[육군비전 2050] 8대 게임체인저 - 4. 극초음속 무기

출처#1. m.blog.naver.com/armynuri2017/221986196743

[육군비전 2050 기획연재] ⑤ 새로운 개념의 창(槍) '극초음속 무기'

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ㅡ 8대 게임체인저

① 슈퍼 솔져

② 자율 전투로봇

③ 에너지 무기

④ 극초음속 무기

⑤ 비살상 무기

⑥ 무인 자율 이동체

⑦ 초연결 네트워크 체계

⑧ 지속 가능한 에너지 지원 체계

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⑤ 극초음속 무기

 

ㅡ 미래 무기체계의 하나로 ‘극초음속 무기(Hypersonic Missile Weapon)’의 개발이 크게 주목받고 있다.

낮은 고도를 빠른 속도로 자유자재로 기동할 수 있는 극초음속 무기는 기존 미사일이 가진 한계를 뛰어넘을 수 있는 ‘게임 체인저’로서 기대되고 있다.

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ㅡ 미국이 보유한 첨단 군사과학기술을 활용해 상대국이 미사일로 미국 본토를 공격할 수 있는 위협을 차단할 수 있도록 세계 곳곳에 첨단 미사일 방어체계를 배치하자, 이에 대항해 러시아와 중국은 미국의 미사일 방어망을 뚫기 위해 새로운 창인 극초음속 무기를 준비하고 있다.

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ㅇ 새로운 창 - 극초음속 무기

 

ㅡ 첨단 미사일 방어체계를 보유한 미국은 러시아와 중국이 보유한 극초음속 무기를 심각한 위협으로 판단하고 있다.

극초음속 무기는 마하 5 (음속의 5배) 이상의 속도로 일정한 포물선 형태가 아닌 자유자재로 기동하기 때문에 기존의 방어체계로 막을 수 없는 무기로 여겨진다.

아래 제시된 그림처럼 극초음속 무기는 고도 100km 이하에서 포물선이 아닌 자유로운 곡선으로 비행하다가 목표지점 근처에서는 수직에 가까운 각도로 낙하한다.

마지막 단계에서 수직 급강하하는 것은 목표지점 근처의 방어체계인 요격미사일 등의 위협을 피하고 강력한 피해를 주기 위함이다.

극초음속 무기 운용 개념도 / 출처 : JAPCC, Journal Edition 24, 2017, Transformation & Capabilities

 

ㅡ 극초음속 무기는 상당히 복잡하고 운용개념 역시 다양하지만 두 가지 형태로 분류할 수 있다.

첫 번째 형태는 극초음속 활공체(HGV, Hypersonic Gliding Vehicle)이다.

극초음속 활공체는 강한 추력을 내는 운반체에 탑재되었다가 대기권 상층(40~100km)에서 분리되어 표적을 향해 비행한다.

극초음속 활공체는 엔진과 연료없이 공기 속을 가르면서 마하 5이상의 속도를 낼 수 있는 유연한 기체구조와 기술을 가진 무기이다.

아래 극초음속 활공체 그림에서 보듯이 극초음속 활공체는 삼각형 모양으로 공기의 저항을 피하거나 이용하면서 삼각형의 꼭지점에는 탄두를 실을 수 있다.

 

두 번째 형태는 극초음속 순항미사일(HCM, Hypersonic Cruise Missile)이 있다.

우리가 알고 있는 토마호크(TomaHawk)는 먼 거리를 비행하면서 창문으로 들어가 주요 건물을 공격할 수 있는 순항미사일이다. 이런 순항미사일은 정확성에 비해 상대적으로 속도가 느려 아쉬운 면이 있었다.

그러나 극초음속 순항미상일은 이러한 기존 순항미사일의 단점을 보완하고, 빠른 속도로 인해 피격의 위협을 줄일 수 있다.

극초음속 순항미사일은아래 그림과 같이 기존의 비행기 형상을 유지하고 있고 입구에는 공기를 빨아들일 수 있도록 개방된 구조를 가지고 있다.

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ㅇ 극초음속 무기의 특징 - 1. 고속 고기동성

 

ㅡ 극초음속 무기를 미래의 게임체인저라고 부르는 가장 큰 이유는 고속 고기동성이다.

미국의 RAND연구소에 작성한 보고서에 의하면 지상배치 레이더는 미국을 향해 공격하는 탄도미사일을 3,000km 거리에서 감지하여, 표적지역 도달 전까지 12분 동안 방어체계를 가동하여 요격미사일을 발사한다.

그러나 극초음속 무기는 마하 5이상의 속도로 낮은 고도로 비행하기 때문에, 표적지역 도달 6분 전에 감지할 수 있다고 한다.

아래 그림에서 보듯이 일정한 포물선을 그리는 탄도미사일은 지상레이더에 높은 위치에서 목표와 아주 멀리 떨어진 지역에서 감지되지만, 극초음속 미사일은 목표 근처의 낮은 고도에서 포착된다.

목표 근처에서 극초음속 미사일을 탐지하더라도, 극초음속 미사일은 탄도미사일과 달리 일정한 궤도로 비행하지 않기 때문에 차후 이동지점을 예상할 수 없기 때문에 방어체계가 요격하기 힘들어진다.

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지상레이더에 의한 탄도미사일과 극초음속 무기의 탐지시점 비교 / 출처 :  https://news.joins.com/article/23529570

ㅇ 극초음속 무기의 특징 - 2. 시간의 압박과 모호성

 

ㅡ 극초음속 무기는 방어하는 상대에게 충분히 대응할 수 있는 시간을 주지 않는다.

미국의 ICBM 대응절차 시나리오를 보면 상대국이 ICBM을 발사한 순간을 포착하여 그 미사일을 폭파하는 데까지 25분이 걸리는 것을 알 수 있다.

그러나 극초음속 무기는 앞서 설명한 것처럼 ICBM 같은 고출력의 운반체에서 분리되어 나와 낮은 고도를 고속으로 기동하기 때문에, 탐지하고 요격하는 절차가 최대 6분안에 이루어져야 한다.

그러나 그 짧은 시간동안 탐지-추적-결심-행동의 절차가 기계적으로 진행되는 것은 현실적으로 어렵기 때문에, 방어하는 국가는 굉장한 시간적 압박 속에서 결정하고 행동해야 한다.

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ㅡ 그리고 극초음속 무기는 그 속도가 너무 빨라 탐지가 되었더라도 탄두에 핵이 실려있는지 재래식 탄두가 실려있는지 확정할 수 없다.

이런 모호성(ambiguity)은 대응을 어떻게 해야하는지 결정을 어렵게 만든다.

만약 재래식 탄두가 아닌 핵탄두라고 한다면 국가의 사활이 걸린 문제이기 때문에 전혀 다른 모습으로 대응을 해야한다.

탄두의 종류 뿐만 아니라 극초음속 무기는 자유기동을 하기 때문에 극초음속 무기가 어디로 향하는지 판단할 수 없다.

탄두미사일처럼 예상 표적지역을 유추할 수 있다면 표적주변의 미사일 방어망을 가동할 수 있으나, 표적 지역이 어디인지를 알 수 없기 때문에 이 미사일을 방어하는 국가는 어느 지역에 노력을 집중해야 하는 지 판단할 수 없다.​

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​ㅡ 그러나 극초음속 무기는 많은 예산과 고도의 기술이 요구된다.

극초음속 무기는 고도 30~60Km에서 주로 운용되는데, 그 고도는 우리가 아는 성층권과 중간권 영역이다.

표준대기의 특성을 보면 극초음속 무기의 운용고도는 온도변화도 심하지만, 무엇보다 공기의 밀도가 급격히 적어진다.

아래 표준대기의 특성을 표현한 그래프를 보면 공기밀도(density)는 고도 40km에 이르면 거의 ‘0’임을 알 수 있고, 온도변화(절대온도(K) = 섭씨온도(℃) + 273.15))는 지표면이 섭씨 20℃일 때 고도 10km에서는 영하 55도, 고도 50km에서는 영상 0도, 고도 80km에서는 영하 80도에 이를 정도로 고도에 따라 온도변화가 극심함을 알 수 있다.

공기밀도가 적으면 비행체가 비행할 때 공기마찰이 줄어들어 앞으로 추진을 위한 에너지를 절약할 수 있다.

한편 공기의 밀도가 적기 때문에 비행체가 공중에 떠다닐 수 있게 부피를 키우거나 다른 방안이 필요하다.

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지구 표준대기의 특성 / 출처 :  http://dx.doi.org/10.12673/jant.2016.20.2.134

 

ㅡ 공기와 마찰을 통해 발생하는 고온의 열을 견디는 소재개발과 공기의 저항과 밀도를 이용할 수 있는 최적화된 비행체 설계기술이 핵심이다.

마하 5이상의 속도에서 비행체 표면이 공기와 부딪혀 발생하는 온도는 1400℃를 넘는다.

그 온도를 차단하고 내부장치를 보호하는 내열‧단열기술이 없으면, 무기로서의 성능발휘가 제한된다.

그리고 비행체가 요격위협으로부터 살아남기 위해서는 부피를 줄여 탐지의 위험을 줄이는 레이더 반사면적(RCS)을 최소화할 수 있는 최적화 설계기술이 중요하다.