경량 가스총

경량 가스총(light-gas gun, 라이트 가스건)은 물리학 실험 장치이다. 이는 극도로 높은 속도를 생성하도록 설계된 고도로 전문화된 총이다. 일반적으로 운석에 의한 충돌구 형성이나 유성진에 의한 물질 침식과 같은 고속 충격 현상 (초고속 연구)을 연구하는 데 사용된다. 일부 기초 물질 연구는 고압을 생성하기 위해 발사체 충격에 의존하며, 이러한 시스템은 액체 수소를 금속성 수소 상태로 만들 수 있다.

작동 원리

경량 가스총은 스프링 피스톤 공기총과 동일한 원리로 작동한다. 큰 직경의 피스톤을 사용하여 가스 작동 유체를 가속될 발사체를 포함하는 작은 직경의 총열을 통해 강제로 밀어낸다. 직경의 이러한 감소는 지렛대 역할을 하여 압력을 감소시키면서 속도를 증가시킨다. 공기총에서 큰 피스톤은 스프링 또는 압축 공기로 구동되며, 작동 유체는 대기 공기이다.

경량 가스총에서 피스톤은 화학 반응(일반적으로 흑색화약)으로 구동되며, 작동 유체는 헬륨 또는 수소와 같은 더 가벼운 가스이다(헬륨이 작업하기 훨씬 안전하지만, 수소는 최고의 성능을 제공하며[아래 설명 참조] 발사관 침식을 덜 일으킨다). 경량 가스총이 공기총에 추가하는 한 가지는 파열판인데, 이는 밸브 역할을 하도록 세심하게 보정된 두께의 디스크(일반적으로 금속)이다. 디스크 뒤의 압력이 원하는 수준으로 올라가면 디스크가 찢어져 고압의 가벼운 가스가 총열로 들어갈 수 있다. 이는 발사체가 움직이기 시작할 때 최대량의 에너지를 사용할 수 있도록 보장한다.

경량 가스총은 일반적으로 단일 단계 및 2단계 경량 가스총으로 나뉜다.

그러한 단일 단계 경량 가스총 중 하나는 마케트 대학교, 밀워키, 위스콘신에 위치해 있다. 이는 최대 20 GPa 압력 영역에서 폴리머와 금속을 연구하는 데 사용되었다. 마케트의 경량 가스총은 PAI에서 제조되었으며 2015년에 인도되었다. 15피트, 2인치 평활 보어와 13피트, 2인치 슬롯 보어의 두 개의 총열을 가지고 있다. 슬롯 보어는 압력-전단 하중 및 복잡한 표적-플라이어 상호 작용을 허용한다. 최대 작동 압력은 10,000 psi로, 200g 발사체를 최대 1,200m/s로 발사할 수 있다. 표적 탱크는 일반적으로 평면 및 경사 충격 실험용으로 구성된다. 사격 후 분석을 위해 재료를 회수하기 위해 소프트 캐치 시스템이 자주 사용된다.
섬네일|450px|경량 가스총 다이어그램
1 — 폐쇄기
2 — 약실
3 — 추진제 장약 (흑색화약)
4 — 피스톤
5 — 펌프 튜브
6 — 경량 가스 (헬륨 또는 수소)
7 — 파열판
8 — 고압 커플링
9 — 발사체
10 — 총열
NASA에서 사용하는 특정 경량 가스총은 개조된 40mm 대포를 동력으로 사용한다. 이 대포는 흑색화약을 사용하여 고압 수소 가스로 채워진 대포 총열 아래로 플라스틱(일반적으로 HDPE) 피스톤을 추진한다. 대포 총열의 끝에는 5mm 총열로 이어지는 원추형 단면이 있다. 이 원추형 단면에는 약 2mm 두께의 스테인리스 스틸 디스크가 있으며, 중간 표면에 "x"자 모양의 홈이 파여 있다. 수소가 디스크의 홈 파인 부분을 파열시킬 충분한 압력을 발생시키면, 수소는 구멍을 통해 흐르고 발사체를 약 1미터 거리에서 의 속도로 가속시킨다.

NASA는 또한 에임스 연구 센터에서 에서 에 이르는 발사관 크기의 경량 가스총을 운용하고 있다. 위험한 테스트는 화이트 샌즈 시험 시설에서 수행된다. 이 총들은 1960년대 아폴로 계획 재진입 연구를 시작으로 최근에는 고속 열화상 촬영에 이르기까지 다양한 임무를 지원하는 데 사용되었다. 1km/s에서 최대 8.5km/s에 이르는 속도를 달성할 수 있다. 이들 중 가장 큰 것은 수소를 압축하기 위해  이상 나가는  직경의 피스톤을 포함한다.

섬네일|250px|아널드 공군 기지의 초고속 탄도 사격장에 있는 두 대의 경량 가스총.
아널드 공군 기지의 Range-G는 "미국에서 가장 규모가 큰 일상적으로 운용되는 2단계 경량 가스총 시스템"이다. Range-G는 보어 직경 에서 에 이르는 교체 가능한 발사관을 사용하며, 까지 나가는  피스톤을 사용한다.  구성의 경우 발사체 속도는 에 도달할 수 있으며,  발사대 구성의 경우 에 도달할 수 있다. 아널드 공군 기지의 사격장 시설의 주된 용도는 발사체 충격 시 방출되는 운동 에너지 측정이다.

설계 물리학
공기총, 화기 또는 경량 가스총의 총구 속도는 작동 유체(공기, 연소하는 흑색화약 또는 경량 가스)의 음속에 의해 제한된다. 음속까지는 열역학이 간단하고 근사적인 계산 방식을 제공한다. 발사체는 양 끝 사이의 압력 차이에 의해 가속되며, 이러한 압력파는 매질의 음속보다 빠르게 전파될 수 없으므로 열역학적 분석에 따르면 총구 속도는 음속으로 제한된다. 그러나 음속을 넘어서면 음속을 결정하는 기체 분자 운동론이 작동 유체를 구성하는 기체 입자 측면에서 더 자세한 분석을 제공한다. 운동 이론은 기체 입자의 속도가 맥스웰-볼츠만 분포를 따르며, 입자의 상당 부분이 기체의 음속을 초과하는 속도를 가진다고 지적한다. 발사체의 속도가 증가함에 따라 이 기체 부분은 발사체에 계속 압력을 가하여 음속을 넘어 발사체를 가속시킬 수 있다.

헬륨의 음속은 공기의 약 3배이며, 수소의 음속은 공기의 3.8배이다. 음속은 유체의 온도와 함께 증가하지만(압력과는 무관함), 따라서 작동 유체의 압축에 의해 형성되는 열은 가능한 최대 속도를 증가시키는 역할을 한다. 스프링 피스톤 공기총은 단열 가열을 통해 약실의 공기 온도를 높인다. 이는 주변 조건에서 마찰 및 기타 효율 손실을 극복하고 발사체를 음속보다 빠르게 추진할 만큼 국부적인 음속을 높인다.

하이브리드 전기열 경량 가스총
하이브리드 전기열 경량 가스총은 표준 경량 가스총과 유사한 원리로 작동하지만, 전기 아크를 추가하여 경량 가스를 피스톤만으로는 얻을 수 없는 더 높은 온도와 압력으로 가열한다. 아크는 경량 가스가 포함된 약실에 적용되어 온도와 압력을 높여 가스가 파열판을 파열시키고 피스톤 뒤의 추진제(점화를 위해 천공되어 있음)를 점화시키는 지점에 이르게 한다. 전기 가열과 피스톤 압축의 결과적인 조합은 표준 경량 가스총보다 더 높은 압력과 온도를 제공하여 더 많은 동력과 더 높은 잠재적 속도를 가져온다.Hybrid electrothermal light-gas gun and method, United States Patent 5,429,030 Tidman July 4, 1995

충격 프로필
섬네일|250px|이 운동 에너지 무기 시험에서 7g의 렉산 발사체가 경량 가스총에서 초당 23,000피트(7,000m/s; 16,000mph)의 속도로 주조 알루미늄 블록에 발사되었다.
경량 가스총으로 발사된 발사체가 표적에 충돌할 때 가해지는 압력은 발사체의 질량과 충격력이 분산되는 표면적 또는 단면에 따라 달라진다. 공기 중 발사체는 공기 분자와의 마찰을 경험하므로 발사체 표면적이 증가함에 따라 항력이 비례하여 증가하여 발사체의 표면적이 클수록 속도가 느려진다. 따라서 밀도가 높고 좁은 발사체는 가볍고 넓은 발사체보다 전반적으로 더 많은 압력을 가한다. 일정한 단면적을 가진 발사체를 살펴보면, 연구원들은 최근 발사체의 밀도를 길이에 따라 변화시키기 시작했다. 발사체가 알려진 속도로 이동하므로 길이에 따른 밀도 변화는 시간에 따른 충격 압력에 예측 가능한 관계를 가진다. 광범위한 밀도( 텅스텐 분말에서 유리 마이크로스피어까지)의 재료를 얇은 층으로 적용하여 신중하게 제작된 발사체를 사용하여 정압 실험 또는 제어된 압축-팽창-압축 시퀀스에 사용할 수 있다.

 같이 보기 
 연소 경량 가스총, 연소 가스를 추진제로 사용하는 고속 총.
 램 가속기, 유사한 발사체 속도를 달성하기 위해 다른 원리를 사용하는 고속 총.
 충격파관, 초고속 가스의 특성을 시연하는 데 사용되는 도구.
 보이텐코 압축기, 성형작약탄 구동 장치로 수소 가스를 사용하여 얇은 디스크를 약 40 km/s까지 가속시킨다.
 초고고도 연구 프로젝트
 우주 발사 총

 각주 

 외부 링크 
 로렌스 리버모어 국립 연구소의 가스총
 QuickLaunch (일명 TekLaunch)는 1km 수소총을 상업화하여 저궤도로 연료를 발사할 계획이다.
 초고속 이벤트에 실시간으로 반응하고 트리거 예측 기능이 있는 테스트 시퀀서 및 고속 카메라 컨트롤러

분류:탄도학