M-SAM 철매2 사업 "천궁“의 위상배열레이더
2005년 에어쇼를 통해 한국형 M-SAM의 구체적인 모습과 성능이 공개된 바 있는데, 어느덧 2011년 12월 현재 한국형 M-SAM 철매 2 사업의 성공적으로 마무리되어 중거리 지대공미사일시스템인 “천궁”이 탄생하게 되었다. 지난 기사 댓글에서 ‘느긋한 호랑이’님이 레이더에 대한 기사를 요청해온 바, 간단히 기사를 만들어보았다. 매니아적 시각이 좀 더 드러나는 다소 긴 글이므로, 비관심자는 패스할 것을 충고한다.
M-SAM 천궁의 다목적 위상배열레이더는 8륜트럭에 올려져, 이동시에는 접혀진 상태로 있다가, 운용 시에는 세워져 목표의 특성에 따라 레이더가 분당 40회 회전하거나, 고정된 상태에서 운용한다. 레이더는 30도 각도로 기울어진 평면에 3,000~5,000개의 변위기 모듈을 원형으로 배치한 형태이며, 그 속에는 공간급전기, 적아식별장치, ECCM 대응장비(전자전 대책 장비) 등이 함께 구성되어 있다.
M-SAM천궁의 레이더는 러시아의 S-300 대공시스템의 위상배열레이더를 기반으로 하여 서방식 위상배열레이더의 기술을 접목시킨 방식으로 국산화된 레이더이다. 한편, 발사체인 미사일은 러시아 Fakel 미사일 설계국이 S-400용으로 개발한 9M96E 미사일을 국산화하여 도입하는데, 이로 인하여 언론기사에서는 “천궁”이 러시아의 S-400시스템을 적용하였다고 기사화 하고 있다.
위상배열레이더
위상배열레이더란 공기 중에 고출력의 레이더파를 원하는 각도로 휘어지게 하는 방법을 이용하여(변위기 이용) 대량으로 발사하는 방식으로(급전기에서 방출) 공역에 진입한 여러 표적을 추적함과 동시에 거리각도와 고도각도를 얻어내는 레이더.
위상배열레이더의 핵심부품은 공간급전기와 변위기라고 할 수 있는데, 국내 개발된 변위기는 러시아 방식(집중식시스템)의 작동구조를 갖추면서도 동시에 서방제 레이더의 변위기 방식(분산식시스템)을 접목시켜 몇 개씩 모여있는 변위기 모듈에다가 구동회로를 장착하는 방식을 채택하였다.
러시아와 미국의 위상배열레이더의 변위기의 차이
미국은 전자산업이 크게 발전한 국가인데 비교하여, 러시아는 물리학을 비롯한 기초과학이 발전한 국가인데, 그로 인해 양국이 개발한 위상배열레이더는 변위기를 비롯하여 많은 부분에서 차이가 있다.
특히 변위기에 있어서 러시아는 변위기를 수직 및 수평으로 나열한 후 이를 각각 직렬로 연결하고, 그 끝에 변위기 구동회로를 둔 [집중식 구동회로]를 채택한 반면, 미국의 패트리어트의 변위기는 변위기마다 구동회로장치가 각각 하나씩 달려있는 [분산식 구동회로]를 사용하고 있다.
러시아의 방식은 양 끝단에 있는 구동회로에서 보낸 신호와 전기에너지가 직렬 연결된 변위기를 차례차례 동작시키므로, 구조가 간단하고 사용되는 구동회로의 양이 작은 장점이 있지만, 구동회로에서 발사된 구동신호 및 작동에너지가 직렬로 연결된 코일을 통과하는 과정에서 정체되기도하여 결국 변위기의 반응속도가 늦어지는 단점이 있다. 이러한 특성으로 인하여 동시 추적 가능한 표적수가 제한되고, 기타 다기능성능에도 악영향을 미치게 된다.
러시아는 이러한 문제점에 대응하여 추가적인 3차원 레이더 및 목표조사기 등을 두어 부족한 성능을 보충하고 있는데, 그로 인해 시스템이 복잡해져서 운용면에서 비효율이 있으나, 전자전 및 악천후시의 대응능력과 같은 성능만 따진다면 여러개의 분리된 시스템을 사용하는 러시아 방식이 유리하다.
미국의 패트리어트는 각각의 변위기마다 장착된 구동회로로 인하여 동작신호에 따라 곧바로 반응하는 장점이 있고, 이와 같은 장점으로 동시추적표적수가 증가하고, 기타 다기능성능 발휘에 용이하다. 그런데, 미국의 패트리어트는 C-5 갤럭시 수송기로 운송이 가능해야 한다는 요구조건에 따라 작은 공간에 지나치게 많은 성능을 집어넣어 너무 비싸고 복잡하다는 단점이 있다.
러시아의 원형편파 공간급전기와 서방의 펜슬형편파 공간급전기
공간급전기란 간단히 말해서 전방에 위치한 변위기까지의 빈 공간을 이용하여 레이더파를 송신 및 수신하는 장치이다.
러시아 방식의 레이더에서 사용되는 원형편파란 송수신에 사용되는 레이더파가 원형의 끊어진(편파) 형태이기에(모습:CCC) 붙여진 이름이다. 이와 비교해 서방의 위상배열레이더는 뾰족한 펜슬형 편파(모습:<<<)를 주로 사용한다.
원형편파 공간급전기의 레이더파 송수신과정은 [송신과정{송신나팔에서 방출된 수평편파-45도 기울어진 수평편파 반사기로 전방 방출-편파 변환기로 우회전 원형편파로 전환-변위기}-<목표>-수신과정{반사후 좌회전 원형편파로 변환-편파변환기에서 수직편파로 변환- 수평편파반사기를 그대로 통과- 수신나팔에 도착}] 이렇게 정리할 수 있다.
이러한 편파 변환과정을 사용함으로써 추가적인 변조과정 없이 송수신이 하나의 과정에서 이루어질 수 있다.
반면에 미국의 페트리어트는 송수신전파를 구분하는 서큘레이터(Circulator)라는 장비를 별도로 사용하여 과정이 보다 복잡하고, 송수신 과정에서 전파의 손실이 발생한다.
“천궁”의 X밴드 대역 원형편파의 선택
주파수가 높을수록 목표의 형태와 정확한 이동각도를 측정할 수 있다. 현재 일반적인 대공레이더는 전투기나 대형미사일 수준의 목표를 탐지하는데 S밴드(2~3GHz)의 주파수를 사용한다. 그 대표적 레이더로 미국 이지스시스템의 SPY-1 수동식 위상배열레이더가 있다.
그러나 한국형 M-SAM 천궁의 레이더는 S밴드보다 2단계 높은 주파수인 X밴드(8~9GHz)대역을 채택하였다. 이는 천궁이 러시아 S-300 대공시스템의 노하우를 받아들였기 때문이다. X밴드 대역을 선택한 대공레이더로는 네덜란드의 방공함에 쓰이는 APAR 능동식 위상배열레이더도 있다.
S밴드 대역으로는 전투기나 대형 대함미사일 같은 목표를 탐지하는데 적합하다. 하지만 탄도미사일에서 분리된 탄두와 같은 소형 목표를 정확히 탐지하는 데에는 문제가 있다. 레이더 반사면적(RCS)이 0.02㎡에 불과한 탄도미사일의 탄두를 S밴드 대역으로 정확히 탐지하는데 어려움이 존재하는 반면, X밴드 대역 정도가 되어야 탐지의 정확도를 높일 수 있다. 그러나 마냥 대역이 높다고 탐지의 정확도가 높은 것은 아니다. X밴드 대역보다 한단계 높은 ku밴드(12~14GHz) 대역은 대기에 의한 감쇄현상이 심하게 발생하여 아무리 출력을 높여도 탐색거리가 50km 정도에 불과하다고 한다.
X밴드 대역도 빗방울에 의하여 산란되는 성질을 지니므로, “천궁”은 빗방울에 대해 산란이 적은 [원형편파형 레이더파]를 선택하여 악천후에 대비한 성능을 향상시켰다.
S-300레이더의 기술을 받아들인 “천궁”의 레이더는 레이더 반사면적(RCS) 2㎡ 수준의 Mig-21, F-5 전투기나, 그보다 낮은 1.2㎡ 수준의 F-16C 수준의 전투기를 100~140km 거리에서 탐지할 수 있다. 이외에 지면에서 30~60m의 고도로 비행하는 토마호크급 순항미사일을 20km정도의 거리에서 탐지할 수 있다.
목표가 스커드 탄도미사일과 같이 탄두가 분리되지 않는 일체형이라면 70km 이상의 거리에서 발견하여, 50km거리 수준에서 요격미사일을 발사하고, 약 20km정도의 거리에서 요격 교전이 가능하다고 한다.
또한 천궁은 동시에 100개의 목표를 탐지하고, 그중 위협도가 높은 10개 이상의 목표와 동시교전이 가능하도록 개발되었다. 이는 러시아 알마즈 미사일 설계국의 Triump M-SAM의 개발목표와 동일하며, 부족한 자금으로 경영난에 빠져 개발이 지지부진하였던 알마즈사는 한국과 기술협력을 통하여 획득한 새로운 기술들을 자신들의 대공시스템에 적용할 것으로 보인다(러시아 정부도 업체 회생차원에서 한국과의 기술협력을 인정하였다. 이와 같은 기술협력의 협상전술에는 그 계획 추진 단계에서부터 노무현정부의 지혜와 의지가 내포되어 있다).
"천궁"을 개발완료한 국방과학연구소(ADD)는 천궁을 개량하여 새로이 탄도미사일 요격시스템을 개발할 계획이다. 또한 새로운 기술을 기반으로 차기 장거리 지대공미사일 개발계획(L-SAM)과 함대공 미사일 개발계획(SAAM개발계획)이 이어져야 하는데, 이명박 정권은 그간 국방력 강화와 국방과학기술개발에 소홀히 하여(어떤 면에서는 재정감축을 목표로 국방과학연구소의 구조조정 등이 행해져 기술력 약화현상이 일어남), 이어지는 계획들에 있어서 시간적으로 계획 지연 상태에 놓이게 되었는데, 참으로 걱정이다.
[이 게시물은 관리자에 의해 2012-07-29 02:55:17 정치에서 복사 됨]
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(펌) 어제 표결이 신의한수였…