿔 고깔 모양의 금속 물질이 메탈제트 관통자로 변형되어 바깥쪽으로 뒤집어져 날아간다.
5. 메탈제트가 송곳처럼 앞에있는 장갑을 관통한다.
6. 그 뒤로 메탈제트 + 폭압 + 관통할 때의 진동으로 박리된 장갑 파편이 전차 내부를 헤집는다.
2. 고깔 모양의 폭약 표면에 구리와 같은 금속 물질을 붙인다.
3. 포탄이 착탄하면 신관이 작동, 폭약이 폭발한다.
4. 폭약의 폭발력으로 원뿔 고깔 모양의 금속 물질이 메탈제트 관통자로 변형되어 바깥쪽으로 뒤집어져 날아간다.
5. 메탈제트가 송곳처럼 앞에있는 장갑을 관통한다.
6. 그 뒤로 메탈제트 + 폭압 + 관통할 때의 진동으로 박리된 장갑 파편이 전차 내부를 헤집는다.
3. 특징
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화약의 폭발력을 집중시켜 즉석으로 초고속의 관통자를 만드는 특성 때문에 성형작약탄은 무게와 부피에 비해 관통력이 매우 우수하다. 또한 피탄면의 경사각에 따라 관통력이 유동적인 철갑탄과는 달리, 성형작약의 메탈제트는 경사각에 거의 구애받지 않고 일직선으로 관통하는 경향이 있으므로 언제 어디에 맞든 일정한 수준의 관통력을 얻을 수 있다는 장점이 있다.
탄두의 회전속도에 따른 영향을 받기 때문에 강선포에서 발사하면 관통력이 저하된다. 회전 때문에 메탈제트가 분산되기 때문이다. 이러한 점 때문에 강선포에서 발사되는 성형작약탄은 강선포용 날탄과 마찬가지로 탄자의 회전을 막는 슬립 링을 부착하여 강선의 영향을 상쇄해준다.
탄속은 성형작약탄의 관통력에 전혀 영향을 주지 않기 때문에 보병이 들고 쏠 정도로 작게 만들기 쉬워서 1940년대부터 대전차고폭탄으로서 보병의 대전차화기로 적극 활용되었다.
장갑화된 목표물의 관통에 성공했다면 관통해 들어가는 초고속 메탈 제트와 함께 장갑판 후면이 박리되어 나온 파편으로 내부를 파괴한다. 다만 관통자가 가늘고 긴 제트 형태라 질량이 가볍기 때문에 무거운 금속 탄자의 운동 에너지로 장갑을 부수고 관통하는 철갑탄에 비하면 파괴력이 낮아 장갑 관통시 생성하는 파편의 양은 적으며, 특히 차량의 내부에 파편 방지대(스폴 라이너)가 설치되어 있다면 살상력이 급감한다.
메탈제트 관통자를 방어용으로 활용한 반응장갑으로 우크라이나제 노쉬 반응장갑이 있다. 내부 폭약이 반응하면서 형성한 메탈제트로 적 탄환을 타격하여 무력화하는 방식이다.
3.1. 장점
화학 에너지탄이므로 철갑탄과 같은 운동 에너지탄과 달리 위력을 높이는데 높은 운동 에너지가 필수적으로 요구되지 않기 때문에 굳이 무거운 금속 탄자를 빠르게 쏘기 위한 무겁고 긴 대전차포나 전차포에서 발사하지 않고도 위력을 낼 수 있는 무기다. 애초에 탄두가 피탄되어 폭발에만 성공한다면 탄두의 작약과 메탈 고깔의 설계에 의해서 위력이 결정되므로 발사한 포의 성능이나 발사 거리에 무관하게 위력을 지닐 수 있다는 장점이 있다. 덤으로 가볍지만 매우 빠른 메탈 제트의 특성 덕분에 운동 에너지탄보다 어지간해서 경사장갑을 상대로 강한 위력을 낼 수 있다.그래도 관통자의 위력이 날탄에 비해서 떨어지는 것이지, 대전차미사일이나 대전차로켓[2], 대전차 자탄[3] 같은 대전차화기의 탄두로는 아직도 독보적인 위치이며 구리-텅스텐 합금 등으로 라이너의 물성을 개선하는 등 개량도 활발히 이루어지고 있으며 대전차화기 말고도 어뢰 등 다양한 분야에서 사용되고 있어서 전망이 나쁘지는 않다.
위력이 일반 고폭탄보다는 약하지만 탄착시 폭발력의 70% 정도가 사방으로 흩어지기 때문에 고폭탄 대용으로 사용하기도 편리하다. 전차나 장갑차량이 실전에서 운용될 때는 보통 미리 포탄을 1발 장전해놓았다가 불시에 나타나는 적에게 즉시 사격을 하게 되는데, 날탄의 경우 관통력은 뛰어나지만 보병이나 트럭같은 비장갑물체에게 사격을 가할 때는 정확하게 명중하지 않는 한 큰 효과를 발휘하기 어렵고, 건물 같은 경우에도 내부 공간이 넓어서 그냥 작은 구멍만 내고 끝이다. 그렇다고 일반 고폭탄을 미리 장전하고 다니게 되면 적의 전차나 장갑차가 나타나더라도 포탄을 날탄으로 바꾸기엔 시간이 걸리고, 고폭탄으로 기갑차량을 일격에 격파할 확률은 낮으므로 먼저 쏘고도 반격당할 수 있다. 따라서 눈 앞의 위협이 뭔지 알 수 없는 전차는 두루두루 대응 가능한 대탄을 장전해놓게 된다.
거기다 보병이 들고 다닐 수 있는 무게의 대전차화기는 성형작약을 사용한 것들 뿐이다. 운동에너지가 중요한 철갑탄을 쏘는 대전차화기는 크기와 무게, 반동 문제로 보병이 휴대할 수 없지만, 표적까지 날아가기만 하면 되는 성형작약 탄두는 보병도 휴대 가능한 수준으로 만들기 쉽다. 위력이 약하다느니 쉽게 막힌다느니 하지만 일단 보병이 기갑 차량을 원거리에서 격파할 수 있는 화기를 가진다는 것 자체로 의미가 크다.[4] 여기에 어중간한 성능과 부족한 살상력을 충분히 메울 수 있는 작약량을 지닌 차량, 항공기 탑재 미사일에는 여전히 주력으로 쓰이고 있다.
이런 이유들로 인해 성형작약탄이 완전히 사라지기까지는 앞으로 엄청난 시간이 흘러야 할 것으로 보인다. 또한 내장된 폭발물의 폭발력에 의해 위력이 결정되는 무기이기 때문에 앞으로 현재보다 훨씬 부피당 위력이 강력한 신형 폭발물이 개발된다면 성형작약탄의 위력 역시 덩달아 증가하므로 잠재력은 매우 크다. 이것의 결정판이 바로 오리온 프로젝트에서 파생된 핵성형작약탄인 카사바 대포(Casaba-Howitzer)이다.
3.2. 단점
관통 특성에서도 알 수 있듯, 상대적으로 가벼운 질량의 메탈제트가 초고속으로 철판을 뚫어버리는 것이기 때문에 파편 발생량도, 장갑 관통 후 살상효과도 대질량의 탄체인 철갑탄에 비해 훨씬 부족하다. 대표적으로 파롤라 박물관의 T-55 관통 실험을 보면 차이를 실감할 수 있는데 큼지막한 구멍이 철갑탄이고 작은 구멍이 HEAT 탄이다. 이처럼 철갑탄의 경우 관통만 하면 어디에 어떻게 맞든 거의 예외 없이 차내 승무원이 1명 이상 죽거나 다치지만, 성형작약을 관통수단으로 하는 탄자는 차내 승무원 및 기자재 배치나 명중 지점에 따라서 살상 효과가 크게 떨어져서, 사상자 한 명 내지 못하고 심지어 차량의 전투력조차 뺏지 못하는 경우도 있다. 전차 승무원도 방탄복을 입는 미군의 경우 방탄복 덕분에 생환하는 경우도 있을 정도. 특히 2세대 전차부터는 점착유탄 대책으로 적용되기 시작한 차내의 파편방지대 라이너는 성형작약에 의한 차내살상 효과를 거의 절반 이하로 떨어뜨린다. 차량 격파율도 철갑탄에 비해서 낮아서 중동 내전의 구 소련 계열 전차를 시원하게 날리는 영상과 다르게 오버홀 후 재투입되는 경우가 굉장히 많은편이다. HEAT탄 방어를 위해 복합장갑이 개발된 이후에도 철갑탄에 비해서 복합장갑 대응력이 떨어진다.여기에 탄두가 정상에서 조금이라도 변형되면 메탈제트가 제대로 형성되지 않아 성능이 격감하며, 메탈제트가 제대로 생성되기까지의 초첨거리까지 필요하기 때문에 작은 요인에 의해 성능이 큰 폭으로 깎이기 쉽다. 반응장갑이나 슬랫아머가 이러한 개념에서 나온 것들이며 이밖에 각종 차량 외부 부착물, 각종 군장이나 공구상자, 심하면 통나무나 콘크리트로 만든 조잡한 공간장갑 방호재에도 어이없이 막히는 경우가 있다.
더군다나 대전차고폭탄에 대응하기 위해 전차에 대 HEAT 질량효율 3.0 이상을 우습게 뽑아내는 복합장갑, 반응장갑이 도입된 이후로는 운동에너지탄 계열의 날개안정분리철갑탄(Armor Piercing Fin-Stabilized Discarding Sabot, APFSDS)에 의해 대체되어 전차의 대전차포탄으로서의 지위가 많이 약화되었다. 또한 어중간한 사이즈의 대전차화기는 그냥 장갑이 약한 상부를 타격하는 쪽으로 방향을 바꾸고, 메탈제트보다 살상력이 훨씬 강한 EFP를 탑재하는 쪽으로 가고 있다. 서방측의 대표적인 대전차미사일인 TOW의 경우 TOW-2A는 성형작약 탠덤탄두을 사용했으나, TOW-2B는 수직 아래 방향을 보게 나란히 배치된 두 개의 EFP 탄두가 탑재되어 전차의 상부를 공격하는 방식으로 변경되었다.
메탈제트 형성을 위한 금속 라이너가 들어가는 내부 구조상 고깔 라이너 앞과 탄두 신관 사이는 채울 수 없는 빈 공간이기에 작약량이 자연스럽게 줄어들어서 다른 고폭탄/유탄 탄종보다는 폭발력이 떨어진다. 본질적으로 HEAT는 전차포용 120mm 쯤 되어도 깔대기형 라이너 구조 때문에 작약이 1kg 미만 들어가는 반면 통짜 플라스틱 폭약 덩어리인 120mm 구경 점착유탄은 작약량이 3kg 급은 된다.
허나 여전히 폭발물이 들어가고 작약 양이 일반 고폭탄이나 유탄보다 적다고 하더라도, 대전차미사일이나 전차포탄 급은 물론 비교적 가벼운 대전차로켓 탄두 정도면 폭발 시 주변의 인명 살상에는 문제가 없는 수준이다. 실전에서도 효율 문제 때문에 굳이 일반 고폭탄으로도 가능한 폭발 방사 피해를 입히는데 성형작약탄을 쓰지 않는 것이나, 급한 경우라면 급한대로 사용하는것이다. 그리고 작약이 비교적 적어서 폭발력이 낮은건 애초에 메탈제트를 형성하는게 주된 목적인 만큼, 대전차 용도로 쓰는게 아니면 일반 고폭탄을 대신 쓰면 되기에 큰 문제는 아니다.
4. 오해
세간에는 메탈제트가 수천도의 고온이라서 장갑판을 녹이는 것이고, 관통 후에는 전차 내부에 고열의 폭풍을 일으켜서 승무원을 구워 죽이며 심하면 전차를 폭파시킨다는 낭설이 퍼져 있으나, 관련 연구에서도 메탈제트의 온도는 최대 1200K가량에 불과한 데다가[5][6] 메탈제트 자체가 초속 7km가 넘는 극초음속으로 장갑을 관통하기 때문에 제대로 열을 전달할 수도 없다. 오히려 경유 등 폭발성이 낮은 연료는 아예 메탈제트가 뚫고 지나가도 화재가 나거나 폭발하지 않으며, 이 점을 이용해 에이브람스는 장갑을 보조하는 역할을 하게 의도적으로 연료탱크를 차체 전면에 배치했다.[7]게다가 메탈제트가 고온 상태인건 맞지만 많은 금속의 녹는점에는 안정적으로 도달하지 못하기 때문에 이 메탈제트 자체도 폭발의 열 때문에 녹은 것이 절대 아니다. 그저 고체 상태의 금속 입자들임에도 한 곳에 집중된 폭발력에 의해 매우 강력하고 빠르게 쥐어짜여서 액체처럼 움직이는 것 뿐이다. 즉, 수천 도의 메탈제트가 장갑을 녹이는 것은 완전한 개뻥이다. 그냥 수압절단기(waterjet cutter)가 철판을 절단하듯 초고속, 초고압의 메탈제트가 장갑을 관통하는 것뿐이다. 같은 이유로 관통자로 이용할 금속 깔때기의 재료를 연신률이 낮은 금속으로는 만들 수 없다. 쥐어짜이기 이전에 그냥 깨져서 파편화되기 때문이다. 이런 문제는 EFP에도 동일하게 적용되어서, 강철판이나 알루미늄 등으로는 관통자를 만들 수 없다.
또한 메탈제트의 관통으로 인해 전차 내부에서 발생하는 폭압 역시 순간적으로 수십kPa 가량의 음압을 발생하는 정도에 불과하다.[8][9]
월드 오브 탱크 등의 영향 때문에 공간장갑이 성향작약탄을 크게 약화시키고, 물리탄에는 별 영향을 끼치지 못한다는 상식이 퍼져 있지만 완벽하게 정확하지는 않다. 성형작약탄의 관통력은 메탈제트의 질량과 속도에 비례하는데 공간장갑 정도의 거리로는 메탈제트의 속도가 줄어들지 않는 건 맞지만, 외부장갑판을 관통하면서 메탈제트 입자가 흩어지기 때문에 공간장갑의 거리로도 주장갑에 닿는 유효한 제트 입자의 질량이 줄어들어 일단 관통력이 저하되는 효과를 볼 수 있다.자료 구체적으론 구식 탄두나 보병이 쏘는 성형작약탄 수준의 작은 탄두에는 얼추 맞아들지만, 120~125mm급의 대구경 전차포에서 발사되거나 미사일에 들어간 대형 탄두를 상대로는 공간장갑 수준의 거리에서는 효과가 매우 떨어진다.#1#2
성형작약탄에서 폭발이 집중된다는 사실만 가지고 성형작약탄이 메탈제트를 뿜어내는 일종의 주사기나 로켓같다는 오해도 있으나 그 정도까지는 아니다. 성형작약탄에서 폭발이 한곳으로 집중되는건 맞으나, 애초에 폭발로 인해 탄두 통도 터져나가기 때문에 폭발력 자체의 대부분은 폭약 그 자체처럼 주변으로 날아간다. 때문에 폭발의 일부가 집중되어 뿜어진다는 것을 제외하면 그냥 고폭탄과 동일하기 때문에 성형작약탄의 신관이 작동하면 주사기처럼 작약통이 그대로인 상태에서 메탈제트를 뿜어내는게 아니라, 작약통도 함께 폭발하면서 앞으로 메탈제트가 뿜어진다. 즉 100% 폭발이 주변으로 영향을 주는 고폭탄 만큼은 아니어도 여전히 근접 피해를 입힐 수 있다.
폭발은 급격한 압력의 변화이다. 한 점에서 폭발이 일어나면 방향에 관계없이 사방으로 이 압력이 튀어나간다. 여기서 성형작약은 작약을 고깔 모양으로 배치(성형)해서 형상에 따라 자연스럽게 이 압력이 금속에 사방에서 큰 압력을 가해 쥐어짜게 만든 물건일 뿐, 금속이 있는 걸 보고 압력이 서로 '금속 쪽으로만 퍼지자' 라고 합의를 하지는 않는다. 그러므로 고깔 바깥으로도 이 압력, 즉 폭발력은 가까이 있는 사람에겐 충분히 일반 작약이 터지는 것만큼 위험하다. 다만 성형작약은 관통을 목적으로 하기 때문에 작약의 종류, 배치 및 이에 따른 살상력에 있어서 다른 목적을 가진 고폭탄과 차이가 나는 것일 뿐이다.
5. 미디어
이우혁의 파이로 매니악에서도 '쉐이프 차지'라는 이름으로 활용되기도 했다. 이쪽은 사제 바주카탄으로 지프를 날려버린다. 소형 버전으로 국K-1을 잡기도 함. 이와 정반대인 셀프 포징도 4권 등장 예정이었지만 연중당했다.스타크래프트 2에서는 캠페인에서 크루시오 공성 전차의 무기고 업그레이드로 등장. 아군에게 가는 방사피해를 75% 줄여준다. 포탄에 탑재된 센서가 아군을 식별해서 아군이 있는 쪽으로는 파편을 덜 보낸다고.
영화 퓨리의 마지막 전투에서 퓨리의 포탑에 판처파우스트 60m이 명중하자 메탈 제트가 그레이디를 관통하고, 그레이디는 곧 사망한다. 하지만 퓨리 자체는 완전히 격파되지 않아서 나머지 승무원들은 전투를 계속한다.
월드 오브 탱크에선 주로 대구경 주포에 사용되며 포신이 짧은 전차나 고속철갑탄을 기본으로 장착하는 전차에게도 주어진다. 관통력이 높고 거리에 따른 관통력 감소가 없지만 대전 이후 개발, 사용했던 전차에 탑재되는 경우가 아니라면 일반적인 탄들보다 탄속이 느리며 고폭탄처럼 맞는 자리에서 작동되기 때문에 부서지는 장애물을 만나면 즉시 터져 무효화되고 궤도나 공간장갑을 만나면 해당되는 두께만큼 관통력이 무효화되어 버린다. 또한 각각 5도와 2도의 입사각보정을 받는 철갑탄과 고속철갑탄과는 달리 입사각보정이 없으며 3구경법칙도 적용받지 않는다. 반면 절대도탄각의 영향을 받지 않아 도탄각을 준 경장갑 전차도 관통력 빨로 뚫을 수 있다.
워 썬더에서도 주로 단포신 대구경의 전차와 고랭크의 전후전차들에서 사용할수있다. 고증에따라 75mm, 105mm 단포신이나 152mm 야포 뿐만 아니라 88mm/L56등의 성형작약탄을 사용한적있는 대부분의 주포에서 사용가능하다. 고랭크전차들은 HEAT-FS, 날개안정식 대전차고폭탄을 사용할수있다. M47, M103, 레오파드, T-54등으로 일반적인 대전차고폭탄보다 곧은 탄도와 빠른 탄속, 높은 관통력을 자랑한다.
페이데이 2에서는 함정용으로 설치하는 C4를 'Shaped charge'라는 스킬을 찍음으로써 금고나 문 등을
갑철성의 카바네리에서는 주인공 이코마가 카바네라는 적들에 대응하기 위한 살상용으로 성형작약탄 발사기를 개발한다.
배틀필드 3 캠페인에서 M1 에이브람스를 타고 PLR 기지를 공격할 때 날탄에서 HEAT로 바꾼다.
GTFO의 지뢰 설치기는 성형 폭약을 사용한다.
6. 관련 항목
비슷하지만 메탈제트가 아닌 구리 깔때기 자체를 변형시켜 발사하는 물리적인 EFP가 있다.[1] 해당 효과는 미국인 먼로가 발견하고 독일인 에곤 노이만(Egon Neumann)이 완성한 효과로, 이 때문에 미국에선 '먼로 효과', 독일에선 '노이만 효과'라고 하며 보편적으론 성형작약효과, 중공작약효과 등으로 불린다. 이중 에곤 노이만은 오목한 부분에 구리로 만든 깔때기를 대어놓을 경우 폭발 시 집중되는 충격파에 라이너가 길게 늘어나며 메탈제트 송곳으로 변화, 두꺼운 철갑판도 관통할 수 있다는 사실을 발견했다.[2] 이걸 써야하는 플랫폼(보병, 경장갑차)에 쓸게 이거 말고 없기도 하다. 전차를 뚫을 날탄을 발사하는 경장갑차를 만들 바에 전차를 한대 더 생산하는게 낫기 때문.[3] MLRS 등.[4] 보병이 대전차화기를 가지고 있는것만으로도 전차는 보병측에 측면을 보이는 것에 부담을 가질 수밖에 없다. 실격파 당할 가능성이 낮다곤 하더라도 전차 승무원들은 자기 단차가 굉폭할 가능성이 있는 코인토스를 해야한다는 사실 자체에 위축되기 때문.[5] Alistair Doig, "Military Metallurgy", IOM communications Ltd.(1998) p.52[6] 구리의 녹는 점은 1358K이다. 철이 1535도에서 녹는다.[7] 그 이유로 후방 연료탱크의 연료를 먼저 사용한다.[8] Horsfall et al., "Shaped Charge Attack of Spaced and Composite Armour", 23rd International Symposium on Ballistics (Tarragona, Spain, April 2007) p.1286[9] 수십kPa의 음압은 대략 180dB 정도에 해당한다. 소총의 총소리가 165dB, 섬광탄의 폭음이 170dB 정도인 것을 생각하면 상당한 시간 동안 청각을 상실하고 균형감각에 이상이 생기는 수준의 엄청난 폭음이지만 생명에 치명적인 수준은 아니다.[10] 고속철갑탄의 특성상 도탄확률은 낮아도 경사장갑에 대해 원래 관통력이 급감한다. 분리철갑탄은 이러한 문제를 어느정도 해결.