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제25호(07월) | 미래의 게임 체인저, 극초음속 미사일 등장과 역할

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Written by 김석곤(국방과학연구소 전문위원) 작성일17-07-31 15:36 조회5,537회 댓글0건

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미래의 게임 체인저, 극초음속 미사일 등장과 역할


김석곤(국방과학연구소 전문위원)


Ⅰ. 들어가면서

 

  역사적으로 보면 국가의 정치, 군사지도자들은 전투나 전쟁에서 승리하기 위해 적이 갖지 못한 치명적인 새로운 ‘비밀병기‘, 즉 게임 체인저(game changer)를 갖고자 끊임없이 고민과 연구를 해왔다. 고대부터 현대까지 전쟁에 투입되었던 활과 화살, 전차, 장궁, 화약과 대포, 기뢰와 어뢰, 잠수함, 항공기, 원자폭탄, 미사일 등과 같은 무기들은 나름 그 시대의 비밀병기들로서 전쟁수행 개념을 변화시키고 상대국을 압도하며 승리를 거두는 핵심 역할을 하였다. 맞서는 나라들은 이에 대응하거나 위협을 뛰어넘기 위해 또 다른 수단들을 개발하는 등 무기는 인류 역사와 함께 진화와 발전을 거듭해 왔다.
  제2차 세계대전이후 냉전시대부터 미국을 비롯한 러시아와 중국 간 무기개발 경쟁은 한층 더 치열해졌다. 특히, 미국은 러시아와 중국의 탄도미사일 위협을 막기 위해 SM-3, THAAD, Patriot 등으로 구성된 미사일 방어체계(MD: missile defense)를 구축하여 지속적으로 발전시키고 있다. 이에 맞서 러시아와 중국은 미국의 방어망을 뚫기 위해 과학기술 역량을 집중하여 마하 5(시속 6,120km, 서울-부산을 4분에 주파하는 속도) 이상의 극초음속 미사일과 비행체 개발에 총력을 기울이고 있다.  미국 역시 요망하는 무기체계 효과를 즉시 달성해야 하는 특정 표적에 대해 범지구적인 사정거리에서 재래식 무기체계로 정밀 타격하는 CPGS(conventional prompt global strike)의 일환으로 극초음속 미사일과 극초음속 비행체를 개발하고 있다. 최근 보도에 따르면, 러시아는 극초음속 순항미사일 지르콘(Zircon), 중국은 극초음속 비행체 WU-14(DF-ZF) 개발 비행시험에 연거푸 성공했다는 소식이 알려지면서 극초음속 무기의 시대가 임박했음을 짐작할 수 있다. 본 고에서는 미, 중, 러를 중심으로 전개되고 있는 극초음속 미사일과 비행체에 대한 각각의 기술적 특성과 개발 추진현황을 알아보고 시사점을 도출하여 우리가 지향해야 할 방향을 모색해 보고자 한다.


 Ⅱ. 음속의 분류


  음속은 통상 초속 340m/s 이지만 영상 15℃기준 공기 중에서 소리의 속도이다. 실제 소리의 속도는 온도와 밀도에 따라 달라지며, 고도에 따라 소리의 속도에 차이가 난다. 마하수(M)는 비행체의 속도(v)를 소리의 속도(c)로 나눈 값으로 계산된다. 항공기가 음속으로 비행한다면 소리의 속도와 같으므로 마하 1이며, 시속으로는 1,224km이다. 속도는 크게 아음속, 초음속, 극초음속으로 구분할 수 있다.

 

  1. 아음속(subsonic)


  아음속은 소리의 속도보다 느린 마하 1이하의 영역을 말한다. 최대 시속 300km로 달리는 KTX 고속열차의 주행속도를 음속으로 나타내면 약 마하 0.25이다. 함대함미사일 해성과 하푼(harpoon), 함대지미사일 토마호크(tomahawk) 등과 같은 순항미사일은 공기흡입식 터보팬 엔진을 사용하여 마하 0.8~0.9의 속도를 내며, 비행고도는 5m∼1km 정도의 저고도 비행을 한다.

 

   2. 초음속(supersonic)


  초음속은 마하 1~5(약 1,225m/s ∼ 6,120m/s) 범위를 말한다. 가장 큰 특징은 충격파의 형성인데, 비행체가 공기 중에서 속도를 내면 파면(wave front)이 생기고 그 주변의 공기를 점진적으로 압축시킨다. 초음속 비행은 고도 약 20km 정도에서 이루어지며, 저고도에서 초음속을 돌파하면 고고도보다 공기의 압력과 밀도, 온도가 상대적으로 높아 항력이 크고 고열이 발생하므로 내열재를 사용해야 한다.
Moskit와 Yahont(러시아), YJ-83(중국), Bramos(인도) 등과 같은 초음속 대함 순항미사일은 터빈과 같은 별도의 기계적인 압축장치 없이 초음속으로 유입되는 공기를 연소실로 밀어 넣고 흡입구 내부에서 발생하는 충격파를 이용하여 압축한 뒤 점화시키는 램제트엔진을 사용한다.

 

   3. 극초음속(hypersonic)


   극초음속은 마하 5(약 1,120km/s) 이상의 영역이며, 비행고도는 약 20~30km가 된다. 극초음속 상태에서는 강한 충격파를 통해 고온, 고압으로 압축된 공기에 노출되어 비행체의 온도는 2,000도 이상이 되므로 탄소, 세라믹, 금속 등을 혼합한 고강도 내화성 복합소재로 기체를 만들어야 하는 어려운 과제들이 존재한다.
  적용되는 추진기관은 스크램제트(scramjet) 엔진과 이중 램제트(dual Ramjet) 방식이 있다. 스크램제트(scramjet)는 초음속으로 이동해 높은 온도와 압력을 유지하는 공기에 곧바로 연료를 분사시켜 공기를 산화제로 사용하여 점화하는 방식이며, 엔진 작동이 가능한 속도 마하5까지 가속하기 위해 대형 부스터가 필요하므로 제작에 어려움이 있다. 이중 램제트(dual Ramjet) 방식은 하나의 엔진에서 램제트와 스크램제트의 기능이 복합적으로 이루어지는 구조이므로 부스터 소형화가 가능하여 대부분의 극초음속 순항미사일은 이 방식을 적용하는 것으로 알려졌다.


Ⅲ. 극초음속 순항미사일(HCM)과 비행체(HGV)의 특성


  극초음속 순항미사일(Hypersonic Cruise Missile)과 극초음속 비행체(Hypersonic Glide Vehicle)는 극초음속으로 비행한다는 측면에서 얼핏 비슷해 보이나, 세부적으로 살펴보면 적용되는 기술과 운용개념 등 여러 분야에서 특성의 차이가 많다.
  일반적으로 미사일은 순항미사일(cruise missile)과 탄도미사일(ballistic missile)로 나뉜다. 주요 구성은 약간의 차이는 있지만 추진기관, 유도조종 및 구동장치, 탄두 등으로 구성된다.

 

   1. 극초음속 순항미사일(HCM)


   극초음속 순항미사일은 순항미사일이 대기권에서 공기를 흡입하는 방식(air-breathing type)의 스크램제트(scramjet) 엔진이나 이중 램제트(dual ramjet) 엔진의 추진력을 이용하여 마하 5이상의 극초음속으로 비행하는 것을 말한다. 발사 후 미사일의 가속을 위해 사용된 고체연료 부스터만 분리되고 비행과정에서 추진기관의 연소가 계속 이루어지며, 비행속도는 기술적으로 마하 8정도 예상되나 현재 공개된 자료에 의하면 마하 5-6 수준에 머무르는 것으로 분석되고 있다. 운용고도는 대기 중의 공기를 흡입하는 방식의 엔진을 사용하므로 30km 이하로 제한된다.
  극초음속 순항미사일은 기존의 순항미사일처럼 육상이나 수상함, 잠수함, 항공기 등 다양한 플랫폼에서 운용이 가능하여 전략적 유연성을 갖는다는 점, 아음속 순항미사일처럼 저고도 비행이란 은밀성보다는 고도와 속도의 우위로 생존성과 치명성을 극대화한다는 점, 초고속으로  변침점(way point) 기동이 가능하여 비행탄도 예측이 매우 어렵기 때문에 요격이 거의 불가능하다는 점 등이 특성이면서 큰 장점으로 볼 수 있다. 사정거리는 1,000km이내이며 주요 표적은 육상 전략표적과 함정이 될 것이다.

 

  2. 극초음속 비행체(HGV)


  극초음속 비행체는 대륙간탄도미사일(ICBM)과 같은 발사체를 이용하여 높이 상승한 후 추진기관과 분리되어 극초음속으로 활공 비행하는 탄두가 포함된 비행체(Hypersonic Glide Vehicle)를 말한다. 탄도미사일의 추진기관을 활용하는 극초음속 비행체는 운용고도에 제한이 없으며 외기권으로 비행한 후 마하 10∼20 정도의 초고속으로 하강한다. 인공위성이 보내주는 표적 정보를 수신하며 날개와 핀을 이용하여 목표물을 정확하게 공격하므로 ICBM보다 훨씬 더 정밀한 공격을 할 수 있다. 극초음속 비행체의 속도를 고려하여 특수 내열제와 비행경로의 정확성을 위한 관성항법장치 등이 필수적이다. 대기권 진입한 이후에 변침기동이 가능하므로 탄도를 예측하여 요격하는 기존의 MD체계로는 방어가 어렵기 때문에 미국을 비롯한 러시아와 중국이 서로의 MD를 뚫기 위해 개발에 집중하고 있다.
  극초음속 비행체의 사정거리는 탄도미사일의 추진기관을 이용하고, 추진기관과 분리이후 활강하여 하강하므로 사용한 탄도미사일 사정거리보다 훨씬 더 멀리 비행할 수 있다. 또한 일반 탄도미사일은 발사후 대기권에 들어오기 전에 탄두는 분리되어 일반적인 포물선의 궤적을 그린다. 그러나 극초음속 비행체는 대기권에 진입한 이후 소형 보조추진엔진과 날개를 이용하여 방향을 수정하고 극초음속을 유지하므로 이를 막기는 사실상 불가할 것으로 분석된다. 


Ⅳ. 극초음속 순항미사일(HCM)과 비행체(HGV) 개발현황

 

    1. 극초음속 순항미사일(HCM)


  최근 보도에 따르면, 극초음속 순항미사일 개발은 미국이 먼저 착수하였으나 완성도 측면에서는 러시아가 앞서 나가고 있다. 특히 역사상 최초로 러시아가 2017년 후반기에 지르콘 양산에 돌입할 것이라고 발표되면서 최초의 극초음속 무기 시대를 열어갈 것으로 보인다.

 

    가. 미국.


  미국은 2004년 초음속순항미사일 X-51A 웨이브라이더(Waverider) 개발에 착수했다. 2010년 5월에 실시된 1차 시험 비행에서 마하 5로 143초 비행하였고, 2013년 5월 태평양 상공에서 B-52 폭격기에 X-51A를 탑재하여 스크램제트 엔진을 시동하여 고도 24km에서 최고속도 마하 5.1를 기록했다. 목표 비행거리는 740km였지만 약 426km 비행 후 연료가 소진되어 활강하며 소실된 것으로 알려졌으며, 이후 시험비행 소식이 알려지지 않고 있다.
  미국은 X-51 개발에서 얻은 기술적 성과를 바탕으로 HSSW(High Speed Strike Weapon)라는 극초음속 순항미사일 개발을 단계적으로 추진하고 있다. 실용단계에서의 목표는 사거리 약 1,000km, 운용고도 18-24km, 순항속도 마하 5-6으로 공중 발사 시 표적에 12분 이내 타격하는 것이다. 미국의 초음속 순항미사일의 작전배치는 2025년 이후에나 가능할 것이다.

 

  나. 러시아


  러시아는 2012년부터 개발에 착수하여 2016년 비행시험에 성공한 극초음속 순항미사일 지르콘(Zircon, 3M-22)을 2018년부터 양산에 들어가 수상함, 잠수함 등 다양한 플랫폼에 배치할 것으로 보인다. 비행속도는 마하 5~6, 사정거리는 400㎞(새로운 연료 사용시 1,000km), 비행고도는 약 30km, 일반 고폭탄두 뿐만 아니라 핵탄두도 장착 가능한 것으로 분석된다. 지르콘은 2017년 추가 시험 발사를 거쳐 배수량 24,300t 급 키로프급 나히모프함과 표트르 벨리키함에 탑재될 예정이며, 또 2022년까지 야센급 핵추진 잠수함, Tu-160M2 '블랙잭' 전략폭격기, 그리고 개발 중인 차세대 PAK-DA 스텔스 폭격기에 장착하는 것도 고려하는 것으로 알려졌다.

 

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<그림 - 1> 개발중인 극초음속 순항미사일(좌: 미국의  X-51A, 우: 러시아의 Zircon, 출처 : WIKIPEDIA)

 

     2. 극초음속 비행체(HGV)


  극초음속 비행체는 미국, 중국, 러시아에서 개발중에 있다. 최근에는 중국이 미국의 MD 방어망을 뚫기 위해 심혈을 기울여 앞서 나가는 것으로 추정된다.

 

       가. 미국


  미국은 2003년 최소 1시간 이내 지구 어디든지 타격할 수 있는 PGS(Prompt Global Strike)의 임무를 수행할 수 있는 여러 수단중 하나로 극초음속 활공방식의 비행체(HGV)를 발전시켜 왔다.
  HTV-2(Hypersonic Technology Vehicle-2)는 사정거리 17,000km, 비행속도 마하 20, 대기권 비행 중에 날개와 핀 등으로 컨트롤을 한다. 2010년~2011년 비행시험은 Minotaur Ⅳdp에 탑재되어 고도 100km까지 상승 후 분리, 부스터 작동 및 활강단계에서 바다에 추락한 것으로 알려졌는데, 추가시험은 없는 상태이다.
  AHW(Advanced Hypersonic Weapon)는 사정거리가 6,000km이며 비행속도는 마하 5의 성능을 목표로 개발 중에 있다. 2011년 첫 비행시험에서 하와이에서 남태평양 콰절런환초까지 약 3,900km의 비행에 성공하였으나 2014년 두 번째 시험에서는 실패했다.

 

  나. 중국


  중국은 '089 프로젝트'로 불리는 극초음속 무기개발 계획의 일환으로 미국의 HGV와 유사한 개념의 DF-ZF(WU-14)를 개발하고 있다. 비행속도는 마하 5~10, 사정거리가 2,000km인 중거리 탄도미사일 DF-21에 탑재하여 미 항모를 겨냥할 수도 있으며, DF-31 ICBM에 탑재하여 운용할 것으로 보인다. 최근 언론보도에 따르면 2016년 4월, 7번째 비행시험에 성공하였으며, 또 7차례의 시험 중 6차례가 성공적이었고 시험 성공 횟수도 미국을 능가한 것으로 알려졌다. 중국은 주한 미군에 배치되기 시작한 사드(THAAD)와 일본 항공자위대의 패트리엇(PAC3), 해상자위대 이지스함에 탑재중인 SM-3, 더 나아가 미국 본토의 MD 방어망을 뚫을 수 있는 타격수단 확보에 주력하는 것으로 보인다.

 

  다. 러시아


  러시아는 “프로젝트 4202”를 통하여 YU-71을 개발하고 있는데, 마하 5이상으로 사정거리 5,500km를 목표로 개발중에 있다. 최근 2016년 4월 SS-19 탄도미사일에 YU-71을 탑재하여 공중 분리시험을 수행하였으며, 2020년 실전 배치할 것으로 예상된다.

 

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<그림 - 2> 개발 중인 극초음속 비행체(좌: 미국의 HTV-2, 중: 중국의 DF-ZF, 우: 러시아의 YU-71, 출처 : WIKIPEDIA)


Ⅴ. 분석과 시사점


  미국을 비롯한 러시아와 중국은 “게임 체인저”로서 극초음속 무기개발에 박차를 가하고 있다. 극초음속 순항미사일(HCM)은 러시아의 지르콘(Zircon)이 2020년경부터 사상 최초로 지상, 함정, 잠수함, 폭격기 등에 탑재되어 전력화될 것으로 보이며 극초음속 무기시대를 열어 갈 것으로 전망된다. 극초음속 비행체(HGV)는 미국이 제일 먼저 개발에 착수하였으나 중국이  미국의 MD를 뚫기 위해 국가차원에서 과학역량을 집중하여 WU-14 비행시험을 성공적으로 수행하는 등 2030년대에는 지구 어디서든지 30분 이내 전략 표적을 타격하는 게임 체인저로서의 역할을 할 수 있을 것으로 보인다. 미국, 러시아, 중국은 한반도의 안보를 포함한 동북아의 안보에 직접적인 영향을 미치는 나라들이며, 개발 중에 있는 초음속 무기는 우리의 안보에도 큰 영향과 파장을 미칠 것으로 예상된다. 특히, 러시아와 중국은 핵무기 개발에서도 그러했듯이 언제든지 군사 기술이전 협력을 통해 북한을 지원할 가능성도 배제할 수 없다.  
  한반도를 둘러싼 강대국뿐만 아니라 북한도 나름의 비밀무기들을 준비하고 있다. 우리는 우리에 맞는 비대칭 게임 체인저로서 무엇을 준비하고 있는가? 수상함과 잠수함, 항공기와 육상 등 다양한 플랫폼에 탑재 가능하고 유연한 운용성을 갖는 극초음속 순항미사일은 우리가 준비할 수 있는 우리 나름대로의 “게임 체인저”로서의 대안 중 하나가 될 수 있다고 생각한다. 이제부터라도 극초음속 순항미사일에 대한 논의와 준비를 통해 대한민국 미래의 비밀무기, 게임 체인저를 갖도록 기반기술 확보와 체계적인 개발에 나서야 할 때이다.


<참고문헌>

 

김석곤 외, 해군무기의 세계, 한티미디어, 2016. 12. 23.
신영순, 신규개발/주요현안 무기체계, 한국국가전략연구원, 2016. 10. 31.
항공우주연구원, 극초음속 비행체 개발동향, 2016. 6.
동아일보, 미중러 극초음속 비행체 개발경쟁, 주간동아 1038호,2016. 5. 18.

인터넷 자료
http://www.russiadefence.net/t2758p300-russia-us-and-other-developments-in-hypersonic-research
http://www.munhwa.com/news/view.html?no=2014120501030809040001
http://nationalinterest.org/blog/the-buzz/russias-lethal-hypersonic-zircon-cruise-missile
http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2017/06/12/0200000000AKR20170612075600009.HTM
유용원의 군사세계(http://bemil. chosun.com)
Naver(http://naver.com)
Wikipedia(http://www.wikipedia.org)
http://www.globalsecurity.org/wmd/world/russia/objekt-4202.htm 

 


 

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