전문가 코너 첨단과학기술군_육군

<육군비전 2050 기획연재> ④ 무기체계 패러다임 전환, '에너지 무기'

첨단과학기술군_육군 작성자: 운영자
조회: 11114 추천: 0 글자크기
0 0

작성일: 2020-06-30 10:58:58

* 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


미래 무기체계 중에서 화약탄을 대체할 수 있는 ‘전기에너지탄’의 개발은 기존의 무기체계를 크게 변화시킬 것으로 기대되는 분야이다. 현재 운용되는 화약탄은 탄약의 중량과 부피로 인해 휴대와 관리, 지속성 측면에서 본질적인 한계가 존재하는 것이 사실이다. 하지만, 에너지 무기는 탄약을 휴대하거나 보관할 필요가 없으며, 재무장 없이 한 번의 충전으로 다량의 사격이 가능하고 운용비용이 저렴하여 작전 지속능력이 탁월하다. 이러한 획기적인 장점으로 인해 「에너지 무기」는 2050년 육군의 또 하나의 ‘게임 체인저’로써 인식되고 있다.

이렇게 전기에너지를 무기화하기 위하여 개념적 접근을 시도한 에너지 무기의 대표적 사례로써 ‘레이저 무기’와 ‘레일건(rail-gun)’을 들 수 있다. 레이저 무기와 레일 건 등의 에너지 무기는 초정밀, 초장거리 사격이 가능하여 원거리 목표물 타격에 사용될 수 있다. 특히, 레이저는 부대방호, 통신 등 다양한 분야에서도 활용이 가능하다. 또한, 기술개발의 진전에 따라 소형화, 경량화가 이루어지게 되면, 개인 소총뿐 아니라 전차, 장갑차, 헬기, 드론, 전투로봇 등 어디에나 탑재가 가능하여 활용성이 비약적으로 확장된다. 이러한 에너지 무기 실용화의 관건은 전기에너지의 지속적인 공급 여부가 될 것이다. 그러면, 이러한 미래지향적 무기체계 중 ‘레이저 무기 & 레일 건’에 대해 살펴보자.




- 빛의 속도로 발사하는 지향성에너지 기반의 '레이저 무기'



○ 레이저 무기란?

레이저 무기는 높은 출력과 지향성을 가진 레이저 빔을 표적에 조사하여 표적의 동체를 파괴 또는 탑재 전자센서를 무력화시키는 무기체계이다. 레이저 무기는 레이저를 활용한 무기체계로써, 이른바 ‘광속(光速)’의 교전이 가능하며, 지향성이 우수하여 정밀 조준이 가능하고, 에너지 집중도가 우수하여 파괴용 무기체계로도 활용된다. 예를 들어, 적 탄도미사일을 낮은 고도에서 요격하거나, 인공위성 또는 UAV에 탑재하여 적 항공기나 미사일 등을 타격할 수 있는 것이다. 미래에는 차량에 탑재할 수 있도록 소형화하여 폭발용 탄약과 함께 상호보완적으로 활용할 수 있으며, 개인이 휴대할 수 있는 레이저 건은 탄약이 필요 없고, 정확성이 우수한 개인 전투체계로 발전될 것이다.





美 육군이 지상 전장에서 차량장착형 레이저 무기를 활용하는 모습의 개념도.

출처 : https://defence-blog.com/army/u-s-army-accelerates-high-powered-laser-weapon-program.html


○ 레이저 무기의 강점(strength)

레이저 무기의 강점은 기존 화약탄과의 차별화되는 본질적 특성인 지향성 에너지의 활용에서부터 비롯된다. 레이저 무기는 ▲첫째, 고속 표적에 대해 신속(광속, 30만 km/sec) 공격이 가능하다. 이는 기존의 화약탄이 빠르게 이동하는 표적에 대해 선도거리를 고려한 사격을 해야했던 한계점을 극복하게 해준다. ▲둘째, 중력의 영향없이 직진으로 초정밀 타격이 가능하다. 그로 인해 화약탄의 특성인 ‘탄도곡선’에 대한 고려가 불필요해지며, 사거리의 비약적인 증대를 노릴 수 있게 되는 것이다. ▲셋째, 전원 공급 시에는 탄환의 보급 소요가 전혀 없는 상태에서 무제한적으로 운용될 수 있다. 이는 작전지속지원의 측면에서 획기적인 변화를 가져올 것으로 보이며, 1회 발사에 약 1달러 이하의 비용을 사용하는 수준으로 발사비용을 절감함으로써 경제적 측면에서 긍정적인 효과가 발생할 것으로 예상된다. 그리하여 에너지 무기는 다양한 장점 요소들을 바탕으로 미래 무기체계의 대안으로서 각광받고 있다.

위에서 언급된 내용 외에도, 레이저 무기는 소형·고속 대공표적(UAV, 유도탄 등)에 대한 정밀타격 및 요격 무기로 개발이 가능하다. 그리고 특수전 작전 시, 테러범 등을 선별적으로 타격하는 대테러 무기로도 활용성이 클 것으로 보인다. 그리고, 레이저 무기의 또 다른 형태로서 공중에 레이저 전송 거울을 운용한다면 지상의 레이저를 반사하여 적의 미사일 및 전투기의 요격이나 수백 km 거리의 목표물에 대한 타격도 가능하다. 또한, 레이저는 무기 이외에도 다양하게 활용될 수 있는데, 무선 주파수의 한계를 극복한 레이저 통신은 우주 공간에서도 자유롭게 통신이 가능하다. 장애물, 화학제 등의 탐지에도 활용될 수 있으며 유도탄용 레이저 조사기로 표적 지시기의 역할도 가능하다는 점에서 그 활용성이 매우 클 것으로 예상된다.


○ 레이저 무기의 약점(weakness)

한편, 레이저무기는 광학적 측면에서부터 비롯되는 한계점이 존재한다. ▲첫째, 기상조건(비, 눈, 안개 등)에 따라서 그 성능의 편차가 커질 수 있다는 것이다. 빛의 지향성을 이용하는 무기이므로 대기 상태 등 환경적 요소로부터 영향을 받아 굴절율 변화, 산란 효과 등을 겪게 된다. 이는 무기체계로써 운용함에 있어서 성능 발휘 측면에서의 신뢰도 문제를 야기한다. ▲둘째, 레이저 무기의 직진성으로 인해 가시선(line of sight) 측면에서의 제한이 불가피하다. 이를 극복하기 위해서는 ‘레이저 전송 거울’ 등을 이용해 곡사화기를 운용하는 것과 유사한 효과를 발휘할 수도 있으나, 현재의 기술력 수준으로는 레이저의 출력을 충분히 발휘하는 데 제한이 있는 실정이다. 다만, 이는 레이저 무기의 본질적인 약점이라기보다는 ‘기술의존적 한계’에 해당될 것이며, 점차 기술력의 향상을 바탕으로 극복될 것으로 보인다.


○ 레이저 무기의 요구능력 및 개발현황

현재에도 이스라엘에서 활용하고 있는 레이저 무기는 4km 이내의 근거리 대포, 로켓 등을 직접 타격할 수 있는 아이언 빔(Iron Beam)의 핵심적인 기능을 수행한다. 아이언 빔(Iron Beam)은 이스라엘의 대공방어체계인 아이언돔(Iron dorm)의 중요한 기능을 담당하는 레이저 무기이다.





이스라엘의 레이저빔을 활용한 방어체계 개념도.    출처 : https://www.nowtheendbegins.com/israel-unveils-laser-defense-system-compliment-iron-dome-defend-against-gaza-hamas-iran-hezbollah-missile-strikes/



이러한 레이저무기를 전력화하기 위한 요구능력으로는, ▲첫째, 고에너지 레이저 발진기술을 개발함으로써 근거리 무인기를 요격하거나 유도탄 및 탄도탄을 무력화하거나 요격할 수 있는 능력을 갖추어야 할 것이다. ▲둘째, 초고속 및 초정밀 추적조준 기술을 개발하여 고속이동 표적에 대해 정확한 조준이 가능토록 해야 할 것이다. 셋째, 레이저 무기를 전술플랫폼에 탑재할 수 있도록 소형화 및 경량화 기술을 개발해야 할 것이다.

국내 연구개발 현황으로서, 이름을 밝힐 수 없는 국내 000연구소에서는 90년대 후반부터 연구개발을 추진하여, ’14년에는 1Kw급 레이저포 시제품 개발 및 기술 시연을 하기도 하였다. ’20년에는 보다 고출력의 레이저 발진기술 및 로켓탄·유도탄을 무력화할 수 있는 시제품을 선보일 것으로 예상된다. 이후에는 광섬유레이저를 개발하고, 소형화·경량화에 보다 박차를 가할 것으로 보이며, 전투차량 탑재 가능 수준으로 도약할 것으로 기대된다.





차량장착식 지상운용 레이저무기 개념도. 출처 : http://raytheon.com




- 전자기력을 이용해 초고속으로 탄체를 발사하는 '레일 건'



두 전기전도체 레일 사이에 금속 탄체를 놓고 레일에 전류를 흘려보내 발생하는 전자기력으로 탄체를 가속하여 발사하는 무기인 '레일 건'은 화약 대신 전자기력으로 탄환을 발사시킬 수 있어 기존의 대포보다 사출 속도가 10배 이상 빨라 초장거리까지 화력을 투사할 수 있는 무기이다. 레일건은 총탄이 소리보다 빨리 도달하므로 표적 당사자들은 총성을 들을 수 없어 기습의 효과를 달성하고, 적에게 공포심을 배가시킨다. 또한, 폭발적인 운동 에너지는 기존의 화포에 비해 섬광은 1/1000, 폭음은 1/10수준을 나타내면서도 기존 화포의 폭약을 능가하는 파괴력을 발휘하면서, 화약을 사용하지 않기에 작전지속지원 측면에서의 탄약 재보급이 불필요하다.





자주포형 지상운용 레일건 개념도. 출처 : http://nationaldefensemagazine.org


○ 레일건의 작동 원리

먼저, 레일건의 기본적인 개념 및 작동원리를 살펴보면, 다음과 같다. 레일건은 전자기력을 이용해 탄체를 초고속(2.5km/s)으로 발사하여 장거리 목표물을 신속하게 타격하기 위한 미래 무기체계이다. 전자기력에 의한 초고속으로 인해 기존의 화포 사거리의 한계(1.8km/s)를 뛰어넘는 무기이다.

레일건은 평행하게 설치된 레일에 대전류를 인가하면 레일 주변에 형성된 자기장과 전기자를 통해 흐르는 전류의 상호작용으로 인해 발생된 로렌츠 힘(Lorentz's Force)에 의하여 전기자를 추진시키게 된다. 여기서 전기자의 추진속도는 기존의 화학 추진제가 낼 수 있는 속도를 뛰어넘는다.

 






레일건의 작동 원리를 나타내는 개념도.

출처 : Hong-bin Xie. et al. (2020). "Research progress on advanced rail materials for electromagnetic railgun technology". Defence Technology.



레일건은 화학 추진이 아닌 무화약의 전자기력에 의해 추진되기 때문에 화약으로 인한 소음, 열기가 없어 적의 탐지 수단으로부터 보호되고, 통제 가능한 전기 에너지로 사거리 조절이 가능하다.


○ 레일건의 강점(strength)

레일건은 화학 추진체의 사거리 한계, 화약으로 인한 소음과 열기로 인한 위치 노출, 재래식 탄약의 생산과 보관에 따른 비용 발생 등을 고려했을 때 미래전장에서 반드시 필요하다. 이러한 레일건의 강점은 크게 2가지로 분석할 수 있다.

▲첫 번째, 월등한 무기효과이다. 미 해군이 목표로 하는 발사속도는 분당 10발이기 때문에 지속적 화력지원이 가능하다. 미 해군 연구소에 의하면 기존 화포와 레일건을 동일한 에너지로 시뮬레이션 할 경우 발사 섬광량은 1/1000, 발사시 폭음은 1/10수준으로 교전시 위치 노출억제에 유리하다. 또한, 탄속이 빠르기 때문에 각종 마찰요소에 노출되는 시간이 짧아(측풍, 중력, 기상상황 등) 명중률에 크게 기여할 것으로 판단된다.

▲두 번째, 경제성이다. 중거리 지대지 미사일 등의 다양한 운동성 무기체계는 1기 당 발생하는 비용이 많이 든다. 그러나 레일건에서 발사하는 탄환 1발당 발생하는 비용은 레이저 무기체계와 비슷하다. 발사당 발전기 전기를 이용하므로 전·평시 탄약 비축, 저장, 운송, 공급 등과 관련되는 시설, 인력, 차량과 관련된 소요가 없다.

이러한 강점을 지닌 레일건 무기는 레이저 무기의 단점인 날씨의 제한 및 직진성으로 인한 직접 타격의 제한을 보완할 수 있기에, 레이저 무기와도 상호보완적으로 사용할 수 있다.


○ 레일건의 약점(weakness)

하지만, 1970년대부터 시작된 레일건 관련 연구에도 불구하고, 아직도 해결하지 못한 현실적인 문제가 존재하는데, 바로 충격에 대한 내구성, 과다한 전력 소모, 그리고 내마모성에 대한 문제이다.

구체적으로 살펴보면, 레일건의 특성상 음속의 4배 이상의 충격파를 견뎌야 하며, 매우 강한 자장으로 인한 충격은 총신(레일)을 파괴할 수도 있다는 취약성이 존재한다. 또한, 대용량의 전력소모와 고속의 탄환 발사시에 생기는 레일 마모 문제는 실용화에 가장 큰 기술적 문제이다.

현재는 美 해군을 중심으로 전술적, 전략적 무기로써 실용화를 추진하는 수준이다. 그러나 향후 관련 분야의 기술이 지속 개발되어 레일건 무기가 전장에서 다양한 모습으로 활용될 것이며, 특히 초장거리 목표물을 타격하는 육군의 전략적 무기로도 활용될 수 있을 것이다.


○ 레일건의 운용개념 및 요구능력

지상전에서의 레일건 무기 운용개념은 다음과 같다. ▲첫째, 지상의 고정시설에 설치하여 적 전술차량, 전차 등을 파괴하거나 적 위협범위 밖에서 핵심표적을 타격한다. ▲둘째, 보병 및 기계화부대에 편성하여(소형화 가능시) 적 전술차량, 전차 등을 파괴하기 위한 대전차화기로써 운용한다.

그리고 이를 위해 요구되는 개략적인 능력으로서, ▲첫째, 무기체계(전차 등 이동식 플랫폼)에 탑재 가능한 소형화가 필요하다. ▲둘째, 연속발사가 가능해야 하며, 전기자의 위력 향상이 필요하다는 것이다. 이를 위해서는, 전자기포의 내구성이 강화되어야 할 것이며, 무기체계의 부피를 소형화하는 동시에 모듈화하여 소요 공간을 최소화하는 기술이 마련되어야 할 것이고, 전기자의 접촉 저항을 감소시키는 기술 등에 대한 연구개발이 필히 수반되어야 할 것이다.

현재 국내외 전력화된 체계는 없으나 미국, 중국, 유럽 등 선진국에서 연구 및 시제 개발을 진행 중이며, 국내에서도 핵심기술 응용수준으로 연구 중이다. 현재 국내 000 연구조직에서는 ‘고정형 레일건 → 포신형 레일건’의 순서로 개발전략을 추진 중이며, 향후에는 ‘지상고정포 및 함포’의 형태로 개발해나갈 예정이다.





중국에서 전력화하여 함상에 배치한 레일건의 모습(2018).

출처 : https://www.newsweek.com/china-secretly-building-superweapon-leaked-photos-first-hypersonic-railgun-798565



- 레이저 무기가 전력화되어 배치될 미래의 전장에서 우리는?



미래 육군은 다양한 무기체계를 활용한 새로운 전투수행 개념 하에 전투를 수행할 것이고, 특히 레이저 무기체계는 기존의 화약탄을 보완 및 대체하는 방식으로 확산될 것으로 판단된다. 다만, 이러한 무기체계 분야의 군사혁신은 결코 레이저무기체계에 대해서만 국한되지 않을 것이며, 다양한 군사혁신이 누적되고 복합적으로 상호작용하게 될 것이고 결국에는 전쟁의 기존 패러다임의 전환을 촉진하게 될 것이다.

다만, 문제는 이러한 대전환의 국면을 앞두고 우리는 어떠한 주도권 확보 전략을 마련할 것인가에 대한 고민이다. 세계의 주요 국가들이 새로운 개념의 싸우는 방법을 경쟁적으로 발전시켜 나갈 것이며, 주요 선진국들은 기존의 패권을 유지하기 위해 더욱 필사적으로 노력할 것이다. 우리는 이러한 예정된 미래의 각축전을 구체적으로 상정하고, 첨단과학기술력을 바탕으로 미래 무기체계의 핵심기술을 선제적으로 확보해나가야 할 것이다.



<글 : 육군미래혁신연구센터 소령 이 웅>


이미지

a-1.jpg

댓글 0

등록