전략 탄도 미사일... 두 얼굴의 로켓 - 미사일과 위성발사체

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전략 탄도 미사일...

 

전략 탄도 미사일은 지상에서 발사할 수도 있고, 해저의 잠수함에서 발사할 수도 있다.

 

사정거리에 따라서

중거리 탄도 미사일(intermediaterange ballistic missile/IRBM)과

대륙간 탄도 미사일(intercontinental ballistic missile/ICBM)로 나뉜다.

 

IRBM은 사정거리가 약 960~5,600㎞이며, ICBM은 5,600㎞가 넘는다.

 

ICBM을 적의 공격으로부터 안전하게 지켜내는 방법이 그 지상배치에 있어서

오랫동안 과제로 부각되어왔다.

 

1960년대에 미국과 소련은 그들이 보유한 ICBM을 지하에 설치한 사일로(silo)라는

콘크리트 통에 저장하기 시작했다.

이 사일로 중 일부는 핵폭격에 대비하여 보강되었다.

 

소련은 '냉발사'(冷發射) 방법을 개발했다.

그것은 가스로 발사한 미사일이 사일로를 빠져나간 뒤 로켓 엔진이 점화되도록 함으로써

사일로를 조금만 수리하여 재사용할 수 있게 하는 방법이다.

 

사정거리와 투사중량(投射重量)의 증대를 위해 탄도 미사일은 통상 다단식(多段式)으로

되어 있다.

 

비행이 진행되면서 하단(下段)이 떨어져나감으로써 고단부(高段部)로 갈수록

가속할 중량이 줄어든다.

이로써 미사일은 더 멀리 날 수 있고 더 큰 탄두를 탑재할 수 있게 된다.

 

탄도 미사일의 비행진로에는 연속되는 3단계가 있다.

 

발사(boost) 단계로 불리는 1단계에서는

로켓 엔진이 미사일을 특정 탄도궤도에 올려놓는 데 필요한 정확한 양의 추진을 제공한다.

 

그런 다음 탄두를 탑재한 미사일의 종단(終段)이

지구 대기권 밖에서 2단계인 미드코스(mid-course) 단계의 비행을 한다.

 

비행의 최종 단계에서는

지구의 중력이 탄두를 대기권으로 다시 끌어당겨 목표지점으로 떨어뜨린다.

 

이때 대기권으로 다시 들어오는 탄두는 '재돌입 운반체'(reentry vehicle)라고 부르고

RV로 약칭한다.

 

대부분의 탄도 미사일은 관성유도 방식으로 목표물의 근접지에 도달한다.

 

동력을 공급받는 발사단계 후반에는

대기가 아주 희박하여 수직안정판과 같은 공기역학적 비행 조종장치는

작동할 수가 없으므로 진로수정을 로켓 엔진 자체로 할 수밖에 없다.

 

이 수정은 주(主) 엔진을 선회축으로 회전하도록 짐벌(gimbal) 장치를 다는 것으로서,

로켓의 배기관 내에 베인(vane)이라고 불리는 날개판을 설치함으로써,

또 어떤 경우에는 추력(推力) 모터 또는 스러스터(thruster)로 알려진

소형 로켓 엔진을 설치함으로써 가능해진다.

이 기술을 추력조종(thrust-vector control)이라고 한다.

 

현대 탄도 미사일의 선구는 독일의 V-2이다.

 

그것은 액체산소와 에틸알코올을 추진제로 하고 수직안정판을 장착한

1단 로켓의 미사일이다.

 

최대 사정이 약 320㎞에 달하도록 하기 위해 V-2는 처음에 수직 상공으로 발사되어야 했고

그런 다음 최대사정을 얻을 수 있는 각도인 50°에 약간 못 미치는 비행각으로 전환해야 했다.

 

제2차 세계대전이 끝날 때까지 이런 미사일 4,000기가 이동 기지들로부터

연합군측 목표물을 향해 발사되었으며, 1기당 5명을 죽인 것으로 추산되었다.

 

V-2는 새로운 군사과학기술 시대의 도래를 알렸다.

 

종전 후 미국과 소련은 이 새로운 미사일들을 입수하고 동시에

그것을 개발한 독일의 과학자들을 확보하기 위해 치열한 경쟁을 벌였다.

 

미국은 발터 도른베르거와 베르너 폰 브라운을 포섭하고

V-2 60기 이상을 획득하는 데 성공한 반면,

소련이 무엇을 또는 누구를 차지했는지는 정확히 밝혀지지 않았다.

 

1957년 소련은

최초의 유인 인공위성 스푸트니크(Sputnik)와 함께 하나의 다단식 탄도 미사일을 발사했다.

이 미사일을 나중에 북대서양조약기구(NATO)에서 SS-6 새프우드(Sapwood)라고 불렀다.

 

이 일로 미국에서는 '미사일 갭' 논쟁이 불붙었고,

그 결과 미국의 IRBM인 소어(Thor)와 주피터(Jupiter)의 완성에 최우선 순위가 부여되었다.

 

이 2종의 IRBM은

모두 액체연료의 1단 로켓 미사일로, 유도방식은 관성유도였고 탄두는 1.5Mt급이었다

(액체추진제).

 

이 미사일들의 해외 배치가 정치적으로 어려워지자 미국은 ICBM의 개발을 서둘렀고,

그결과 1963년말 소어와 주피터의 임무는 끝나게 되었다.

 

소련의 SS-6 체제는 북반구의 고위도지방에서 발사할 수밖에 없었는데,

극히 불량한 기상조건이 그 성능을 형편없이 떨어뜨렸다.

 

1960년 한 미사일 엔진이 시험중에 폭발하여 전략 로켓 부대의 부대장을 포함한

수백 명의 참관인이 죽는 사건이 발생했다.

 

아마 이 기술적인 실패의 결과로

(그리고 미국의 소어 미사일과 주피터 미사일의 배치에 대응한다는 것도 하나의 원인이 되었음)

소련은 IRBM인 SS-4 산달(Sandal)을 미국에 보다 가깝고 기후가 보다 온화한 곳에 배치하려고

시도했다.

 

이 미사일은 1Mt의 탄두를 탑재했으며 사정거리가 1,440~1,600㎞이었다.

이 시도가 1962년의 쿠바 미사일 위기를 촉발했으며, 그후 SS-4는 중앙 아시아로 철수되었다.

 

그 사이 미국은 미국 영토에 배치할 실전용 ICBM을 개발하고 있었다.

 

그 최초의 것이 아틀라스(Atlas)와 타이탄(Titan) 1호로,

이 미사일들은 액체연료 엔진을 사용하고 무선유도와 관성유도(또는 양자병용) 방식을 채택했으며,

최대사정이 1만 800㎞에 달했다.

 

초기의 액체연료들은

저장하기가 어렵고 채우는 데 시간이 낭비되어 반응시간이 비교적 느려짐으로써 아주 위험했다.

개량된 펌프를 사용함으로써 타이탄 1호의 반응시간은 1시간 이상에서 20분 미만으로 단축되었다.

 

이어 미사일 내에 계속 채워 저장할 수 있는 제2세대의 액체연료가 개발됨으로써

반응시간이 약 1분으로 줄어 들었다.

 

그러나 저장할 수 있다고 해서 액체연료에 내재하는 위험이 줄어든 것은 아니어서,

1960년대초에 고체연료로 추진되는 제3세대의 미사일이 쓰이게 되었다.

 

고체 추진제는 종래의 액체 추진제보다 만들기도 쉽고 저장하기도 안전하며 무게는 가볍고

신뢰도는 높았다.

 

고체연료를 사용한 미국 최초의 미사일은 미니트맨 1호이다.

이것은 처음 철도 차량으로 이동하는 체제로 구상되었지만 1962년 사일로에 배치되었다.

 

소련이 개발한 최초의 고체연료 ICBM은 SS-13 새비지(Savage)로, 이것은 750kt의 탄두를

8,000㎞ 이상 운반할 수 있었다.

 

소련과 미국 양국은 초기에 지상 배치용 ICBM의 생산에 힘쓰는 동시에 잠수함에서 발사하는

탄도 미사일(submarine-launched ballistic missile/SLBM)을 개발하고 있었다

(잠수함 발사 핵탄두 미사일).

 

1955년 소련은 최초의 SLBM인 1~2Mt급의 SS-N-4 사크(Sark)를 발사했다.

 

이 미사일은 1958년 디젤 전기 모터를 동력원으로 하는 잠수함에 탑재·배치되었고

뒤이어 핵추진함에도 배치되었다.

발사를 표면에서 해야만 되었고 사정거리가 560㎞밖에 되지 않았다.

 

미국의 폴라리스(Polaris) 프로그램은 1960년 실시되었다(폴라리스 미사일).

폴라리스 A-1은 각각 1Mt의 탄두 하나를 탑재하고 사정거리는 2,240㎞이며,

폴라리스 A-2는 사정거리가 2,720㎞이다.

 

미국은 고체연료를 사용한 반면, 소련은 1978년까지 저장 가능한 액체연료를 사용하다가

SS-N-17 스나이프(Snipe)에 고체연료를 채택했다.

 

1980년대 중국은 고체연료를 사용하는 2단 로켓의 CSS-N-3 SLBM을 배치했다.

이것은 사정거리가 2,720㎞이고 2Mt의 탄두 1개가 탑재되었다.

 

1970년대초에 이르러

ICBM의 새로운 물결을 일으킬 여러 가지 다양한 과학기술이 무르익고 있었다.

 

종래의 원폭장치보다 훨씬 가벼운 열핵탄두(熱核彈頭)가 1970년까지 ICBM에 채택되었다.

보다 큰 투사중량을 발사할 수 있게 됨에 따라 설계가들은 각 탄도 미사일에 여러 개의 탄두

(多彈頭)를 첨가할 수 있게 되었다.

 

향상된 훨씬 가벼운 전자회로는 보다 정확한 유도로 이어졌다.

 

이들 기술의 통합을 향해 내디딘 제1보가 다탄두

즉, 복수(複數) 재돌입 운반체방식(multiple reentry vehicle/MRV)과

부분궤도 폭격체제(Fractional Orbital Bombardment System/FOBS)이다.

 

소련은 이 2가지 능력 모두를 1967년 실용화하기 시작한 최초의 '중'(重) 미사일

SS-9 스카프(Scarp)를 통해 선보였다.

 

FOBS는 저궤도발사를 기초로 하여 공격목표로부터 반대방향으로 발사된 뒤

지구궤도를 부분적으로 돌다가 낙하하도록 계획되었다.

이러한 투사방법을 쓰면 무엇이 공격목표가 되고 있는지 판정하기가 아주 어렵게 된다.

 

MRV 기술을 이용하면 같은 탄도 미사일에서 여러 개의 탄두가 나와

같은 목표를 공격함으로써 그 목표물을 파괴할 수 있는 확률을 높인다.

 

아니면 재돌입 운반체의 특성이 주어질 때 표적으로 삼을 수 있는 구역이 되는

아주 좁은 탄도 '족적'(足跡) 내의 다른 목표물들을 개개의 탄두가 공격하게 된다.

 

미국은 MRV를 폴라리스 A-3에 채택했다.

이 폴라리스 미사일은 1964년에 배치된 이후 200kt의 탄두 3개를 탑재하고

4,480㎞의 거리를 비행했다.

 

미국은 다음 단계의 기술로 복수 각개 목표 재돌입 운반체

(multiple independently targetable reentry vehicle/MIRV)를 소개했다.

 

MRV와 달리 각개 목표 RV들은 서로 멀리 떨어진 목표물들을 공격하도록

방출될 수 있었기 때문에 미사일 본래의 탄도궤도에 의해 설정된 족적을

근본적으로 확대했다.

 

이 미사일의 복잡한 조작체계는 가외의 중량을 요했고,

그것은 MIRV 방식의 미사일은 폭발력이 보다 낮은 탄두들을 탑재할 수밖에 없다는

것을 의미했다.

 

이것은 또한 RV들을 그 탄도상(彈道上)에서 방출할 때 탄착정도가 커야 한다는

것을 의미했다.

 

최초의 MIRV 방식 미사일은 미국의 미니트맨 Ⅲ이다.

1970년 배치된 이 3단의 고체연료추진 ICBM은 170~335kt으로 추정되는 MIRV

3개를 탑재했고 사정거리는 1만 2,800㎞였다.

 

이어서 포세이돈형과 트라이던트형의 미사일이 1970년대에 잇따라 나와

1980년대의 MX로 통칭되는 피스키퍼(Peacekeeper) 미사일을 위한 길을 닦았다.

 

피스키퍼 미사일은 300kt의 탄두 10개를 탑재하고 1만 1,200㎞의 사정거리를 갖는

3단 ICBM이다.

 

피스키퍼의 탄착정도향상은 부분적으로 미사일의 위치를 외부에서

별이나 인공위성과의 상대적 위치측정으로 수정하는 천문항행(天文航行) 체제를

이용한 데 기인했다.

 

소련에서도 그에 못지 않은 근본적인 발전이 고체연료로 추진되는

SS-24 스캘펄(Scalpel)과 SS-25 시클(Sickle)에서 이루어졌다.

 

이 ICBM들은 탄착 정도를 높였고 배치방식에 있어서 새 세대를 대표했다.

 

SS-24는 철도 차량에서 발사되었으며

SS-25는 은폐된 발사기지들 사이를 왕복하는 바퀴 달린 발사대에 탑재되었다.

 

미사일의 유도를 별이나 인공위성과의 상대적 위치 측정으로 수정한 후에도,

최종낙하 때의 요동으로 인해 탄두가 탈선할 가능성이 있었다.

 

2가지 기술이 이 문제를 극복할 수 있는 방법을 제공했다.

기동핵탄두, 즉 MaRV(maneuverable reentry vehicle)가 미국의 IRBM인

퍼싱 Ⅱ 미사일에 처음 채택되었다.

 

이 미사일은 1984년 유럽에 배치되었다가

1987년 중거리 핵전력(Intermediate-Range Nuclear Forces/INF) 조약에 따라

철거된 것이다(중거리핵전력협정).

 

퍼싱 Ⅱ의 탄두는 레이더 역유도(Radag：radar area guidance) 장치를 담고 있었다.

 

이 장치는 탄두가 강하하는 곳의 지형을 내장된 컴퓨터의 저장된 정보와 비교한다.

그런 다음 탄두의 활강을 조절하는 수직안정판을 관제하도록 지령을 내린다.

 

이런 장치에 의한 최종단계의 수정은 사정거리 1,760㎞인 퍼싱 Ⅱ의 오차범위를

45m라는 근소한 폭으로 좁혔다.

 

또다른 기술의 개가는 정밀유도탄두 또는 PGRV(precision-guided reentry vehicle)이다.

이것은 표적을 능동적으로 찾아낸 다음 비행관제를 이용하여 재돌입의 오류를

사실상 '시정비행'한다.

 

이 기술의 개발로 탄착정도가 핵탄두를 재래식 폭약으로 대체해도 좋을 만큼 높아질 수 있다.

 

탄도 미사일이 예측할 수 있는 진로를 따라 날아가는데도 불구하고 이에 대한 방어는

오랫동안 기술적으로 불가능한 것으로 생각되었다.

 

그것은 탄도 미사일의 RV들이 크기가 작고 굉장한 속도로 비행하기 때문이었다.

그러나 1960년대말부터 미국과 소련은 모두 핵으로 장비된 여러 층의 대(對) 탄도 미사일

(antiballistic missile/ABM) 체제를 계속 추진했다.

 

 

미국의 지상발사형 대륙간탄도미사일(ICBM)인 'LGM-118 피스키퍼'의 발사장면

미국은 1980년대 피스키퍼를 실전 배치했으나

소련과의 전략무기감축협정(START II)에 따라 감축하여 2005년 최종 해체하였다.

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http://100.daum.net/encyclopedia/view/73XXXXKS2720

                                                                                   글 : 정홍철 스페이스스쿨 대표 2006-08-21

두 얼굴의 로켓 - 미사일과 위성발사체

지난 7월 5일 새벽,

북한은 대륙간탄도탄급인 대포동(북한 명은 ‘백두산’) 2호를 비롯해 여러 미사일을 발사해

세계를 경악케 한 바 있다.

지금까지 대포동 2호의 정체를 두고 미사일인지 위성발사체인지 논란이 있다.

과연 대포동 2호는 미사일인가, 위성발사체인가?

사실 과학적으로 봤을 때 이런 구분은 의미가 없다.

로켓 추진 장치의 끝 부분에 폭탄을 실으면 미사일이 되고,

끝 부분에 인공위성을 싣고 이 위성이 폭탄처럼 지구로 다시 돌아오지 않도록

마지막 3단을 추가해 지구 궤도속도에 맞춰 추진시키면 위성발사체가 되기 때문이다.

우주개발 역사에서 로켓은 늘 이 두 사이에 있다.

세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호는

러시아(당시 소련)의 세계 최초 대륙간탄도탄 ‘R-7’의 개량 로켓에 실려 발사됐다.

이에 맞선 미국 최초의 인공위성 익스플로러 1호는

미국 최초의 중거리탄도탄 ‘쥬피터C’의 개량 로켓에 실려 발사됐다.

세계 최초의 우주인인 유리 가가린도, 미국 최초의 우주인도

대륙간 탄도탄을 위성발사체로 개량한 로켓으로 우주에 올랐다.

이처럼 냉전시대 미사일은 머리에 폭탄 대신 인공위성과 우주인을 싣고

우주로 발사하면서 자신의 위력을 뽐냈다.

그리고 냉전 시대가 끝나 핵탄두가 폐기되고 미사일의 필요성이 줄어들자

미국과 러시아는 이들을 위성발사체로 재활용하고 있다.

특히 러시아가 여기에 적극적이다.

지난 7월 28일,

우리나라 아리랑 2호는 러시아의 ‘로콧(Rockot)’ 발사체에 실려 성공적으로

우주 궤도에 진입했다.

이 로콧은 냉전 후 러시아가 상업적 위성발사를 목적으로

원래 군사 무기였던 ‘UR-100N’을 개량한 최초의 발사체이다.

물론 미사일을 그대로 위성발사에 사용할 수 있는 것은 아니다.

약 2톤에 달하는 위성을 궤도에 진입시키기 위해서는 여러 가지 개량이 필수적이다.

이번에 아리랑 2호를 발사한 로콧은 3단 부분에 로켓을 추가했다.

또 지하에서 로켓이 발사하면 큰 소음이 발생해 위성에 영향을 미칠 수 있는데,

이 문제를 해소하기 위해 지상 발사대를 마련했다.

이렇게 해 로콧은 미사일에서 지구 저궤도에 인공위성을 발사하는

상업적인 위성발사체로 거듭난 것이다.

참고로 미사일은 보안 등의 이유로 보통 지하에 발사대를 두고 발사한다.

재미난 것은 우리나라의 아리랑 2호가

냉전시대 러시아의 대표적인 대륙간 탄도탄에 실려 발사됐다면,

아리랑 1호는 미국의 대표적인 대륙간탄도탄에 실려 발사됐다는 사실이다.

아리랑 1호의 발사체 ‘토러스’는

냉전시대 미국의 대륙간탄도탄 ‘피스키퍼(Peacekeeper)’를 개량해 만든 것이다.

아마 같은 이름을 가진 위성으로서 미소 냉전시대의 미사일을 개량한 발사체에

연이어 발사된 경우는 아리랑 위성이 처음일 것이다.

이렇게 로켓기술은 군사용 기술이자 곧 우주개발을 위한 기술이다.

로켓을 올리기 위해서 다양한 기술이 필요한데,

그 중 가장 핵심적인 기술은 바로 ‘연료’에 대한 기술이다.

로켓을 움직이는 연료에는 고체 추진제와 액체 추진제가 있다.

그 차이는 무엇일까?

먼저 고체 추진제는 제작하기가 쉽지만, 대형화하는데 많은 문제를 가지고 있다.

고체 추진제는 반고체 상태의 연료를 로켓 안에 넣어 장기간 굳히는 과정을 거치게 되는데

로켓의 구경이 2~3m 이상으로 커지면 연료를 굳히기가 매우 힘들어진다.

반면 액체 추진제는 제작이 어렵지만 대형화가 쉽다는 장점이 있다.

따라서 높은 지구 궤도, 달, 더 나아가 다른 행성으로 발사할 때는 대부분 대형화가 쉬운

액체 추진제 로켓을 사용한다.

일본의 경우도 자체적으로 개발한 고체 추진제 로켓으로 실험위성을 발사했지만,

더욱 무겁고 높은 궤도에 발사해야하는 통신위성이나 기상위성은 미국의 기술을 사들여

발전시킨 액체 추진제 로켓을 이용하고 있다.

또 고체 추진제는 점화가 빠르고 바로 발사가 가능해 쉽게 무기화할 수 있는데 반해

액체 추진제는 발사까지 과정이 매우 길어 상대적으로 무기화가 어렵다.

이런 이유로 우리나라가 1990년대 우주개발을 본격적으로 시작했을 때

미국과의 협약에 의해 300km 이상을 비행하는 고체 추진제 개발이 제한됐다.

자의 반 타의 반으로 우리나라는 액체 추진제 로켓기술에 매진했고,

5여년의 연구 끝에 우리나라 최초의 액체 추진제 로켓인 KSR-3을 2002년 11월 28일

성공적으로 발사했다.

현재 우리나라는 내년 하반기를 목표로

위성 발사체 KSLV-1호를 단기간에 개발하기 위해 아리랑 위성 2호를 성공적으로 발사한

흐루니체프사의 도움을 받고 있다.

흐루니체프사는

순수 위성 발사만을 목적으로 한 차세대 발사체 앙가라(Angara)를 개발 중인데,

이 액체 추진제를 사용하는 앙가라의 1단을 KSLV-1호에서는 그대로 사용하고 고

체 추진제를 사용하는 2단만 한국항공우주연구원과 한화가 국내에서 개발하고 있다.

www.kisti.re.kr