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미사일 방어 Missile Defense
BEMIL 군사세계
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이태호 (사)한국추진공학회 명예회장,
전 국방과학연구소 추진기관 연구개발 부장
미사일로 미사일을 격추하는 것은 공상 과학정도의 개념이었는데, 현재 이 시스템이 가동되고 있는 것은 실로 놀라운 일이 아닐 수 없다. 고대 전투에서 화살을 사용했을 텐데, 날아오는 화살을 예측하고 그 화살을 맞추는 화살을 쏘는 것과 비교할 수도 있을 것 같다. 전자와 후자, 어느 것이 더 쉬울까 생각해 본다.
짧은 시간 내에 적의 미사일 발사를 발견하고, 그 발사한 표적을 식별하고, 정확한 궤적을 계산하며 요격기를 발사하여 공중에서 위협을 파괴하도록 유도하는 일련의 과정이 필요하다. 이 때문에 미사일 방어 시스템을 개발하는 것은 공격용 미사일 시스템을 개발하는 것보다 당연히 어려운 일이다. 이러한 시스템을 구축한 나라는 미국, 러시아, 중국, 프랑스, 인도, 이란, 이스라엘, 이탈리아, 대만, 영국 등으로 알려져 있다. 21세기로 접어들면서 들어오는 탄도 미사일이 의도한 목표물을 타격하기 전에 요격하도록 설계된 미국의 패트리어트 미사일이 그러한 시스템의 가장 잘 알려진 예다. 페르시아 걸프 전쟁(1990-1991) 동안 패트리어트는 이라크 스커드 미사일의 위협에 대응하기 위해 이스라엘과 사우디아라비아의 TMD(Theater Missile Defence)에 사용되었다. 언급한 대로 미사일 방어는 세계의 여러 나라에서 갖추고 있고 개발하고 있는 상황인데 본 고에서는 우선 미국의 미사일 방어국에서 발표된 자료를 중심으로 특히 중거리, 중장거리 및 ICBM까지 방어에 대비하는 이지스 방어체계를 중점적으로 기술하였다.
* 출처 : wikipedia
미사일 방어 유형
미사일 방어는 요격 미사일의 타입이나 거리의 구분과 요격 탄도에 따른 구분으로 나누어지며, 크게 3가지로 분류할 수 있다. 그 첫 분류는 전략(Strategic) 미사일 방어다. 전략 미사일 방어는 사거리와 타입으로 구분해서 장거리 ICBM을 표적으로 약 7km/s(15,700mph)로 이동하는 부류에 해당한다. 여기에 속하는 것으로 모스크바를 방어하는 러시아 A-135, 아시아에서 발사되는 미사일을 방어하는 미국 지상 기반 미드코스 방어(Ground-Based Midcourse Defense), 그리고 ICBM으로부터 이스라엘을 방어하는 이스라엘 애로우(Arrow) 3가 해당된다.
두 번째는 전역(Theater) 미사일 방어다. 약 3km/s(6,700mph) 이하로 이동하는 중거리 미사일이 표적으로 전역 또는 전구라고 하는 ‘Theater’는 반경 수백 킬로미터의 군사 작전 지역을 의미하고, 이 지역을 방어하는 개념으로 여기에 사용되는 것으로는 이스라엘 애로우 2 미사일과 데이비드 슬링, 미국 사드(THAAD), 러시아 S-400이 포함된다. 전역 고고도 지역 방어(Theater High Altitude Area Defense)인 사드(THAAD)는 단거리, 중거리 및 중거리 탄도 미사일을 최종 단계(하강 또는 재진입)에서 요격하고 파괴하도록 설계된 미국의 탄도 미사일 방어 시스템이다. 사드 요격기는 탄두를 탑재하지 않고 대신 충격의 운동 에너지에 의존하여 들어오는 미사일을 파괴하는데, 사드는 현재 TMD에 사용하는 핵심 체계다.
*출처 : wikipedia
세 번째 분류는 전술 방어 미사일인데, 1.5km/s(3,400mph) 미만으로 이동하는 단거리 전술 탄도 미사일이 표적이다. 전술 대탄도 미사일 Anti-Ballistic Missiles(ABM)은 일반적으로 20-80km(12-50마일)의 짧은 사거리를 가지고 있다. 현재 배치된 전술 ABM의 예로는 이스라엘 아이언 돔(Iron Dome), 미국 MIM-104 패트리어트 및 러시아 S-300V가 있다.
*출처 : https://www.twz.com/6876/this-primer-on-midcourse-intercept-ballistic-missile-defense-is-marvelous
이상 언급한 내용을 요약한 것이 [그림 3]인데, 미국의 미사일 방어국(Missile Defence Agency)에서 발표한 개념도다. 그림의 오른쪽은 미사일 공격의 위험을 그리고 왼쪽은 미사일 방어를 나타내고 있는데 사거리 300-1,000km의 단거리에는 PAC-3로, 3km 전후의 중 장거리에는 사드(THAAD)와 AEGIS, 그리고 ICBM에는 GMD 시스템으로 대응하는 것을 묘사하고 있다. 즉 특정 범주의 탄도 미사일의 비행 프로필에 맞추어 일련의 센서와 요격기가 대응하는 것으로, 단거리 국지적 지역에는 MIM-104 패트리어트 미사일 포대가, 사드는 특정 분쟁 지역 내에서 중거리 탄도 미사일(MRBM : Medium Range Ballistic Missiles)을 제거하는 것을 목표로 하고 있다. 해상과 육지에 있는 AEGIS는 중장거리 탄도 미사일(IRBM : Intermediate Range Ballistic Missiles)을 요격하는 것이 위주다. ICBM에도, 탄두가 미국에 떨어지기 전에 제거하는 데 초점을 맞춘다. 즉, 미국의 거대한 지상 기반 장거리 요격기 시스템으로 대응하는 것이 잘 표현되어 있다.
미사일 탄도에 따른 요격
미사일 방어에 대한 요격을 미사일의 탄도를 중심으로 세 구분을 하기도 하는데, 첫째는 부스팅 단계에서다. 이것은 로켓 모터가 발사되는 때, 즉 발사 지역 상공에서 요격하는 것으로 밝고 뜨거운 배기 가스로 인해 탐지와 타켓팅이 쉽고, 미사일이 가연성 추진제로 가득한 상태에서 탄두가 폭발하기 쉬운 상황이다. 그러나 이 단계에서 미사일을 요격하기에는 지리적으로 요격할 위치를 파악하는 것이 적진을 비행하기 전에는 쉽지 않을 뿐 아니라 아주 짧은 시간(180초 이내)에 요격해야 하는 제약이 있다. 탄도 중간 단계에서의 요격은 로켓의 연소가 끝난 후 탄도 중간 과정일 때 요격하는 것으로, 미국의 Ground-Based Midcourse Defense(GMD), 중국의 SC-19과 DN-시리즈 미사일, 이스라엘의 Arrow 3 미사일 등이 여기에 속한다. 요격 결정을 하는 시간적 여유를 가질 수 있어 ICBM의 경우는 수 분에서 20여 분까지도 가능하게 된다. 그러나 크고 무거운 대탄도 미사일이 필요하고, 정교하고 강력한 레이다 시스템을 요구한다. 3번째 종말 단계에 요격하는 경우는 미사일이 대기권에 재진입한 후 요격하는 것으로, 미국 이지스 탄도 미사일 방어 시스템, 중국 HQ-19, 미국 사드, 미국 스프린트, 러시아 ABM-3 가젤(Gazelle) 등이 여기에 속한다. 상대적으로 작고 가벼운 대탄도 미사일로도 가능하고, 레이다가 작고 덜 정교한 편이다. 그러나 매우 짧은 요격 시간, 아마도 30초 미만일 수도 있다.
미사일로 미사일을 격추한다는 것은 공상의 세계에 있는 것일 때도 있었지만 이제는 과학적 사실로 현실화되었다. 그렇다면 적의 미사일 발사를 발견하고, 의도한 표적을 식별하고, 정확한 궤적을 계산하고, 요격기를 발사하고, 공중에서 위협을 파괴하는 일련의 과정이 몇 초 만에 이루어져야 하는데, [그림 4]는 미국의 Arms Control Association에서 요격 순서를 보여주는 구조(Anatomy)다.
*출처 : https://www.armscontrol.org/factsheets/missile-defense-systems-glance
기본적으로 요격 순서는, 발사 탐지 / 추적 (Detection & Tracking), 즉 적의 발사체(탄도 미사일)가 발사되면 위성, 지상 / 해상 레이다 등 센서망이 이를 탐지하고, 미사일 궤적을 추적하기 시작하고, 탐지된 정보를 식별 후 궤적 계산(discrimination, trajectory prediction)으로 이어진다. 그리고 이를 근거로 궤적이 산출되면, GMD 시스템의 핵심 요소인 지상발사 요격기(다단 로켓 부스터와 EKV(Exoatmospheric Kill Vehicle, 대기권 밖)가 발사된다. 부스터가 상승해 대기권 바깥 궤도로 진입하며, 목표 미사일의 예상 궤적에 맞춰 EKV가 분리되고, 자체 동역학·센서(적외선 및 영상센서)와 지상 레이다/위성으로부터의 궤적 업데이트를 통해 목표물을 정밀 추적한다.
이때 목표물(탄두, warhead)과 분리된 디코이(decoy)나 방해물(countermeasure)들을 구별하는 것이 매우 중요하다. 그러니까, ‘식별/판별’(discrimination)이 미사일 방어망의 핵심 기능 중에 하나다. EKV는 목표 미사일의 탄두와 충돌(hit-to-kill) 방식으로 파괴하는 것으로 되어 있다. 즉 폭발탄 대신 운동 에너지 충돌로 파괴하는 방식이다.
그림의 번호와 비교하여 요약하면,
이지스 미사일 방어
이지스 탄도 미사일 방어 시스템(이지스 BMD)은 해상 기반 미드코스(Sea-Based Midcourse)라고도 하며, 단거리 및 중거리 탄도 미사일 방어를 위해 개발된 미국 국방부 산하 미사일 방어국 프로그램이다. 이 프로그램은 미국 국가 미사일 방어 전략과 유럽 NATO 미사일 방어 시스템에도 적용되고 있다.
이지스 BMD는 군함에서 전개되는 이지스 전투 시스템의 확장으로, 미사일의 로켓 연소가 끝난 후 대기권으로 재진입하기 전인 중간 단계(mid course)에서 미사일을 요격하게 되어 있다. 즉 이지스 BMD는 Standard Missile 3를 장착한 전함에서 중간 단계 요격기가 사용된다. 또 종말 단계에서는 Standard Missile 2 및 Standard Missile 6 요격기를 사용하여 잠재적 위협에 대처하고 있다.
스탠다드 미사일 3은 SM2-ER 블록 IV의 개발로, 적의 탄도 미사일 비행 중간 단계에서 대기권 상공의 탄도 미사일을 요격(즉, 대기권 외 요격)할 수 있으며, 미사일은 군함의 Mk-41 수직 발사 시스템(VLS)에서 발사된다. 미사일에는 폭발 파편 탄두가 탑재되어 있다. 기존 SM-3 블록 IA 버전은 미래의 탄도 미사일 위협에 대응하기 위해 SM-3 블록 IB, SM-3 블록 IIA 및 SM-3 블록 IIB로 업그레이드 되고 있다.
SM-6은 대공 방어(항공기 및 대함 순항 미사일에 대응) 또는 종말 탄도 미사일 방어에 사용할 수 있는 이중 기능을 갖는 미사일로. SM-2 시리즈 미사일과 같이 사용하여 사거리 연장과 화력 증가에 기여하는 역할을 한다.
이지스 탄도 미사일 방어(ABMD) 배치는 1980년대 중반 로널드 레이건 미국 대통령의 전략 방어 이니셔티브(SDI : Strategic Defense Initiative)의 일환으로 시작되어, 첫번째 Block I SM-3의 생산은 2004년 10월에 시작되었고 2005년에 업데이트되었다. 2009년 여러 미 해군 함정에 SM-3 미사일을 장착하였고, 2022년부터 운용 중인 이지스 BMD 시스템은 개선된 버전으로 고급 프로세서와 소프트웨어는 물론 SM-3 요격 미사일의 업그레이드된 변형이 장착되어 있다.
*출처 : wikipedia
[그림 5]는 이지스 BMD SM-3 미사일 프로필을 보여주고 있는데, 블록 1A와 1B의 외형상으로 차이는 눈에 뜨이지 않는다. 그림에서 색깔 형상으로 guidance section과 kinetic warhead가 개량된 것을 표시하고 있는데, seeker가 단색 IR 시커에서 Dual-band IR 시커로 개량되었고, 탄두의 능력이 강화되었다. Block IA는 초기형으로 미 해군 함정 및 일본 해상자위대 이지스함에 탑재하였고, Block IB는 미 해군은 물론, 일본과 유럽의 해상형 및 육상형(Aegis Ashore) 시스템에까지 확대 적용되고 있다.
RIM-161 Standard Missile 3
RIM-161 표준 미사일 3(SM-3)은 이지스 탄도 미사일 방어 시스템의 대표로 사용하는 것으로 미 해군이 탄도 미사일을 요격하는 데 사용하는 함선 기반 지대공 미사일이다.
*출처 : wikipedia
[그림 6]은 미 해군이 Shiloh에서 SM-3를 발사하는 장면이다. SM-3 미사일의 추진기관 체계를 보면, 1단 추진기관은 고체연료를 사용하는 Mk-72 부스터로, Aerojet에서 제작하였고 2단 추진기관은 같은 Aerojet에서 제작한 이중 추력의 MK 104(DTRM : Dual Thrust Rocket Motor) 고체 추진기관이다.
*출처 : www.researchgate.net, Muhammad Aamir Raza, Wang Liang, Robust Design Optimization of an Aerospace Vehicle Prolusion System, Dec 2011.
DTRM은 일반적으로 고체 추진기관의 그레인 형상을 단일 추력을 내도록 설계하는 것에 반하여 그레인 형상을 두 가지 형태로 하여 목표 발생 추력을 두 가지로 하는 것이다. [그림 7]과 같이 왜건(wagon)형 그레인과 실린더형 그레인으로 하여 목표 추력을 두 가지로 하는 것이다. 이와 같이 하는 것은 초기의 부스터 효과와 나중의 서스테이너 효과를 목적으로 한다고 볼 수 있다.
*출처 : Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Vol. 25, No. 1, pp. 58~67, 2021.
2중 추력을 내는 로켓 모터의 연구 중에는 그레인 형상을 다르게 하는 전자와 같은 방식 외에 추진제의 조성을 다르게 하여 원천적으로 연소 속도 등이 다른 추진제를 연결하여 2중 추력을 내도록 하는 방안도 연구되고 있는데 [그림 8]과 같이 다른 추진제를 조합하여 노즐 가까운 곳의 추진제는 부스팅 효과를, 2차 추진제는 서스테이너 효과를 내도록 하고 있다.
3단 로켓은 MK 136 TSRM(Third Stage Rocket Motor) 고체 추진기관인데 ATK에서 제작하였으며, 특이하게 pulsed 로켓이다. 펄스 로켓 모터를 사용하면 해당 세그먼트가(펄스) 타는 동안 모터가 연소된 후, 다음 세그먼트는 온보드(on board) 알고리즘 또는 미리 계획된 순서로 명령에 따라 점화되는 방식으로 고체 로켓의 재점화 필요성과 문제점을 해결하는 방법이다.
DPRM(Dual Pulse Rocket Motor)은 펄스 분리 장치(PSD)를 통해 추진제 에너지를 효과적으로 분배하여 미사일의 사거리와 최종 속도를 향상시키는 효과를 갖도록 설계하여 만드는 것으로, PSD에는 벌크 헤드 타입과 열 차단 타입의 두 가지 유형이 있다. [그림 9]의 좌는 벌크 헤드 타입으로 P. Konečný가 Engineering Physics에 2 펄스 고체 추진제 로켓 모터 솔루션이라는 주제로 발표한 논문에, 오른쪽은 KIMST 저널에 발표된 열 차단형 이중 펄스 모터의 그레인 형상을 보여주고 있다.
4단은 교축 방향 전환 자세 제어 시스템(TDACS : Throttleable Divert and Attitude Control System)으로 Aerojet에서 제작하였다.
*출처 : https://missilethreat.csis.org/defsys/sm-3/
스탠다드 미사일-3(SM-3)은 중거리, 중장거리(intermediate) 탄도 미사일 방어에 사용되며, 대기권 바깥에서도 사용하는 방어 요격기다. 미사일의 비행 중에 hit-to-kill의 동력학적 킬 비행체(vehicle)로 요격하는 것으로, 우주의 진공에서도 가동하도록 설계되어 있고, SM-3 IIA는 ICBM 요격에 사용하기도 한다. 앞에 제시된 [그림 3]에서 보듯이 SM-3 1A, 1B, IIA들이 각각 중거리.중·장거리, ICBM에 가용하는 것을 볼 수 있다. 현재의 모든 SM-3 변형은 이지스가 장착된 선박과 이지스 육상 기지 모두에서 Mk-41 수직 발사 시스템(VLS)에서 발사한다. [그림 11]은 VLS의 내부에 물이 유입되었는지 여부를 검사하기 위하여 발사관 셀을 열어 조사하는 것을 보여 주고 있다.
*출처 : wikipedia
SM-3의 발전
[그림 12]는 미국의 미사일 방어국(Missile Defence Agency)에서 SM-3의 발전과정을 간략하게 표시한 개략도다. 블록(Blk) 1의 1A를 보면 PAA 1단계인 2004년 이후 전개한 것으로 1단 부스터는 Mk-72로 MK-41 수직 발사 시스템(VLS)에서 발사하고, 2단과 3단은 13.5 인치의 추진기관을 그리고 단색 IR 시커(seeker)와 펄스드(pulsed) 고체 방향 전환 자세 제어 시스템(SDACS : Solid Divert Attitude Control System)을 사용하며 충돌 역학 탄두(KW : Kinetic Warhead)를 사용하는 것을 표시하고 있다. 여기서 말하는 PAA는 Phased Adaptive Approach를 나타내는 것으로 고정 배치가 아닌 유연하게 접근하는 단계를 의미한다. 2011년 첫 비행을 한 PAA 2 단계의 블록(Blk) 1의 1B는 해상에서 강력하게 그리고 안전 사거리를 겨냥한 것으로 이(2)색 시커와 교축 TDACS(Throttleable Divert Attitude Control System) KW 탄두를 사용한다.
*출처 : wikipedia
2014년에 Block IB 변형은 하와이의 Aegis Ashore 테스트 사이트에서 처음으로 성공적으로 발사되었고, 2014년에 작전에 들어가 미 해군 함정에 처음으로 배치되었다.
그리고 2016년 처음 시작한 PAA 3 단계인 SM-3 블록(Blk) IIA는 미국과 일본의 공동 작업으로 추진기관이 21인치로 증가하였으며, 큰 직경의 KW 탄두와 2색 시커와 그리고 증가된 작동시간을 포함하고 있고, 마지막으로 표현된 PAA 4 단계에서는 2020년 이후 배치되는 지상 기반(land based) 전개로인 SM-3 블록 IIB는 탄두 대신 킬 비행체(KV : Kill Vehicle)로 그리고 부스터의 직경도 커졌고, 이에 따라 수직 발사관도 개조되었으며, 2, 3단에는 27인치의 고성능 액체 추진기관을 채택하고 있음을 나타내고 있다.
이상으로 대략적으로 이지스 미사일 방어에 대하여 살펴보았다. 이외에 지역(전구) 방어용으로 사드(THAAD)가 hit-to-kill 방식으로 배치 운용되고 있으며, 지대공(地對空) / 탄도탄 요격 시스템으로 패트리어트(Patriot) 미사일 시스템이 미국, 대한민국, 일본, 독일, 사우디, 이스라엘, 대만, 폴란드 등 17개국 이상으로 전 세계에서 운용되고 있다. 특히 PAC-2와 PAC-3가 대표적인데, PAC-2는 걸프전에 사용되었고, Raytheon 회사가 제작에 참여하였고, 표적 근처에서 폭발하는 근접 신관 폭발 방식(Fragmentation)을 채택하였다. 또한 항공기와 탄도탄에 요격에 사용하며 발사관에는 1발을 장착하는 것으로 되어 있다. 이에 비하여 PAC-3은 작게 만들어 4기를 장착할 수 있으며, 대탄도탄용으로 사거리는 조금 줄어들어 15-20km에 직격 요격 방식(hit-to-Kill)으로 변경되었다.
PAC-3은 Lockheed Martin에서 제작되어 1990년대 후반부터 2000년도 초에 배치되기 시작하였다.
맺는 말
날아오는 적의 미사일을 방어하는 미사일은 목표물을 향하여 공격하는 미사일에 비하면, 한 차원 높은 개념의 미사일 체계다. 즉, 공격용 미사일은 목표물을 정확히 탐지하여 추적하고 공격하는 것인데, 방어용 미사일은 공격해 오는 미사일은 탐지하는 것부터 공격용보다 복잡하다. 우선 공격용 미사일이 언제, 어디서부터 작동할지 알아내는 것이 쉬운일이 아니며 인지한 미사일의 궤도를 예측하고 이에 대응하여 요격해야 하는데 모든 것이 예측하는 대로 움직이고 대응해야 하는 것이기 때문이다. 살펴본 대로 미사일을 어디에서 요격할지, 언제 할지 등에 따라 이 또한 달라진다. 본 고에서는 방어체계 중에 주로 이지스 요격에 대하여 조사하였는데, 방어체계 개념도에서 보듯이 이지스 방어는 1,000-3,000km의 중거리(MRBM), 3,000-5,500km의 중장거리(IRBM)는 물론 5,500km 이상의 ICBM도 요격의 대상으로 하고 있어 광범위한 범위를 방어하고 있다. 그 외에도 다양한 미사일 방어 미사일이 러시아, 중국, 이스라엘 등에서도 독자적 또는 국가간 협력으로 연구개발되고 있다.
공격용 미사일보다 방어용 미사일 개발은 첨단의 기술이 동원되는 것임을 생각하면, 꾸준한 기술 집약의 노력이 필요한 분야다.