탄도탄 요격용 미사일들 관련, 대략적으로...

타 게시판에 썼던 내용들입니다만, 요근래 L-SAM, THAAD 관련해서 이야기가 많이 나오는터라 글을 올립니다.

현재 미국은 장거리 탄도탄이 날아온다면

(탄도탄 발사직후) -> 공중발사레이저, 전투기발사 요격미사일 -> (탄도탄 중간 비행 단계) -> SM3 -> (탄도탄 미 본토 진입)->GBI(외기권 상층부 요격) -> THAAD(외기권 하층부~대기권 상층부 요격) -> PAC3(종말 요격)

정도입니다. 물론 공중발사레이저, 전투기발사 탄도탄 요격 미사일은 계획 중단이나 중지상태고 GBI는 아직 개발중이죠. 또 GBI는 상당히 대형 체계라서 미본토 방어만 배치가 가능할 듯 하여 해외전개기지는 SM3, THAAD, PAC3로만 막게됩니다.

우리나라는 현재 예정상 대기권 상층부(20km 이상)은 L-SAM, 정확히는 L-SAM의 탄도탄 요격 미사일이 맡을 예정입니다. 그 이하는 PAC-3와 천궁PIP이 맡게 되고요. 참고로 L-SAM은 실제로는 두 가지 버전의 탄이 개발중인데 하나는 탄도탄 요격용이고 또 하나는 항공기 요격용입니다. 항공기 요격용은 아마 PAC-2 정도의 성능을 내는 미사일로 기존 천궁, 혹은 천궁PIP의 대형화를 통한 사거리 연장형일 가능성이 큽니다.

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PAC-3

PAC-3는 초기 및 종말 기동을 꼬리날개와 함께 미사일 앞에 옆방향으로 붙어 있는 소형 로켓들을 이용합니다. 이것도 다중펄스로켓이라 부르는 경우가 있어서 추진용 로켓의 다중 펄스와 헷갈리기 쉽죠. 옆방향으로 붙어 있는 로켓을 작동하면 대기권 내에서 고속으로 비행시에는 단순히 로켓 자체의 추진력 뿐만 아니라 미사일 주변을 흐르는 고속의 공기흐름과 로켓에서 뿜어져 나온 제트가 서로 복잡하게 얽혀서 더 큰 추력이랄지, 옆방향 힘을 만듭니다.

PAC-3는 흔히 직격방식이라고 하는데 정확히는 전과확대탄두라는 탄두가 들어 있습니다. 중량이 약 10kg 정도 되는 탄두인데 여기에는 폭약과 함께 티타늄으로 제작된 파편들이 들어있습니다. 다만 일반 대공 미사일에 들어있는 것들보다 씨알이 굵은 파편들입니다. 또 폭약의 양이 적고 폭약의 폭발 속도가 상대적으로 느립니다. 이것은 파편을 직접 적 미사일에 쏘아보내는 개념이 아니라, 적 미사일이 날아올 코스에 미리 파편을 뿌리는 개념입니다.

PAC-3는 종말 유도 단계에서 자체적인 레이더 탐색기를 사용하는데, 표적과 자신의 상대적인 거리, 속도, 방향 등을 계산하여 만약 미사일이 표적에 직격할 수 없다고 판단하면 탄두를 터트립니다. 이 때 탄두는 사방으로 터지는 것이 아니라 표적방향으로 집중적으로 뿌려집니다. 탄두는 여지것 미사일과 함께 날아온 셈이니 관성에 의해 미사일과 같은 속도로 표적을 향하고, 원래라면 PAC-3가 표적을 빗겨 나갔겠지만 파편은 폭약의 힘을 빌어 더 표적쪽으로 밀어진 상태이므로 결과적으로 표적을 덮치게 됩니다. PAC-3의 이 방식이 기존 대공 미사일과 또 다른 점은 별도의 근접신관용 센서가 없고, 탄두를 미리 기폭시키는 타이밍을 재는 센서로 탐색기를 이용한다는 점이죠.

THAAD

THAAD는 발사 직후 부스터의 노즐 방향 자체를 트는 방식(Steering Nozzle)을 사용합니다. 우주로켓 등에서 흔히 사용하는 방식이고 우리나라도 나로호 등에도 이미 사용한바 있죠(상세하게 파고들면 나로호에 쓰인 것과는 방식이 좀 다르지만). 꼬리날개는 아예 없지만 발사 직후 꼬리 부분이 마치 베드민턴 콕 처럼, 혹은 치마처럼 약간 벌어지며 펼쳐집니다. 플레어(flare, flare skirt 등)으로 부르는 부분으로 꼬리날개 대신 방향을 잡아주는데 원리는 베드민턴 콕의 깃털과 거의 같습니다. 보통 탄도 미사일에 쓰는 방식이지만 다른 미사일들은 벌어진 부분이 고정식인데 반하여 THAAD는 접이식인데, 발사관 크기를 좀 더 줄여서 한 발사대에 여러발을 싣게 하기 위해서입니다.

THAAD는 부스터가 다 타고나면 분리되며, 미사일 윗 부분만 남습니다. 이 부분을 직격 비행체(Kill Vehicle)이라 부르는데 여기에는 다른 미사일로치면 전자장비가 들어차있는 머리 부분에 해당합니다. 여기에는 별도의 추진용 로켓은 없으며 이때 부터는 관성에 의해 날아갑니다. 물론 이미 마하 6, 7 이상으로 가속된 상태입니다.

직격 비행체에 가속용 추진기관은 없지만, 궤도 및 자세제어용 추진기관이 들어있는데 DACS(Divert and Attitude Control System, 혹은 정밀자세제어장치)라는 것입니다. 이것은 크게 DCS(Divert Control System와 ACS(Attitude Control System)로 나뉘는데 DCS는 궤도 자체를 바꾸는 것이고 ACS는 자세만 바꾸는 것입니다. DCS는 추력이 큰 로켓으로, 직격비행체의 무게중심 근처에 상하좌우 옆 방향으로 4 방향으로 달려 있으며 이것이 작동하면 비행궤적(경로) 자체가 바뀌게 됩니다. ACS는 직격비행체의 꼬리 부근에 상하좌우 옆 방향으로 6개가 달려 있는데 이것을 작동하여 직격비행체의 머리 방향을 상하좌우로 바꿔주며 롤(앞뒤 축을 기준으로 빙글빙글 도는 거) 방향 제어를 해줍니다. ACS 쪽이 6개인 이유는 이 롤 제어를 위해 일부러 중심에서 엇갈리게 배치해야 하기 때문입니다. 이것들은 옆방향으로 배치되어있으며 앞서 말씀드린대로 속도를 높이거나 하는 역할은 하지 않습니다.

THAAD의 DACS는 액체로켓을 사용합니다. 액체로켓은 연료의 공급양을 조절함으로써 추진력 자체를 제어할 수 있는데, 덕분에 쉽게 추력제어가 가능합니다. 필요시에는 심지어 로켓을 점화시켰다가 껐다가 다시 점화시키는 것도 가능합니다. 이 때문에 여타의 DACS 사용 미사일과 달리 THAAD는 발사 직후에도 DACS의 ACS를 사용, 롤 제어를 합니다. 부스터에 달린 방향제어용 TVC는 상하좌우 방향 제어(피치, 요우 제어)는 가능하지만 롤 제어는 불가능하기 때문입니다. 다만 전체적으로 부피와 무게가 커지는 문제가 있고, 이때문에 더 높은 고도로 올라가야 하는 SM3에서 고체로켓 방식 DACS를 연구하는 계기가 됩니다.

THAAD는 중간유도는 관성유도+데이터 업링크 방식이고 종말 유도는 IIR 방식입니다. IIR용 광학창(window)이 일반 미사일처럼 코(nose) 부분에 달려 있는게 아니라 비스듬히 옆에 달려 있는데, 이는 공기마찰열(공력가열) 때문입니다. 아무리 공기가 희박한 고도 수 십 km라 하더라도 마하 6, 7쯤 되면 표면의 마찰열이 엄청난데, 특히 그 열기는 미사일의 코 부분에 집중됩니다. 그래서 코 부분을 피한 옆 부분에 비스듬히 달았습니다. IIR, 즉 적외선 영상 탐색기다보니 표적의 적외선을 포착해야 하는데 정작 앞유리창 부터가 엄청나게 뜨거워지면 그 열기가 방해해서 표적을 제대로 포착할 수 없기 떄문입니다. 다만 그럼에도 유리창 온도가 최소 1, 2백도 이상은 올라가는 것으로 알려져 있습니다. 이 문제를 해결해보려고 유리창 앞에서 냉각가스 등을 뿌리는 방식도 검토했는데 아지랑이 등이 생기는 문제 떄문에 결국 포기하고, 이 때문에 THAAD는 40km 이하 고도에서는 공기가 너무 '덜 희박'하여 표면 온도가 너무 올라가 버리므로 요격이 어렵다 합니다(혹이 오해하시는 분이 있을까봐, 냉각식 열영상(적외선) 탐색기와는 다른 개념입니다. 냉각식 탐색기는 적외선을 감지하는 센서 소자 자체를 냉각한다는 소리이고, THAAD도 이걸 냉각합니다. THAAD가 포기했다는 것은 센서소자가 아니라 바깥쪽에 보호하는 유리창(정확히는 인조 사파이어 창)을 말합니다) . 한편 발사 직후 표적과 조우하기 직전 까지는 IIR용 광학창 앞부분은 덮개(Shroud)가 보호하고 있으며, 표적 돌입 직전에 이 부분이 상하로 갈라지면서 공기저항에 의해 떨어져 나갑니다.

PAC-3와 달리 THAAD의 직격비행체에는 아예 폭약에 해당하는 부분이 없으며, 그 스스로가 표적에 들이 받아 파괴합니다. 이 때문에 KW(Kinetic Warhead, 운동에너지 탄두)라는 표현을 쓰기도 합니다. 근접신관 없이 완전히 직격해야 하므로 상당한 정밀도가 필요하죠.

애로우2

애로우2는 이스라엘 미사일이긴 한데, 사실 미국의 많은 예산 및 기술 협조를 통해 만들어졌습니다(그래서 제작사 목록도 보면 이스라엘의 IAI 뿐만 아니라 보잉, 록히드 마틴, 레이시온 등등이 들어가있습니다). 대충 예산만 하더라도 미국이 절반 이상 댔다고 하죠. ARROW2는 THAAD보다 좀 더 낮은 고도에서 요격을 시도합니다. 카달로그 상으로는 최소 요격고도는 8~10km, 최대요격고도는 50km 정도로 알려져있으며 이는 이스라엘이 PAC-3가 없다보니 애로우2로 PAC-3가 맡는 저고도 요격(최대 20km 정도)까지 같이 맡기 위해서인듯 합니다.

사실 THAAD나 PAC-3, SM3는 미국이 MD 홍보 차원에서 정보가 비교적 많이 공개되어 있는데 반하여 이쪽은 내부 개념도 조차 공개된게 (제가 알기로는) 없는 듯 합니다.

애로우2는 2단 로켓을 사용며, 알려진바로는 직격비행체에 해당하는 부분에도 추진용 로켓이 달려 있다고 합니다. 이는 미국의 THAAD나 SM3 개념과는 대비되는 부분입니다. 대신 DACS가 없으며, 자세제어는 4장의 날개와 추진용 로켓의 TVC를 이용한다고 알려져 있습니다. 이 4장의 날개는 일반적인 미사일과 달리 굉장히 두꺼운데, 아마 비행속도가 워낙 빠른데다가 상대적으로 저고도로 비행해서 큰 힘과 열을 받기 때문인 듯 합니다(퍼싱2 같은 탄도미사일의 재진입 비행체 날개가 대충 이런식이긴 하죠).

탐색기는 특이하게 2중방식으로 알려져있으며, 저고도에서는 레이더를, 고고도에서는 더 효율적인 IIR 탐색기를 사용한다고 합니다(일반적으로 같은 수준의 기술이면, 특히 대기의 방해가 없으면 레이더방식 보다 광학 및 적외선 방식이 각도 정밀도가 더 높다고 합니다). 이 IIR 탐색기는 THAAD의 것을 미국에게서 기술이전, 혹은 부품을 수입하여 제작하였다 합니다. 다만 레이더 탐색기나 IIR 탐색기의 장착 위치 등은 공개된 사진이 없는 듯 합니다. 한편 THAAD와 달리 이쪽은 IIR 탐색기의 바깥쪽 광학창 부분을 냉각하는 것으로 알려져 있습니다.

또 한편으로 애로우2는 THAAD와 달리 폭약을 탑재한 것으로 알려져있습니다. 작동 개념자체는 PAC-3의 것처럼 미리 표적 방향으로 파편을 뿌려 놓아 파편이 표적과 충돌하게 만드는 개념인듯 하며, 아마 PAC-3처럼 애로우2도 별도의 근접신관 센서를 사용하지 않고 레이더 탐색기를 이용하여 탄두의 폭발 타이밍을 재는 듯 합니다.

애로우3

애로우3는 아예 우주에 해당하는 상층부 방어를 목표로 개발되었습니다. 이러한 점에서 SM3와 비슷한데, 애로우3 역시 대기권내에서의 운용은 아예 생각 안하고 만들어졌으며 요격 가능 고도는 100km 이상으로 알려져있습니다. 애로우3 미사일의 전체적인 외형상으로는 기존 애로우2보다 더 커졌으며, 꼬리 부분은 THAAD의 플레어처럼 접이식 플레어가 추가되었습니다(애로우2는 고정식의 작은 플레어). 애로우2 역시 2단 로켓 방식인데, 직격비행체가 SM3나 THAAD와는 또 다른 방식입니다. 거의 인공위성처럼 뼈대로 된 구조물에 큰 통처럼 생긴, 김발 구조에 올려져있는 탐색기와 TVC 방식 로켓만 달려 있습니다. 별도의 탄두는 없는 직격 방식인 점도 애로우2와의 차이점입니다. 아무래도 제한된 로켓추력으로 우주까지 올라가려면 직격비행체 자체는 최대한 가벼워야 하다보니 무게가 많이 나가는 탄두나 전파방식 센서(레이더건 근접신관이건)은 넣기가 어려웠던 듯 합니다.

SM3

SM3 역시 애로우3처럼 우주에서의 운용만을 생각하고 만든 미사일입니다. 이는 본래 MD 계획에서 SM3가 '중간 요격'을 담당했기 떄문입니다. 미 본토로 떨어지는 ICBM을 바다 한가운데에서 요격 한다는 개념이죠. 중간 단계의 탄도탄은 상대적으로 속도가 느리지만(지상 낙하시작하기 전에 비해서...) 고도는 거의 최고 정점이므로 최소 100~200km 이상의 사실상 우주를 지니가게 됩니다.

기존 SM2는 1단 부스터 작동후 미사일 자체의 2단째 로켓만으로 날아가는데 SM3는 우주까지 날아가야 하다보니 위쪽에 TVC 방식으로 제어되는 3단 로켓 부스터가 하나 더 있습니다. 그리고 이것마저 다 타버리면 위쪽 덮개(shroud, 혹은 fairing)이 벗겨지면서 그 안에 직격비행체가 드러나고, 부스터 역시 직격비행체에서 분리됩니다.

SM3의 직격비행체는 굉장히 크기가 작고 가벼운 소형 인공위성처럼 생겼습니다. 이쪽 역시 우주에서의 운용만 고려하였기에 '덮개'라고 할 만한 부분은 없으며 심지어 탐색기 앞부분에 유리창조차 없습니다. 어찌보면 그냥 우주탐사용 허블망원경의 축소판처럼 생겼죠(허블과 달리 태양전지판은 없습니다만).

SM3의 직격비행체는 LEAP이라 부르기도 하는데, 이는 1980년대 말부터 LEAP(Lightweight Exoatmospheric Projectile, 경량 외기권 탄체) 별도 사업으로 연구해오던 것의 결과물이기 떄문입니다. 미 육군은 1980년대에 우주요격용 직격비행체에 대해 연구하였는데, 결과물이 약 200kg나 되어버렸습니다. 그래서 반대로 초소형 직격비행체를 만들자 하여 나온 프로젝트가 LEAP으로, 본래 육군 생각에는 20kg정도 되는 LEAP을 미사일에 여러개 넣어 한번에 발사, 적의 다탄두 탄도탄을 요격할 생각을 했습니다. 미 해군은 여기서 다시 1990년대에 이 LEAP을 한 발 넣되, 배에서 쏠 수 있는 사이즈의 요격 미사일을 만들고자 따로 연구를 하였고 그 결과물이 SM3의 직격비행체입니다.

SM3의 직격비행체는 앞서 설명드린 THAAD의 DACS와 유사한 개념으로 비행궤도 및 자세를 제어합니다. 다만 SM3의 직격비행체는 THAAD의 것보다 엄청나게 작은 크기인데, 이게 가능했던 이유에는 고체추진기관 방식 DACS가 일조합니다. 고체로켓은 일단 한 번 불을 붙이면 임의로 추력조절을 하기 어렵습니다. 유일한 방법은 제트가 뿜어져나오는 노즐 자체의 중간, 혹은 끝부분에 일종의 밸브를 달아 열었다 닫았다 해야 합니다. 그런데 이 제트는 2, 3천도의 온도에 엄청나게 빠른 속도로 뿜어져 나오는 가스이므로 일반적인 소재는 삭마, 즉 깎여나가 버립니다. 일반 로켓의 노즐 역시 작동하면서 어느정도 삭마현상이 생기지만 DACS용 노즐이라면 정밀제어를 해야하므로 깎여나가면 안됩니다. 그래서 일단 깎여나가는 것을 방지하기 위해 고체로켓에 추력증가용으로 첨부되는 알루미늄 가루 등을 뺍니다. 하지만 그런 상태에서 추력을 얻으려면 로켓추진제는 더 강력한 것을 사용해야 하고, 그 결과 가스온도가 2천도를 넘어갑니다. 이 온도에서 견디는 소재가 레늄, 텅스텐, 그리고 탄소섬유 복합재정도 뿐인데 텅스텐은 정밀성형이 어려워서 SM3의 직격비행체 초기버전은 탄소섬유 복합재에 레늄을 코팅하는 식으로 개발하였다고 합니다(레늄은 상당히 고가의 희귀금속입니다). 초기형 SM3 직격비행체는 일종의 유체회로를 이용, 작은 힘의 밸브로도 각 방향 노즐로 분사되는 추력을 조절하는 방식을 사용하였으며 다만 기술의 한계상 각 방향 노즐의 On/Off 제어만 가능하였다고 합니다.

이후 블록2부터는 TDACS(Throttling DACS)라 하여 각 방향 노즐에 별도의 작동장치를 달아 밸브를 개별적으로 제어하는 방식으로 바뀝니다. 이는 On/Off 뿐만 아니라 미세제어까지 가능해집니다.

이 SM3의 직격비행체 연구는 초반에는 프랑스와 합작으로 이루어졌고, 당시 프랑스는 탄소 및 탄화규소 복합재 관련 기술을 제공하였다고 합니다(이쪽 분야는 현재도 프랑스의 강점 중 하나라고) 다만 프랑스는 정작 돈이 없고 시급성이 떨어져서 이 기술 기반의 탄도탄 요격 미사일, 즉 아스터 블록2를 여지것 '만들거다'라고만 하고 실제 만들고 있진 않습니다....

이후 SM3 TDACS 개발시에는 기술일부 공유를 조건으로 일본을 끌어들였습니다.

SM3의 DACS용 고체추진기관은 3중 펄스 방식인데, 그 작은 연소실 내에 3종류의 추진제를 넣어 두었습니다.그래서 각 타이밍에 맞춰 3번 추진제를 터트리며, 이떄 발생하는 고온/고압의 가스는 앞뒤로 배분되어 각각 DCS 및 ACS로 흘러갑니다(다만 초기형은 이런데 TDACS는 다를 수도 있습니다. TDACS의 절개도는 저도 본적이 없어서...).