잠수함 탑재 명품 무기 이야기-어뢰

수상함 공격용←중어뢰-경어뢰→잠수함 공격용

<14> 잠수함 탑재 명품 무기 이야기-어뢰 ⑤

2016. 04. 17   13:08 입력

유도방식 따라 ‘직주·음향유도·유선유도’ 분류

전기 추진 50노트급 개발 ‘고속화 가능’ 입증

 

 

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세계 최고 성능을 자랑하는 미 해군의 잠수함 탑재용 중어뢰 MK48을 정비하는 모습. 필자 제공

지금까지 4회에 걸쳐 어뢰가 명품 무기로 자리 잡을 때까지의 시련과 영광의 뒤안길을 더듬어 보았다. 그러나 더 중요한 것은 앞으로 이 무기가 어떻게 발전할 것인가를 예측하고 준비하는 것이다. 이 분야는 필자의 전문성이 일천하기 때문에 오랜 기간 국산 어뢰 ‘청상어’ ‘백상어’ 개발에 주도적으로 참여한 LIG 넥스원 이재명 박사님의 도움을 받아 3회 정도 기술한 후 어뢰 이야기는 끝맺으려 한다

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미 해군 대잠헬기인 시코르스키 우현에서 잠수함 공격용 MK46 경어뢰를 투하하는 모습.

현대의 어뢰 종류와 발전 현황

현재까지 어뢰를 독자적으로 개발한 국가는 미국·영국·독일·프랑스·이탈리아·스웨덴·러시아·중국·일본·한국 등이다. 어뢰는 일반적으로 크기와 유도방식에 따라 분류된다. 크기에 따라 분류하면 중어뢰(Heavy Weight Torpedo)와 경어뢰(Light Weight Torpedo)로 나눌 수 있다. 중어뢰는 주로 잠수함에서 수상함을 공격하는 어뢰이고, 경어뢰는 수상함 또는 항공기에서 잠수함을 공격하기 위해 사용하는 어뢰다.

유도방식으로 분류하면 직주어뢰·음향유도어뢰·유선유도(Wire Guided)어뢰로 나눌 수 있다. 직주어뢰는 표적에 앞지름 각을 맞춰 쏘면 곧바로 표적으로 직진 주행한다. 음향유도어뢰(또는 호밍어뢰)는 표적 함정에서 나오는 소리나 항적(Wake)을 추적해 공격하며, 유선유도어뢰는 쏘고 나서 표적에 명중될 때까지 발사함에서 선으로 조종한다.

어뢰와 유사한 수중유도무기에는 자항 기뢰(Mobile Mine 또는 Submarine Launched Mobile Mine: 투하된 후 부설 위치까지 자체 추진력으로 이동하도록 설계된 기뢰), 캡슐형 어뢰(CAPTOR/Capsulized Torpedo: 함정 또는 항공기에서 투하된 후 해저에 위치하다가 잠수함 표적이 지나가면 적아를 식별해 공격하는 지능형 어뢰), 요격어뢰(Anti Torpedo Torpedo: 적이 발사한 어뢰를 중간에서 요격하는 어뢰) 등이 있다.

러시아의 시크발(Shkval) 어뢰와 같이 200노트 이상으로 고속 주행하는 신개념의 수중유도무기도 있다.

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세계에서 가장 빠른 러시아의 시크발 어뢰: 어뢰 주변에 초공동을 형성해 마찰 저항을 줄임으로써 수중에서 200노트까지 속력을 낼 수 있다. 필자 제공

어뢰 개발 기술은 어떻게 발전할까?

어뢰 개발에 사용되는 주요 기술에는 표적을 탐지하고 추적하는 유도 및 탐지 기술, 표적까지 이동하는 추진 기술, 그리고 표적을 파괴하는 탄두제작 기술 등이 있다.

①유도 및 탐지 기술

음향유도어뢰는 표적 함정의 프로펠러와 장비 및 기계에서 나오는 소음, 그리고 함정의 선체가 파도와 부딪쳐서 나는 소음 등을 수동적으로 탐지하고 추적한다. 그러나 천해에서 비교적 소음이 적은 잠수함을 탐지하기 위해서는 어뢰에서 음파를 내보낸 후 표적에 부딪혀 돌아오는 것을 탐지하는 능동 음파 탐지 방법을 사용한다. 잠수함이 정지해 있는 경우에는 표적의 움직임에 의해 발생하는 도플러 효과가 없으므로 도플러를 탐지 수단으로 사용하지 않는 주파수 변조(FM: frequency modulation) 방식을 적용하고 있다.

잠수함 측에서는 공격해오는 어뢰의 능동소나에서 발생하는 핑(Pinging) 소리를 수신하면 전속력으로 도주하게 되며 이를 추적하기 위해 어뢰의 속도가 높아지면 어뢰 자체 소음도 증가해 탐지거리가 줄어든다. 이를 극복하기 위해 어뢰 속도를 표적 주위까지는 낮게 하고 표적 근처부터는 빠르게 해 탐지 효율을 높이는 방법이 사용된다. 최근에는 컴퓨터의 소형화와 성능 향상에 따라 정교한 컴퓨터를 어뢰에 탑재해 신호처리기술을 크게 향상시킴으로써 탐지 성능이 많이 좋아졌으나 그래도 탐지에는 어려움이 많다. 따라서 탐지거리 향상을 위한 수단으로 유선유도방식을 채택하고 있는데 이는 발사 모함과 어뢰 간에 양방향 통신이 가능토록 하여 진짜와 가짜 표적을 구별하고 어뢰를 진짜 표적 쪽으로 유도하는 방식이다. 수상함을 탐지해 추적하는 또 다른 방법으로는 함정 기동 시에 발생하는 항적(Wake) 탐지 방식이 있다. 러시아와 독일, 이탈리아 등에서 몇 가지 어뢰에 이 방식을 채택하고 있다.

②추진 기술

일반적으로 어뢰의 속도는 표적 함정 속도의 1.5배로 하고 있는데, 과거 소련의 알파급 잠수함(수중 최대속력 45노트)출현 이후 세계 각국은 어뢰 속도 향상에 주력해왔다.

전통적으로 어뢰에는 축전지에 의한 전기 추진 방식이 적용돼 왔다. 이 방식은 중량이 무겁고 속도를 높이는 데 한계가 있었지만 소음이 적고 취급이 용이하다는 장점 때문에 널리 사용됐다.

잠수함의 수중 속도가 증가함에 따라 미국·스웨덴 등은 열기관 엔진을 사용해 어뢰를 고속화하는 연구에 집중했다. 특히 미국은 이 분야에 적극 투자해 MK48이나 MK50과 같이 50노트 이상의 속력을 낼 수 있는 어뢰를 개발했다. 프랑스와 이탈리아에서는 알루미늄을 혼합한 전지 개발에 집중 투자해 50노트급의 전지 추진 어뢰를 개발함으로써 전기 추진도 고속화가 가능함을 입증했다

약점 찾아 빠르게 ‘쾅~’ 탄두기술, 어뢰의 존재이유

<15> 잠수함 탑재 명품 무기 이야기-어뢰 ⑥

2016. 04. 22   13:57 입력

폭발력 강화·정확한 타격 목적

유도·조종 능력 향상 위한

각국 신기술 개발 경쟁 ‘후끈’

 

 

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미 해군의 MK46 경어뢰 발사 훈련 장면. 2007년 필리핀 해역에서 미 해군의 알레이버크급 구축함 USS Mustin(DDG 89)에서 MK46 경어뢰를 발사 하고 있다. 필자 제공

 

 

지난회 14회 ‘어뢰기술개발’ 계속

③ 탄두 기술

잠수함 어뢰 개발 기술 중 유도 및 탐지 기술, 추진 기술이 아무리 뛰어나도 파괴력을 대변하는 탄두 기술이 빈약하면 오히려 공격받아 잠수함이 침몰하는 위기에 처한다는 것을 전사는 증명하고 있다. 1, 2차 대전 초기에는 선체에 어뢰를 맞고도 멀쩡히 도망간 함정들이 부지기수였다. 그런고로 탄두 기술은 어뢰의 존재감을 나타내는 핵심 기술임은 두말할 나위가 없다. 이번 회와 다음 회를 통해 어뢰의 탄두 기술에 대해 알아보고 세계 각국의 대표 어뢰들을 몇 가지 소개하려 한다.

비교적 선체가 작은 디젤 잠수함은 소량의 폭약으로도 격침할 수 있으나, 러시아의 타이푼급 잠수함(선체가 이중 구조: Double Hull)과 같이 핵 미사일을 탑재한 대형 원자력 잠수함은 그 정도로는 치명적인 손상을 입히기 어렵다. 이런 잠수함을 파괴하기 위해서는 폭발력을 키우고 정밀하게 유도해 잠수함의 취약 부분에 명중시킬 수 있도록 유도·조종 능력을 향상시켜야 한다. 또 다른 수단으로는 성형 장약(Shaped Charge)을 사용해 선체 관통 능력을 증대시키고 동조 폭발이나 자연 폭발 등의 문제가 일어나지 않도록 안정화된 폭약을 사용해야 한다.



세계 각국의 최신 경어뢰(Light Weight Torpedo)

①미국

미국은 옛 소련의 고속 원자력 잠수함을 겨냥해 MK44 어뢰의 후속 모델로 MK46 경어뢰를 개발했다. 이 어뢰에는 자동조종장치를 제어하는 디지털 컴퓨터가 내장돼 있어 초기에 호밍모드·심도 등을 설정할 수 있다. 또한 수상함에서 발사할 경우에는 그 수상함을 공격하지 못하도록 수심을 설정해 안정성을 확보했다.

이후 개발된 MK46 Mod 5 어뢰는 새로운 기술이 접목된 소나를 장착해 선체에 무반향 음향 타일을 부착한 잠수함도 탐지할 수 있다. 특히 얕은 수심에서 운용 시 문제가 되는 반향음을 크게 줄였으며 새로운 신호처리 기법을 적용해 오탐 확률을 감소시켰다.

MK50 바라쿠다(Barracuda) 경어뢰는 45노트 이상의 옛 소련 잠수함에 대항하기 위해 개발됐으며 자세한 성능은 공개되지 않고 있다. 일부 알려진 특징은 탐색 단계에서는 일반 어뢰와 같이 저속으로 주행하고, 주파수 송신은 FM 모드를 사용하며, 2대의 신호 처리기에서 25㎑의 주파수를 송신함으로써 표적 잠수함의 취약부를 선별해 공격할 수 있다는 것이다.

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현재 사용되는 미국 해군의 경·중어뢰 종류

②영국

영국은 미국의 MK46 후속 모델 유형으로 스팅레이(Stingray) 경어뢰를 개발했는데 이 어뢰도 잠수함의 취약 부분을 공격할 수 있도록 설계됐다. 내장된 자체 컴퓨터의 송신 방법으로는 FM 방식이나 CW 방식을 적용했다. 영국은 1995년 스팅레이의 수명 연장 프로그램 개발 시 새로운 신호처리기로 교체해 2020년까지 사용할 수 있도록 했다.



③프랑스·이탈리아

프랑스는 뮈렌(Murene) 어뢰를 개발했으나, 유럽연합(EU) 통합 시기에 맞춰 개발 경비와 기간을 줄이기 위해 이탈리아와 공동으로 MU90 Impact 경어뢰 개발을 추진했다. 현재 MU90 경어뢰는 개발이 완료돼 실전 배치 중이다. 이탈리아도 A244/S 경어뢰 후속으로 A290 경어뢰를 개발하던 도중에 프랑스와 공동으로 MU90 경어뢰를 개발했다. 공동개발한 MU90 경어뢰는 두 국가가 공동으로 설립한 회사인 Eurotorp에서 판매하고 있다.



④스웨덴

스웨덴의 경어뢰는 수심이 얕고 교통량이 많아 주변 소음이 큰 발틱해의 수중 음향환경을 극복하기 위해 다른 국가와는 달리 유선유도 방식을 적용했으며 직경은 400㎜다. 처음 개발한 Tp43 계열의 Tp431/432가 있으며 수출용으로는 Tp43X0와 Tp46 Grampus 등이 있다.



세계 각국의 최신 중어뢰(Heavy Weight Torpedo)

①미국

MK48 중어뢰는 1970년대 미국의 표준 어뢰가 됐으며, 70년대 말에 고속의 소련 잠수함을 겨냥해 MK48 ADCAP(Advanced Capability)을 개발했다. 이때 전자 부분을 신형 컴퓨터로 교체하면서 생긴 여유 공간에 연료를 더 채움으로써 고속 주행이 가능토록 했다. 속도에 대해서는 정확하게 알려지지 않았지만 대략 55∼60노트 정도인 것으로 추정된다.

미국의 레이시언(Raytheon)사가 개발한 MK48 Mod 4 중어뢰는 여러 국가에서 구입해 실전 배치 중이다. 미 해군의 대표적인 중어뢰인 MK48 ADCAP/MK48 Mod 6는 잠수함 발사 다목적 어뢰로서 속력이 빠르고 잠항심도가 깊은 원자력 잠수함과 대형 전투함 공격용으로 사용할 수 있게 설계됐다. 현재 MK48 ADCAP은 오하이오급 전략원잠과 시울프급 공격원잠에 탑재돼 있으며 유선 또는 무선유도가 가능하다.



②이탈리아·프랑스·영국

이탈리아와 프랑스는 제4세대 중어뢰인 A184를 공동으로 개발 중이다. 영국에는 GEC-Marconi사가 개발한 스피어피시(Spearfish) 중어뢰가 있으며 1999년 초도품을 영국 해군에 인도했다

맞은 뒤에야 아는…초음속 ‘초공동 어뢰’ 개발 각축

<16> 잠수함 탑재 명품 무기 이야기-어뢰 ⑦·끝

2016. 05. 01   15:16 입력 | 2016. 05. 01   15:19 수정

어뢰-고속 잠수함의 속도 경쟁

초공동 어뢰 등장으로 막 내려

미래 해양 주도권 쥘 핵심 기술로 

 

 

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독일 해군 잠수함에 DM2A3 중어뢰를 적재하고 있는 모습. 필자 제공

 

 

 

어뢰에 대해 소개하다 보니 일부 독자들이 생소하면서 다소 어렵다는 반응을 보이는 것 같다.

세간에 워낙 덜 알려진 무기체계에 대한 소개여서 그럴 수도 있지만 쉽게 설명하지 못한 점에 대해 이해와 양해를 구하고 싶다.

앞으로 좀 더 많이 고민하고 독자들의 입장에서 잠수함 관련 무기를 소개할 것을 다시 한번 약속드린다.

지난 주에 이어 이번 주에도 세계 각국의 최신 어뢰와 발전 기술을 간단하게 소개한 뒤 어뢰 부분을 마치고 다른 무기체계를 소개하고자 한다.

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초공동 어뢰 노즐.

 

지난 회 ‘세계 각국의 최신 중어뢰(Heavy Weight Torpedo)’에서 계속

스피어피시(Spearfish) Mod 1 중어뢰는 성능 면에서 미국의 MK48 ADCAP과 비슷하며 추진 엔진도 MK48과 유사한 모델을 사용하고 있다.

③러시아

일반적으로 러시아의 중어뢰는 항적을 추적하며, 직경 650㎜에 폭약량은 500㎏ 정도이고, 단 한 발로 항공모함도 격침할 수 있을 만큼 파괴력이 크게 설계됐다. DT 계열 어뢰로는 DST-90, 92, 96 등이 있는데 덩치가 제법 커 대형 잠수함에만 탑재가 가능하다.

유선유도 중어뢰의 표준형으로는 Test-71, Test-96 등이 있다. 최신형은 Test-71M인데 이 어뢰의 수출용 모델은 Test-71ME다. 이 어뢰는 탐색 단계에서는 24노트로 주행하지만 공격 단계에서는 40노트로 가속되며 항주거리는 약 15∼20㎞인 것으로 알려져 있다.

러시아는 수년 동안 로켓으로 추진하는 어뢰를 보유하고 있다고 주장했으나 서방세계에서는 믿지 않았다. 그러다 결국 VA-111 시크발(Shkval)이라는 어뢰를 공개하면서 서방세계를 긴장시켰다.

이 어뢰는 200노트의 속도로 약 10㎞를 주행할 수 있는 것으로 알려져 있다. 원추형 로켓으로 가스를 분사해 추진하며, 초공동 기포(Super Cavitating Bubble)를 어뢰 주위에 형성해 해수와의 마찰을 줄임으로써 200노트까지 속도를 낸다.

지금까지의 수중무기 관련 기술은 물의 마찰저항을 최소화하기 위해 몸체의 형상을 보다 매끄럽게 하거나 추진에너지를 높여 속력을 증가시키는 데 주력해 왔다. 그러나 이러한 방법으로는 속력을 증가시키는 데 한계가 있었다. 추진속도는 물리적으로 추진에너지의 세제곱근에 비례하기 때문이다. 그러나 초공동(supercavity) 현상을 이용하면 모든 것이 달라진다. 유체역학적으로 기포(cavity)는 물체의 진행을 방해하지만, 하나의 기포로 물체를 완전히 덮으면 마찰저항을 공기 중의 마찰저항과 비슷하게 만들 수 있다. 이러한 생각을 바탕으로 초공동화 기술이 연구됐고 드디어 무기체계로 실현됐다.

④독일

독일의 STN사에서 개발한 DM2A3 제헤흐트(Seehecht) 중어뢰는 자체 소음을 줄이고 탐색 기능을 강화한 어뢰다. 알레나사의 3차원 소나와 양방향 유선통신 시스템 등을 보완했다. 이 어뢰 후속으로 DM2A4가 개발됐다. 이 어뢰의 추진전지는 아연산화은 전지를 기본으로 하고 강제순환 방식을 적용해 속력을 대폭 높인 것으로 알려져 있다.

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초공동 어뢰의 구조.

 

 

 

 

세계 각국의 ‘초공동 어뢰’ 개발 현주소는?

어뢰의 속도는 최소한 표적 함정 속도의 1.5배는 되도록 설계한다. 그러나 물속에서 30노트 이상의 고속으로 기동하는 원자력 추진 잠수함이 개발되면서 1.5배 속력으로는 표적을 추적하기 어렵게 됐다. 잠수함에서 어뢰의 탐색 소음을 들음과 동시에 전속으로 도망치면 회피할 확률이 훨씬 높아졌다는 이야기다.

이렇게 어뢰와 표적 간의 속력 경쟁이 심해지는 상황에서 초공동 어뢰의 등장은 고속 기동 잠수함들을 무력하게 만들었다. 왜냐하면 초공동 어뢰는 물속에서 초음속(?)으로 ‘날아간다’라고 표현할 만큼 고속으로 주행할 수 있기 때문이다. 일반적으로 어뢰는 몸체에 받는 물의 마찰저항이 공기 중에서 받는 저항의 1000배에 달하기 때문에 ‘날아간다(fly)’라는 표현보다 ‘주행한다(swim)’라는 표현을 쓴다. 그런데 공기 중의 초음속 미사일들과 비슷한 속도로 어뢰가 바닷속을 ‘날아다닌다’고 할 때 과연 잠수함이 피할 수 있겠는가?

이렇게 초음속 미사일의 속도로 어뢰가 접근하면 잠수함에서는 어뢰 소음도 들을 수 없고, 함정의 속도나 침로를 조정해 피할 수도 없으며, 어뢰를 다른 곳으로 유도하는 기만장치도 유명무실해진다.

초공동화 기술은 제2차 세계대전 중 독일에서 가장 먼저 연구했고, 전후(戰後) 미국과 소련이 이 기술에 집중했다. 이후 소련은 지속적인 연구개발 투자로 1970년대 후반에 시속 약 380㎞의 ‘시크발(Shkval)’ 어뢰를 실전 배치했고, 현재는 탐색·추적 기능까지 갖춘 버전을 개발 중인 것으로 알려져 있다.

이에 자극을 받은 미국은 1990년대부터 초공동화 무기체계의 필요성을 재인식하고, DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)와 onR(Office of Naval Research)를 중심으로 초공동화 기술을 활발하게 연구 중인 것으로 알려져 있다. 초공동화 기술의 선구자인 독일은 1988년부터 이와 관련된 연구를 시작해 최근에 시속 약 800㎞의 ‘바라쿠다(Barracuda)’ 어뢰를 개발 중인 것으로 알려져 있다. 이렇듯 선진국들은 초공동화 기술에 심혈을 기울이고 있으며 이 기술이 향후 해양 제패에 중요한 변수가 될 것으로 생각하고 있다.

선진국들의 사례에서 볼 수 있듯이 초공동화 기술은 단시일에 개발할 수 있는 것이 아니므로 국내에서도 지속적인 투자와 연구를 통해 기술을 축적하고 확보해야 한다. 지금 국내에서도 몇몇 방산 업체에서 연구를 시작한 것으로 알고 있는데 선진국의 사례를 잘 참고해 시행착오를 줄이고 단기간에 성능이 우수한 어뢰를 개발하기를 기대한다.