무기의 탄생;> 중어뢰 백상어(K-731

첫 개발 어뢰 분실 ‘아픔’ 딛고 대잠전력 핵심 독자개발 국가 ‘우뚝’

<21> 중어뢰 백상어(K-731)(상)

2015. 06. 23   17:45 입력 | 2015. 06. 23   18:20 수정

 

 

- 국내 어뢰 개발사      1974년 어뢰 개발  착수

 

   우리나라의 어뢰 개발 역사는 1974년으로 거슬러 올라간다. 미국제 Mk44 어뢰를 모방개발한 시제 KT-75가 우리나라 어뢰의 효시라고 할 수 있다. 물론 수중에서 단순한 직진주행 기능을 확인하기 위한 연구용 시제품이었다.

　해상시험 인프라가 구비되지 않은 상황에서 해군으로부터 소해정 2척과 헬기를 협조 받아 1977년 1월 해상 발사 시험을 시도했는데 아무런 소득 없이 바닷속에 분실함으로써 다시 원점에서 시작하는 아픔을 겪어야 했다.

　어뢰 개발의 중요성을 인식하고 있던 해군의 전폭적인 지원을 받아 약 10일간 수중탐색작업을 했지만 시험어뢰를 찾지 못하고 탐색 작업을 포기한 적도 있다.

　그후 미국과의 어뢰 관련 자료교환 협정(DEA: Data Exchange Agreement)을 통해 Mk44 관련 도면과 교범을 지원받고 나아가 시제품 2발에 대한 해상시험을 1979년 2월 미국 워싱턴주 키포트의 수중무기시험장에서 성공적으로 완료함으로써 새로운 가능성을 확인하고 미국과의 협력을 위한 기틀을 마련했다.

　어뢰 개발의 걸음마 단계에서 겪은 이러한 경험을 바탕으로 미국의 우호적인 지원과 협력을 통해 한국 최초의 어뢰인 K744 경어뢰가 개발됐다.

천해(淺海)에서 표적탐지를 위한 음향탐지부는 미국제 Mk44 경어뢰를 바탕으로 허니웰(현 얼라이언트 테크)이 맡고, 천해운동을 위한 유도제어부의 개조는 국방과학연구소(ADD)가 맡는 공동개발로 추진됐으며 1981년부터 1986년까지 진행됐다. K744 경어뢰는 Mk44 어뢰보다 천해 유도제어와 음향탐지 성능이 우수해 이후 무기체계로 채택됐다. 이 경어뢰의 양산 배치로 대륙붕 구조인 한반도 주변 해역에서 효과적인 대잠작전이 가능해졌다.

　1980년대 중반부터 은밀하게 진행된 장보고급 잠수함 획득 사업의 주 무장으로 채택될 어뢰의 1차분으로는 독일제 SUT 중어뢰를 해외도입하기로 결정했다.

　국내 개발한 돌고래급 잠수정에는 19인치 직경의 미국제 Mk37 중어뢰를 무장하고자 수차례 미국에 구매 요청을 했지만 판매를 거부함에 따라 잠수정용 19인치 어뢰의 국내 개발 소요가 불가피해졌다.

　이런 상황을 고려해 잠수함과 잠수정에 공히 운용이 가능한 어뢰를 개발해 잠수함용 어뢰의 후속 물량으로 조달하고 잠수정용 주 무장으로 전력화하기 위해 19인치 중어뢰의 국내 개발에 대한 필요성이 제기됐다. ADD를 중심으로 개발조직이 만들어지고 1990년부터 잠수함·잠수정 탑재용 중어뢰의 개발에 착수해 9년에 걸쳐 국내 개발이 성공적으로 진행됐다. 1998년 7월 6일 한국은 백상어라는 잠수함·잠수정 탑재용 중어뢰를 개발해 세계에서 여덟 번째로 어뢰 독자 개발국에 진입했다.

　이와 병행해 ADD는 1993~94년에는 디지털 형식의 전투체계를 탑재할 광개토급 신형 구축함과 대잠 항공기에 연동 운용할 신형 경어뢰 청상어의 탐색개발을 수행했다. 이어 1995년에 체계개발에 착수해 2004년에 성공적으로 개발을 완료하고 양산 배치함으로서 대잠전력의 핵심인 경어뢰와 중어뢰를 국내 독자 개발한 국가의 반열에 오르게 됐다.

　

- 백상어 개발 배경  잠수정 탑재용 어뢰 대안마련 추진     

     

   미소의 동서 냉전이 최고조에 달했던 1980년대, 북한의 비대칭전력에 대응하기 위한 방안으로 우리 해군은 극비리에 잠수함 전력을 구축하기 위해 독일제 잠수함을 기술도입 생산하기로 결정했다.

　이 잠수함의 핵심 무장으로 독일제 21인치 유선유도 어뢰인 SUT를 우선확보하도록 결정했다.

　SUT의 후속 물량 확보 방안이 활발하게 검토되던 중 1984년 국내 독자 개발된 잠수정에 탑재를 고려했던 미국제 Mk37 중어뢰가 판매거부됨에 따라 잠수정 탑재용 어뢰에 대한 대안 마련이 시급한 상황이 됐다.

　SUT와 같이 유선유도 운용이 어려울 것으로 판단된 잠수정 탑재용으로 Mk37급 19인치 중어뢰의 개발이 고려됐다.

　더불어 잠수함 탑재용 독일제 SUT 중어뢰의 후속 물량으로는 19인치와 21인치 어뢰가 모두 운용이 가능할 것으로 검토됐다.

　이에 따라 1989년 9월 잠수함·잠수정 탑재용으로 유선유도가 아닌 지정유도(Fire & Forget) 방식의 19인치 중어뢰를 개발하기로 결정했다.

　잠수정에는 19인치 지정유도 어뢰를 탑재하기로 했고 잠수함에는 유선유도 방식의 21인치 SUT 어뢰와 19인치 지정유도 어뢰를 일정비율로 혼합 탑재하기로 했다.

　　

 

 

- 백상어 개발 당시 연구개발 수준  어뢰설계 모형시험 등 실적 있어

   백상어(중어뢰)와 청상어(경어뢰)가 소요 제기된 1980년대 중반 국내의 어뢰 개발 관련 기술은 K744 유도제어부 개량개발과 시험평가에 관련된 활동, 그리고 Mk37 중어뢰를 잠수정 발사관에서 발사가능성을 시험평가한 경험이 있었으며, 어뢰설계와 관련된 모형시험, 운동제어기법에 관한 선행연구 실적이 있었다.

　백상어 소요가 제기된 1980년대 중반은 동서진영의 군비긴장이 지속되는 시기였는데 미국을 중심으로 하는 자유진영에서는 미국의 Mk37, NT37, Mk48 ADCAP 중어뢰, 영국의 Tigerfish와 Spearfish 중어뢰, 독일의 SUT, 이탈리아의 A184 중어뢰 등이 개발돼 운용됐다.

　어뢰는 엔진추진과 전기추진 방식으로 구분되는데 미국과 영국을 중심으로 초고속 엔진추진 방식이, 독일과 이탈리아 등 유럽대륙을 중심으로 고출력 전기추진 방식이 개발되고 있었다.

　소련을 중심으로 하는 공산진영은 대부분 엔진추진 방식이 적용된 소련제 53계열 중어뢰를 운용했다. 특히 당시 소련은 속력이 200노트에 이르는 수중로켓추진 방식의 쉬크발 어뢰의 시험을 완료하고 실용화 단계에 접어들었다.

국방과학연구소(ADD)·국방일보 공동기획

국방과학기술지식대백과사전- 중어뢰 (重魚雷·Heavy Torpedo)

 

 

   중어뢰는 주로 잠수함에서 운용하는 무기체계로 원거리 표적(수상함·잠수함)을 공격할 수 있다.

　일반적으로 직경이 21인치(533mm) 이상인 어뢰를 말하지만 직경이 19인치(488mm)인 어뢰도 중어뢰로 분류된다.

　중어뢰는 일반적으로 발사 플랫폼의 전투체계로부터 표적 위치, 공격모드 등의 정보를 수신한 후 플랫폼에 설치된 어뢰 발사관에서 발사 사출장치를 이용해 급속발사되거나 어뢰 자체의 추진기관으로 정숙모드로 발사된다.

　이어 발사 플랫폼에서 일정 거리를 벗어난 후 설정된 수심에서 어뢰의 음향탐지부가 동작해 조건에 맞는 탐색 방법으로 표적을 탐지한 후 표적의 위치로 주행한다.

　마지막으로 발사 시 설정된 정보에 따라 통상 1㎞ 이내로 표적에 접근하게 되면 능동 음향 호밍이 시작돼 표적을 추적, 공격하는 방식으로 운용된다.

　어뢰를 운용하기 위해서는 음향탐지기술·탄두기술·유도제어기술·추진기술 등이 필요하다.

　수중에서의 음향탐지기술은 음파를 이용해 수중 표적의 위치·거리 등을 탐지하는 장치 및 알고리즘에 대한 기술이다.

　어뢰의 탄두 폭발은 크게 직접 피해 효과, 버블 제트 효과, 셰이킹 효과 등 세 가지 방식으로 구분할 수 있다.

　어뢰의 유도제어기술은 초기에는 자이로를 이용해 직진하거나 정해진 형태로 기동하는 것이었지만 2차 대전 이후 선유도 방식의 어뢰가 개발된 이후 현재까지 활발하게 적용되고 있다.

　어뢰는 기본적으로 스크루를 고속으로 회전시켜 추진력을 얻는데 회전력을 얻는 기술은 기관추진식과 전기추진식으로 구분된다. 초공동 현상을 이용해 미사일과 같은 원리로 추진하는 로켓추진식도 있다.

설계·성능예측·시험평가 등 디지털 기술 적용 국내개발 최고속력 35노트

<22> 중어뢰 백상어(K-731)(하)

2015. 06. 30   18:13 입력 | 2015. 06. 30   18:14 수정

 

기사사진과 설명

지난 2013년 10월 1일 국군의날 행사에서 시가행진을 하고 있는 중어뢰 백상어. 국방일보 DB

 

 

 

- 백상어의 탄생 과정

 

   과제인력 36명승인받아 진행

   백상어 개발소요가 제기되고 연구개발이 진행되던 시점에 우리 해군은 Mk44와 K744 경어뢰를 운용한 경험만 있었다. 중어뢰와 중어뢰 운용체계인 잠수함 운용과 관련된 경험은 전혀 없는 상태였다. 이 같은 상황에서 비밀리에 장보고급 잠수함 도입이 추진됐고, 여기에 탑재할 무장으로는 독일제 SUT와 국내개발 중어뢰인 백상어가 대상으로 검토됐다.

　해군과 연구개발 동의서 작성을 할 당시 간용태 해군 기획관리참모부장은 실패해도 좋으니 국내개발을 하라고 독려해줬고 실무장교인 김현규(준장 예편) 중령은 국산화에 비판적인 군과 국방부 관계자들을 적극적으로 설득했다.

　국방과학연구소(ADD) 내부에서도 36명이라는 과제인력을 국방부에 건의해 승인받음으로써 국내개발을 위한 우호적인 환경이 조성됐다.

　최고속력은 35노트로 표면적인 제원과 성능은 선진국 첨단 어뢰에 미치지 못했지만 백상어 개발은 시뮬레이션을 기반으로 한 무기체계 설계(SBD: Simulation Based Design)와 복잡한 실시간 시스템의 개발 및 시험에 사용되는 기술인 HILS(Hardware In the Loop Simulation) 기법을 적용한 설계, 성능예측, 시험평가에 이르기까지 디지털 기술이 적용됐다.



- 세계의 동급 무기들

英 1980년대 신형 중어뢰 개발

   제2차 세계대전 패전으로 어뢰 개발의 구심점을 잃게 된 독일은 연합국 통제하에 1950년대 후반과 60년대 초반에는 전기 추진 어뢰의 대표 격인 미국의 Mk37 중어뢰(DM3으로 지정)를 운용했다. 그러다 연합국의 통제가 완화됨에 따라 자국 모델인 DM1, DM2, 수출용 SST-4와 SUT를 1970년대에 실용화해 재래식 잠수함 수출에 편승, 전용 무장으로 팔았다.

　냉전 기간 프랑스·이탈리아 등과 함께 전기 추진 어뢰 개발을 선도한 독일은 최근에 와서 DM2A3와 DM2A4를 실용화하고 조만간 DM2A5를 프랑스와 공동으로 전력화할 예정이다.

　이탈리아도 A184 중어뢰의 후속 모델인 블랙 샤크(Black Shark) 중어뢰를 2000년대 초반에 개발해 2011년부터 양산하고 있다.

　최고의 중어뢰로 평가받는 미국의 Mk48 ADCAP을 도입해 미국과 공동으로 소련의 고속잠수함에 대응하려던 영국은 독자 모델로 엔진 추진 방식의 스피어피시(Spearfish) 신형 중어뢰를 1980년대 중반에 개발했다. 스피어피시는 세계 최고 속력인 70노트를 돌파한 것으로 알려졌다.

 

 

- 내압 알루미늄 몸체 개발

   물성치 뛰어난 소재 사용

   1990년 국내 최초의 수중유도무기인 백상어 개발을 시작하면서 어뢰의 주 구조물인 몸체 개발에도 여러 가지 어려움이 있었다. 어뢰의 몸체는 원통형 외압구조물로서 수중의 높은 압력을 견디면서 수밀이 요구될 뿐만 아니라 경량화가 필요하다. 따라서 어뢰의 몸체는 가벼우면서 물성치가 뛰어난 알루미늄합금을 주로 사용한다.

　백상어 개발 초기에는 국내에서 몸체의 기본 소재인 원통형 알루미늄합금 소재가 생산되지 않았다. 따라서 판재를 원통형으로 성형하고 용접해 제작해야 했다.

　하지만 제조업체의 알루미늄 용접 기술 부족과 소재의 불균일한 물성치 때문에 압력시험에서 누수는 물론 용접접합부가 파열되거나 소성변형이 발생했다. 또 성형된 소재는 시간이 지나면서 변형이 발생하기도 했다.

　이런 문제가 생기자 미국의 유명한 알루미늄 소재 제조업체로부터 원통형 알루미늄 도입을 시도했지만 수출제한품목으로 분류돼 있어서 해군함정의 배관용으로 1회만 도입할 수 있었다.

　이 무렵 백상어 몸체의 외경과 유사한 원통형 압출재를 제작하기 위해 국내의 한 업체가 해외에서 중고 대형 압축성형기를 도입했다. 이 업체가 백상어 몸체 소재 제작에 참여함으로써 ADD는 국내에서도 고압에 견디는 양질의 원통형 알루미늄 압출 소재를 구할 수 있게 됐고 이후의 어뢰 개발 사업에도 적용했다.

 

- 초기의 해상 발사시험

   시험선 ‘선진호’서 연습 발사

   몇 차례 시제품을 개발하면서 ADD의 시험선인 선진호에서 백상어 연습어뢰의 해상발사시험이 진행됐다.

　한번은 주행제어 기능에 문제가 생기면서 어뢰가 수면으로 튀어오르는 일이 발생했다. 수면으로 부상한 어뢰는 주행을 멈추지 않았고 자체 통제가 되지 않는 상태로 제멋대로 잠수와 부상을 반복했다.

　선진호에서 이런 상황을 지켜보던 연구진은 별다른 통제대책이 없어 어뢰 뒤를 계속 따라가면서 주변의 상황을 살폈다. 어뢰가 주행하고 있는 선상에 소형 어선(목선) 한 척이 고기잡이를 하고 있는 것이 발견됐다. 선진호에서는 긴급히 대피하라고 방송했지만 어선은 영문을 모른 채 가만히 있었다. 다행히 어뢰는 어선을 비켜갔고 약 1시간 주행한 뒤 일본과 우리나라의 EEZ(Exclusive Economic Zone) 경계선 부근에서 추진전지 방전으로 멈췄다. 이후 백상어는 시야에서 사라져 버렸다.

　멈춰 선 주변 해역을 샅샅이 찾아보았으나 허탕이었다. 어뢰가 1시간가량 잠수주행과 수상주행을 반복하면서 몸체와 축계의 수밀구조가 파괴돼 바닷속으로 가라앉은 것으로 추측하면서 동원된 해군 함정 2척을 귀항시키고 ADD 시험선 선진호만 남았다. 얼마 후 선진호 가까이로 지나가던 어선이 어뢰 비슷한 물체를 보았다고 몸짓으로 신고를 했고, 선진호는 그 해역으로 이동해 어뢰를 회수할 수 있었다.

　확인 결과 어뢰는 몸체와 축계의 수밀구조가 파괴돼 침몰한 것이 아니었다. 수평타가 잠항 위치로 고착돼 계속 잠수, 바닷속 뻘에 박혀있다가 추진력이 없어지고 일정 시간이 지나면서 양성부력이 뻘이 잡고 있는 힘보다 커져서 자연적으로 서서히 부상하게 된 것이었다. 연구진은 잃어버린 어뢰를 다시 찾았고 다행히 어선과의 충돌도 피했다며 안도의 한숨을 내쉬었지만 지금도 그 순간을 생각하면 아찔하기만 하다고 입을 모은다.

국방과학연구소(ADD)·국방일보 공동기획

<국방과학기술지식대백과사전> - 호밍 어뢰 (Homing Torpedo)

   호밍 어뢰는 자동 추적 어뢰라고도 하며 잠수함이나 수상함 등에서 발생하는 전파·음파 따위를 감지해 목표물을 자동으로 추적, 수중 폭파하는 유도무기를 말한다.

　호밍 어뢰는 신속성·정확성·치명성을 추구하며 어뢰 발사체계의 발전과 더불어 표적이 회피할 수 있는 기회를 줄인다. 또한 어뢰방어대항책(ACCM: Acoustic Counter-CounterMeasure) 및 재공격(reattack) 기법이 발전하면서 기존의 회피기동(evasive maneuver) 및 기만체계(ACM: Acoustic CounterMeasure)를 약화시킨다.

　일반적으로 수중 추적시스템을 위한 호밍 방식(homing technology)은 수동모드·능동모드·혼합모드·유선유도모드 등이 있다. 수동모드는 표적의 자체 소음을 처리해 방위정보를 얻을 수 있으며, 능동모드는 수중에서 핑신호를 발사하고 함정의 반사핑을 처리해 방위 및 거리정보 등을 획득할 수 있다. 혼합모드는 능동 및 수동모드를 병행 또는 동시에 사용해 표적 식별에 정확성을 부여한다. 또 유선유도모드는 능동·수동모드를 주로 이용해 운용자가 유선으로 표적을 추적하게 된다.