방아쇠를 당기면 총알은 앞으로 날아가고, 총은 쏜 사람의 어깨를 뒤로 칩니다. 이 짧은 순간에 일이 하나 더 남습니다. 약실에 남은 빈 탄피를 빼고 다음 탄을 넣는 일입니다.
오랫동안 그 일은 사람의 손이 했습니다. 그 뒤 총 설계자들은 한 발을 쏠 때 이미 생기는 힘을 빌려 쓰기 시작했습니다. 뒤로 미는 반동, 그리고 화약이 타며 생기는 가스입니다. 두 가지 길이 어떻게 갈렸는지 맥심의 기관총에서 오늘날의 M-4 카빈까지 따라가 봅니다.
총알이 나가면 총은 뒤로
먼저 총이 왜 뒤로 밀리는지부터 봅니다. 물체의 질량에 속도를 곱한 값을 운동량(momentum)이라고 합니다.
p = m × v
p는 운동량, m은 질량, v는 속도입니다. 바깥에서 받는 알짜 힘이 없는 계를 고립계라고 하는데, 고립계에서는 물체가 몇 개든 전체 운동량이 변하지 않습니다.
쏘기 전의 총과 총알은 둘 다 멈춰 있으니 운동량의 합이 0입니다. 쏜 뒤에도 합은 0이어야 합니다. 그래서 총알이 앞으로 운동량을 얻은 만큼 총은 같은 크기의 운동량을 뒤로 얻습니다.
같은 일을 힘으로도 설명할 수 있습니다. 총은 총알을 가속하려고 힘을 주고, 그 결과 크기가 같고 방향이 반대인 힘을 돌려받습니다. 이것이 총의 반동(recoil), 흔히 말하는 킥입니다. 로켓이 나아가는 원리와 같은 뉴턴 셋째 법칙입니다.
작은 배 위에서 무거운 공을 앞으로 힘껏 던지면 배가 뒤로 밀리는 것과 비슷합니다. 실제 총은 조금 다릅니다. 쏘는 사람이 어깨로 총을 받치고 있으니 총만 떼어 놓은 고립계가 아니고, 어깨가 바깥 힘을 더합니다.
손으로 다음 탄을 넣던 시절
한 발을 쏘고 나면 빈 탄피가 남습니다. 오랫동안 이것을 빼내고 새 탄을 넣는 힘은 쏘는 사람의 손에서 나왔습니다.
브라우닝 소장품을 기계 유산으로 소개한 미국기계학회(ASME) 자료가 한 예를 듭니다. 1886년형부터 이어진 레버 액션 소총은 방아쇠 뒤의 레버를 움직여 빈 탄피를 빼고 새 탄을 약실에 넣었습니다.
20세기 초 미 육군의 주력 소총은 M1903이었습니다. 1898년 미국-스페인 전쟁 동안 스프링필드 조병창은 새 주력 소총을 개발하기 시작했고, 새 소총은 독일 마우저 액션을 바탕으로 했습니다. 1903년 생산이 시작되어 1936년까지 조병창에서만 100만 정 넘게 만들어졌습니다.
레버 액션 같은 총은 한 발마다 사람이 한 번씩 움직여야 합니다. 다음 탄을 넣는 힘을 총 스스로 얻을 수는 없을까요? 답은 방금 본 두 가지, 반동과 가스에 있었습니다.
반동이 일을 대신하다
첫 번째 길은 반동입니다. 하이럼 맥심(Hiram Maxim)은 1884년에 기관총을 개발했습니다. 이 총은 한 발마다 생기는 반동의 힘으로 다 쓴 탄피를 빼내고 다음 탄을 끌어들이게 했고, 손잡이를 돌리지 않아도 총열 하나로 탄을 이어서 쏠 수 있었습니다.
이 방식은 이름 그대로 반동 이용(recoil operation)이라고 부릅니다. 호주 전쟁기념관이 가진 1917년 에르푸르트 표시가 새겨진 MG 08/15도 맥심 계열로, 소장품 기록에는 짧은 반동(short recoil)으로 작동한다고 적혀 있습니다.
반동 이용은 기관총에만 머물지 않았습니다. 미국의 총기 설계자 존 브라우닝(John M. Browning)의 자동 5 산탄총은 탄이 총열을 떠날 때의 반동으로 다시 장전했고, ASME 자료는 같은 원리가 산탄총, 소총, 권총에 두루 쓰인다고 설명합니다.
권총 쪽 예는 M1911입니다. 미 육군은 1911년 3월 이 권총을 채택했습니다. 미 육군 군사사 연구소의 글은 M1911의 짧은 반동 설계가 오늘날 거의 모든 자동 장전 권총의 바탕이라고 평가합니다.
화약 가스를 조금 빌려 쓰다
두 번째 길은 가스입니다. 탄약통 속 화약이 타면 팽창하는 가스가 생깁니다. 가스 작동(gas operation)은 그 가스의 작은 일부를 빌려 빈 탄피를 빼고 새 탄을 약실로 옮기는 방식입니다.
ASME 자료는 가스 작동 자동 화기의 개발을 19세기 화기 발전의 큰 돌파구로 꼽습니다. 브라우닝의 일은 거의 60년에 걸쳤고, 특허 128개와 100가지가 넘는 화기가 그의 것으로 꼽힙니다. 콜트 회사는 1895년 브라우닝의 첫 자동 기관총을 만들었습니다.
1차 대전에는 가스로 움직이는 기관총이 땅과 하늘에서 쓰였습니다. 미 육군 대령 아이작 N. 루이스(Isaac N. Lewis)가 설계한 루이스 경기관총은 가스로 작동하고 공기로 식히는 자동 화기였고, 1차 대전 동안 영국군과 호주군이 지상용과 항공기용으로 널리 썼습니다.
브라우닝 자동소총(Browning Automatic Rifle, BAR)도 가스로 작동했습니다. 1918년형으로 이름 붙은 이 총은 공기로 식히고 탄창으로 탄을 받는, 손에 드는 화기였고 1차 대전 맨 끝에 쓰였습니다.
반동과 가스는 결국 같은 질문에 대한 두 대답입니다. 한 발을 쏠 때 생기는 에너지 가운데 일부를 다음 탄을 넣는 데 돌려쓰는 것입니다. 반동 이용은 뒤로 미는 힘을, 가스 작동은 팽창하는 화약 가스의 일부를 씁니다.
개런드에서 M-4까지
소총 쪽 예는 M1입니다. 반자동 소총은 기관총보다 가볍지만 전통적인 볼트 액션 소총보다 빨리 쏠 수 있는 어깨 화기입니다.
스프링필드 조병창의 기술자 존 개런드(John Garand)는 1932년까지 M1이 될 반자동 소총을 특허 냈습니다. 이 총은 증기 기관처럼 팽창하는 가스를 써서 작동했습니다. 미 육군은 1936년 M1을 정식 채택했고, 해병대와 해군이 1940년까지 뒤를 따랐습니다.
M1은 1957년까지 M-14로 바뀌었습니다. M-14는 개런드가 스프링필드에서 개발을 도운 총입니다. BAR는 2차 대전과 한국전쟁에서 많이 쓰였지만, 1960년대에 M14와 M16 소총이 나오며 쓸모를 잃었습니다.
그다음 세대는 M-4 카빈입니다. 미 육군은 1990년대 중반에 베트남 전쟁 시기의 M-16 소총을 더 가볍고 작게 만든 M-4를 배치하기 시작했습니다. 2008년 미 의회조사국(Congressional Research Service, CRS) 보고서는 M-4를 보병 부대의 주된 개인 화기로 적었습니다.
가스 방식 안에서도 갈리는 길
가스를 쓴다고 길이 하나는 아닙니다. 같은 CRS 보고서는 M-4가 직접 가스 방식(direct gas impingement)을 쓴다고 적었습니다. 이 방식은 쏜 탄에서 나온 탄소를 총의 몸통(receiver) 안으로 불어 넣고, 그 탄소가 고장으로 이어질 수 있습니다.
다른 길은 피스톤입니다. 2008년 보고서에 따르면 미 특수작전사령부(USSOCOM)는 M-4를 SCAR라는 소총으로 바꾸고 있었습니다. SCAR는 짧은 행정 피스톤(short-stroke piston) 방식이라 탄소가 되불려 오지 않고, 보고서는 이것이 이론상 신뢰성을 높인다고 썼습니다.
육군도 이 문제를 살폈습니다. 2010년까지 고쳐 낸 판에는 M4 카빈 개량 계획이 검토할 개선 가운데 하나로 직접 가스 방식을 피스톤 가스 방식으로 바꾸는 일이 들어 있습니다.
에너지를 어디서 얻는지는 같아도, 그 에너지를 어떤 길로 보내느냐에 따라 총 안에 남는 것과 고장 가능성이 달라질 수 있습니다. 1880년대에 시작된 질문이 2000년대 의회 보고서에서도 이어진 셈입니다.
다음에 읽을 글
- 외탄도: 포탄은 공기 속을 어떻게 날아갈까: 총구를 떠난 탄이 공기 속에서 어떻게 날아가는지 봅니다.
- 기관총의 역사: 맥심에서 오늘날까지: 이 글에서 잠깐 본 맥심과 루이스, 브라우닝의 기관총을 더 길게 따라갑니다.
- 전자기 레일건: 전기로 물체를 가속한다면: 화약 가스 대신 전기의 힘으로 탄을 밀어내는 다른 방식을 봅니다.
- 레이저, 요격미사일, 방공포: 서로 어떤 역할을 나눌까: 탄을 쏘는 무기와 빛을 쏘는 무기가 방어에서 어떻게 일을 나누는지 봅니다.