철매 2 개량형 기술적 분석

볼츠만 | 조회 수 1007 | 2015.06.18. 22:48

 

비밀에 올렸던 글인데 좀 보완해서 공유드립니다.

 

얼마전 철매2 개량형이 공개되었는데요.

BNYaU4B.jpg

 

 

철매 2의 기술적인 특징에 대해서 좀 논하고자 합니다.

BNYaU4B.jpg

먼저 우리군이 보유하고 있는 나이키나 호크미사일에는 탄도탄 요격능력이 있을까요?

 

나이키 미사일이나 호크미사일로도 원시적인 탄도탄 요격능력이 있긴 합니다. 단 hit to kill 요격이 되지 않아 근접탄두의 폭발로 적 탄도탄이 폭발하길 기대하는 수 밖에 없죠. 그 결과는 90년 걸프전에서 목격하고 있습니다.

 

그래서 철매2 PIP와 같은 탄도탄 요격미사일은 종말 유도용 측추력기를 기본적으로 가지고 있어야 합니다. 왜냐면 탄도탄을 요격하는 고고도에서는 공기가 희박하여 공력핀만으로는 충분한 기동성이 확보되지 않아 Hit to kill 요격이 거의 불가능합니다.

 

먼저 초기형 측추력기를 디벼볼까요?

초기형 측추력기는 아래 그림처럼 발사 초기에 자세를 잡는 용도입니다. 대부분 콜드런칭 수직발사대에서 사용합니다. 특정방향을 지향하는 터렛형 발사방식(PAC-3)은 발사대로 발사방향을 지향하기 때문에 필요없고 핫런칭 VLS는 공력핀과 TVC로 발사대에서 튀어나오면서 원하는 방향으로 제어하기 때문에 필요가 없지요. 반면 콜드런칭 방식은 발사대에서 튀어나온 상태에서는 모터점화가안된 상태이기 때문에 모터점화전에 표적으로 방향을 지향해주어야 합니다. 아무래도 길다란 막대기기 잠시 공중에 떠 있는 동안 방향을 꺾어야 하기 때문에 가급적이면 무게중심과 먼쪽에 측추력기가 위치하게 되죠. 그림으로 간략하게 나타내면 다음처럼 되죠.

무게중심.jpg

 

clip_image003.gif

지렛대의 원리이기 때문에 방향을 꺾는 용도라면 그렇게 큰 추력이 필요없습니다. 그래서 아래와같은 다발형 로켓이 많이 사용되지요. 철매2 기본형에 사용되고 있는 초기형 측추력기입니다. 이 측추력기는 종말유도에도 사용되기 때문에 초기 측추력기치고는 꽤 많은 로켓다발을 쓰고 있습니다.

그림5.jpg

 

 

20130524232241.jpg

 

그럼 종말형 측추력기는 뭘까요?  말그대로 적 탄도탄에 직격하기 전에 고기동을 해주는 장치입니다.

크게 DCS와 ACS로 나뉩니다.

DCS는 무게중심에 설치되어 측면으로 고압의 연소가스를 배출하여 측방향으로 움직여 궤도를 수정하는 장치입니다 . ACS는 무게중심으로부터 먼곳에 위치하여 측면으로 연소가스를 배출하여 적은 힘으로 자세제어를 수행합니다. 앞에서 말한 초기형 측추력기가 바로 ACS입니다. 방향을 수정/자세제어하는 용도이지요.

 

 

 

아스터15/30

9M96E

PAC-3 ERINT/MSE

철매2

철매2PIP

초기형 측추력기

없음

날개측 소형로켓 노즐

없음

다발형소형로켓

다발형 소형로켓

종말 측추력기

단일연소챔버, 액추에이터 셔터 구동

DCS

단일연소챔버, 캡 방출식

DCS

다발형소형로켓

ACS

다발형소형로켓

ACS

단일연소챔버, 액추에이터 셔터 구동

DCS

발사방식

핫런칭

VLS

콜드런칭

VLS

핫런칭

터렛발사대

콜드런칭

VLS

콜드런칭

VLS

 

위의  도표를 보시면 아시겠지만 아스터와 9m96e, 철매2 PIP는 바로 DCS를 사용합니다.

작동원리를 보면 아래와 같죠.  바로 X길이만큼 움직이기 위해  적당한 순간 적당한 위치에서 가동하여 측면으로 슬라이딩하여 직격합니다.

그림7.jpg

 

 

clip_image007.gif

 

그런데 같은 DCS 사용방식이라고 해도 아스터와 9m96e, 철매2 PIP의 DCS의 제어방식은 다릅니다. 일단 공통점은 탄체를 그대로 측면으로 이동시켜야 하기 때문에 대형의 고체연료 챔버를 갖고 있다는 점이고 차이점은 고압의 연소 가스를 분출하고 제어하는 방식에 있습니다.

 

 

먼저 아스터를 디벼보면 아래처럼 날개측에 슬릿형 노즐을 달아 방향을 제어합니다. 아스터의 종말 측추력기는 우리가 개발한 방식과 가장 유사합니다. 미사일  무게중심에 대형 추진제 챔버가 연소하고 공압으로 작동하는 포펫 같은 장치가 있어서 노즐을 여닫는  작용을 합니다. 일종의 on-off제어를  통해서 궤도를 수정하지요.

그림8.jpg

 

그 다음으로 9m96e를 들면 아래 방식과 유사한데 미사일  무게중심에 대형 추진제 챔버가 연소하고 연소가스 그 챔버를 둘러싼 마개를 하나 여는방식이죠. 한번 열었던 마개는 닫을 수 없기 때문에 단순 on제어만 되는 셈입니다. 그나마 아스터는 한번 열었던 분출구를 다시 닫을 수 있지만 9m96e는 일격필살로 단 한번만 엽니다. 매우 간단한 방법이지만 아무래도 제어정밀도는 좀 떨어질 것으로 생각됩니다. 철매-2 개량형에 검토했지만 포기된 방식입니다.

9M96-SAM-1.jpg

그림9.jpg

 

 

우리나라의 측추력기는 DCS방식으로 아래와 같은 물건입니다.. 탄체 전체를 2축 수평이동이 될 수 있도록 대형 연소제 챔버에 BLDC모터 혹은 유압액츄에이터로 연소가스개폐구를 셔터로 제어하는 장치이죠.

그림10.jpg

셔터개폐 조차도 단순 on-off 제어가 아니라 셔텨개폐구의 개도까지 제어하여 측면의 추력의 크기까지 제어합니다. 이걸  비례제어라고 하죠. 하기처럼 구동기에 셔터축이 물려 있지요.

그림11.jpg

 

clip_image018.gif

한번 오픈한 분출구를 다시 닫을 수 있을 뿐아니라 아스터조차도 단순 on-off제어인데 비해 그 분출량을 조절할 수 있습니다. 아스터의 가스분출될 때의 힘이 1과 0뿐이라면 철매2 개량형은 0.5나 0.8의 힘을 낼 수 있어 매우 정밀한 궤도제어가 되는 셈입니다. 제어시 오버슛을 줄여줄 수 있지요.

단거리탄도탄 요격미사일용도로는 이런방식의 종말 측추력기는 철매2 개량형이 유일합니다.

 

사실 모터제어는 민간산업계에서도 많이 사용하고 있어 기술적으로 접근이 비교적 쉽습니다.

그래서 상기방식들보다는 목표달성이 좀더 용이할 것으로 보입니다. 단순 on-0ff제어나 on  제어보다는 좀더 정밀한 제어가 가능할 것으로 생각됩니다. 특히 측추력기를 통한 궤도수정때 아스터의 자세제어는 후방핀이 맡는데 비해 고기동성이 보장되는 카나드핀으로 자세제어를 맡기 때문에 아스터보다 더 나을 것 같다는 생각은 듭니다.

 

기술적 배경을 보면 2010년 이후에 개발되고 있어 발전된 BLDC모터 및 인버터기술을 적용할 수 있다는 장점이 있어서 이런기술이 적용된 듯 합니다. 실제 아스터와 9m96e는 90년대말에 개발된 미사일들이고 당시의 미사일의 동력은 주로 공력이었습니다. 당시는 아직  모터가 SAM에 적용될만큼 기술이 성숙되지 못할 시점이었지요. 천마도 공력을 사용했었으니까요.

 

탄도탄방어용 미사일중 유일하게 ACS방식의 측추력기가 있는 놈은 바로 PAC-3입니다

특히나 아래그림처럼 파인애플처럼 소형로켓을 측면에 아주 많이 박아넣었다는 것입니다. 그래서 변위량이 많이 필요하면 많이  터뜨리는 식으로 제어를 하죠.

pac3a_.jpg그림12.jpg

 

. 바로 아래와 같은 방식으로 작동하지요. 지렛대의 원리로 방향을 꺾어 탄체가 정확히 직격하는 효과를 노린 놈이지요. 전 여기서 많은 의문과 감탄을 금치 못했는데 x방향만큼 이동하기 위해 y방향에 대한 정확한 값이 산출되야 합니다 단순히 x거리뿐 아니라 y거리라는 변수까지 고려해 제어해야 하는 까다로운  상황에 놓이게 됩니다.

그림6.jpg

 

clip_image022.gif

만약 y를 잘못 계산하면 빗나가버리게 됩니다. 제가 추측하기론 ACS방식으로도 DCS 방식과 거의 동등한 궤도수정능력을 보유했다고 보여집니다. 우리도 철매2기본형의 ACS 측추력기로 마하1이하의 표적기 직격정도는 가능했는데 미국은 마하 3~5정도의 탄도탄에도 ACS측추력기만으로도 직격제어가 가능하다는 것이죠. 솔직히 무서운 기술력입니다. 기수부의 방향수정했을 때의 짧은시간동안의 탄체의 진행거리까지 계산하여 궤도수정량을 결정해서 제어할 정도이니까. 물론 ACS방식은 DCS방식에 비해 작고 가볍고 기술적으로  간단하다는 장점이 있는데 그런 장점을 최대한 살리기 위해 ACS방식을 최대한 고도화시킨 것으로 보입니다. 하여튼  미제 유도무기는 뭔가 보수적이면서도 혁신적입니다.

 

우리의 경우  철매 2 기본형에서 ACS를 사용했지만 개량형에서는 ACS를 초기 자세제어용도로만 사용하고 측추력기로 DCS로 선회를 했는데 반해 미국은 PAC-3 에린트에서 MSE까지 계속 제어변수가 많아 다루기 까다로운 ACS 방식을 고수하는 것을 보면 이 분야에 대한 자신감이 있는 것같습니다.

 .

 

아마 현재 시점에 지상연소시험과 시뮬레이션을 통해 요구되는 제어능력은 목표에 도달한 듯 보입니다. 구성품이 어느 정도 되어 있어야 발사시험도 할 테니….

 

혹시  수정할  점이나 반론있으시면 환영합니다

 

출처

 

궤도 수정용 추력발생장치의 설계 및 연소시험

백기봉*†․ 문현성* ․ 조승환*

Design of Thruster for Divert Control System and

Combustion Test

Kibong Baek*†․ Hyunsung Mun* ․ Seunghwan Cho*

 

궤도수정 추력발생장치용 구동장치 개발

서석훈*†․ 백기봉* ․ 조승환*

Actuation System Development for the

Thrust Generation System

Suhk-hoon Suh*†․ Kibong Baek* ․ Seunghwan Cho*

 

DACS형 직격요격비행체의 비선형 가속도 조종루프 설계

이창훈* ․ 김태훈** ․ 전병을***

Nonlinear Acceleration Controller Design for DACS type

Kill Vehicle

Chang-Hun Lee* ․ Tae-Hun Kim** ․ Byung-Eul Jun***

 





    



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Profile image 폴라리스 2015.06.19. 01:33
잘 정리하셨네요......good!
Profile image 김민석(maxi) 2015.06.19. 13:31
추천합니다. 감사합니다.
hama 2015.06.19. 16:37
DCS나 ACS 혹은 DACS나 제어시 추력기의 순수한 힘만으로 제어하지 않습니다.
미사일이 발사 될때는 추력기 자체의 힘만으로 제어 하는 것이이지만 일정 속도 이상이 고속 비행에서는 추력기의 분출 제트와 유동 간의 상호 간섭으로 더 복잡해집니다.
미국이 자신이 있는 부분이 바로 저 부분이죠........
그리고 PAC-3도 발사 초기에 측추력기를 이용합니다.
볼츠만 2015.06.19. 19:36
Dacs는 DCS와 ACS가 같이 있어 전자가 궤도수정, 후자가 자세제어를 하기 때문에 추력기의 힘으로만 제어할텐데요. 물론 제가 언급한 미사일들은 공력핀이 측추력기와 연동되어 자세제어하기 때문에 추력기자체만으로 제어되지 않죠.
hama 2015.06.20. 10:38
공력면이 없는 미사일의 측추력기의 경우에도 측추력기 힘만 작용하는것이 아니라 주위 유동과 상호 간섭으로 모멘트 발생이 예상과는 다르다는 얘기입니다.
당연히 공력면이 있는 경우도 마찮가지죠.
아무튼 외기권 밖이 아닌 경우 희빅기체라도 고속일 경우 유동 건섭에 의한 영향은 무시하지 못합니다.
1990년대 말이나 2000년대 초 side jet 또는 lateral jet 관련 자료들을 찾아보시면 충격파 간섭과 관련하여 많은 자료들을 보실 수 있습니다.
덪붙여 측추력기에 고 받음각일때 또한 유동의 비정상 흐름으로 미사일 자세에 많은 영향을 줍니다. 당연히 관련 연구가 2000년대 초에 많이 있었죠.
DACS를 보시면 고고도 요격용일 경우가 많을 겁니다. 위성제어나 같지요. 유동에 의한 간섭이 적어서죠.
아무튼 희박기체라도 고속일경우 유동간섭을 무시하긴 힘들죠.
Profile image Mi_Dork 2015.06.20. 02:28
잘 봤습니다. 이제야 좀 이해가 되네요.

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