무기의 탄생'중거리 지대공 유도무기 천궁

명가의 집념 13년, 백발백중의 명품으로 탄생하다

<25> 중거리 지대공 유도무기 천궁 (상)

2015. 07. 21   16:58 입력 | 2015. 07. 21   18:38 수정

ADD 주도 군·산·학·연 연구 협력체제 구축

1998년부터 핵심기술 개발 2011년 말 완료

 

천궁(天弓)은 공군이 운용 중인 호크 체계의 후속 대체 전력으로 국방과학연구소(ADD)가 개발한 중거리 지대공 유도무기다. 1998년부터 체계개념연구와 탐색개발을 통해 핵심기술을 개발한 후 2006년에 ‘철매-Ⅱ’라는 사업명으로 체계개발에 착수해 2011년 말에 완료했다. 2012년 말에는 국가과학기술위원회와 한국과학기술기획평가원에서 선정하는 2012 정부연구개발 최우수성과(Top 5)에 ‘천궁 개발’이 뽑히기도 했다

 

 

 

기사사진과 설명

중거리 지대공 유도무기 천궁의 시험발사 장면 그래픽. ADD 제공

 

 

   ● 탄생 과정

　천궁은 항공기나 유도탄 등 이륙한 적의 비행체를 파괴·무력화하거나 공격효과를 감소시키기 위해 운용되는 대공무기의 하나다.

　천궁 체계는 교전통제소, 다기능 레이더, 발사대, 유도탄으로 구성된다.

　유도탄은 탄두, 신관, 탐색기, 세라믹 레이돔, 유도조종장치, 관성항법장치, 지령수신기, 구동장치, 측추력기, 추진기관, 기체, 원격측정장치 등 많은 구성품들의 집합체다.

　ADD는 체계개념연구에 착수하기 이전인 1994년 3월부터 천궁 개발 가능성을 검토하면서 관련 연구를 시작, 그해 12월에는 중점 추진 무기체계로 선정했다.

　1998년부터 2000년 12월까지 체계개념연구를 수행, 체계와 주요 구성품들의 개념설계를 실시하고 설계요구조건을 정립했다. 같은 기간 핵심기술 개발을 위한 응용연구 과제들도 수행했다.

　탐색개발은 2001년 10월부터 2006년 5월까지 수행했다. 특히 다기능 레이더 기술을 확보하는 데 많은 기간이 소요됐다.

　2006년 10월 체계개발에 착수, 그해 출범한 방위사업청과 함께 주요 방위산업체, 연구기관, 대학 등과 군·산·학·연의 연구개발 협력체제를 구축했다.

　ADD를 비롯해 관련 기관과 업체에서 1100여 명의 인력이 개발에 참여했다. LIG넥스원·한화탈레스·두산DST·한화·기아자동차 등 17개 주요 방산업체가 참여했고 한국과학기술원(KAIST) 등 6개 대학도 핵심기술 개발을 위한 연구과제를 수행했다.

　공군은 설계검토회의 등 각종 기술검토회의에 참여해 사용자 입장에서 의견을 제시했고 운용자 화면설계 등을 집중적으로 검토해 사용하기에 편리한 무기체계를 개발하는 데 기여했다.

 

　● 주요 특징

　천궁 유도탄은 측추력기를 이용한 초기회전방식을 채택했고 표적지향성 탄두를 적용했다. 일반적인 지대공 유도탄의 탄두는 파편이 360도 방향으로 균일하게 분산되지만 천궁의 탄두는 파편들을 표적 방향으로 집중시켜 폭발의 효과를 배가시킬 수 있도록 개발됐다.

　다기능 레이더는 표적 탐지·추적, 적아식별, 유도탄과의 통신 등 여러 기능을 수행하는 3차원 위상배열 레이더다. 다양한 종류의 레이더를 사용하는 호크와 달리 하나의 다기능 레이더를 사용하게 됨으로써 포대 장비의 구성이 단순해지고 작전배치나 운용 면에서 기동성·편의성이 크게 향상됐다.

　교전통제소는 운용자의 편의성을 고려해 설계됐다. 교전 절차는 물론이고 장비 점검 등 많은 기능이 자동화됐다. 통제소 내의 장비들은 저소음으로 설계됐다.

　발사대는 유도탄을 수직사출 방식으로 발사한다. 유도탄을 발사대로부터 사출시킨 후 공중에서 추진기관을 점화하므로 발사대에 화염처리장치가 필요하지 않다. 수직발사 방식은 경사발사 방식과는 달리 표적 방향으로 발사대를 회전시킬 필요가 없다.

 

　● 세계의 중거리 지대공 유도무기

　천궁과 같은 중거리 지대공 유도무기는 주로 적과 대치하고 있는 거리가 짧은 전장에서 운용된다. 2000년대 이전까지 서방에서는 미국에서 개발한 호크 체계를 운용했고 공산권 국가들은 SA-3으로 명명된 S-125를 운용했다.

　2000년대에 전력화됐거나 개발 중인 중거리 지대공 유도무기로는 미국·이탈리아·독일이 개발하고 있는 MEADS, 프랑스의 SAMP/T, 일본의 Chu-SAM, 우리나라의 천궁 등이 있다.

　천궁을 비롯한 최신 중거리 지대공 유도무기들은 대부분 위상배열 레이더인 다기능 레이더, 상위 제대의 지휘통제 체계들과 연동되는 교전통제소, 수직발사 방식을 사용하는 발사대, 능동형 초고주파 탐색기를 사용하는 유도탄 등으로 구성돼 있다. 또 유도 방식으로 중기유도 단계까지는 관성항법 유도 방식과 지령 유도 방식을 적용하고 그 이후에는 초고주파 탐색기 정보를 이용하는 호밍 유도 방식을 적용하고 있다.

　천궁 체계의 성능이나 특성들은 선진국들이 개발한 동급의 체계들과 비교해 손색이 없다. 사거리·고도·동시교전능력 등 주요 성능 측면에서뿐만 아니라 전자전 대응 능력, 정비성, 기동성 등에서도 대등하거나 더 우수한 성능을 갖고 있다.

 

　● 개발 효과

　우리 하늘을 우리 손으로 개발한 무기체계로 지킬 수 있게 된 것이 가장 큰 효과다.

　기술적으로는 우리가 취약했던 레이더 기술을 확보했고 나아가 장거리 지대공 유도무기와 탄도탄 요격체계를 개발할 수 있는 기반을 확보했다.

　경제적으로도 호크 체계를 해외도입 무기체계로 대체할 경우 지급했어야 할 많은 비용을 절감할 수 있게 됐다.

　2011년 천궁 개발을 완료하면서 ADD가 분석한 바에 따르면 연구개발 투자비 대비 약 4.5배의 경제효과를 창출한 것으로 나타났다.

 어부의 선물(유도탄 잔해물)’로 개발 초기 오류 실마리 찾아

<26> 중거리 지대공 유도무기 천궁 (하)

2015. 08. 04   17:54 입력 | 2015. 08. 04   18:32 수정

기사사진과 설명

국내 개발된 중거리 지대공 유도무기 천궁이 실전배치를 앞두고 지난달 말 국방기술품질원(원장 이헌곤) 주관으로 ADD 안흥시험장에서 최초생산품에 대한 품질인증사격을 하고 있다. 기품원 제공

 

 

   개발 배경 - 美 호크 미사일 성능개량에 어려움

 

   천궁 개발에 착수하던 당시 공군은 방공 전력으로 호크와 나이키를 운용하고 있었다. 호크는 1950년대에 미국 육군에서 개발한 중거리 지대공 유도무기다. 1972년에는 성능 개량을 통해 I-HAWK(Improved Homing All the Way Killer)로 개량됐다. 우리 공군은 1984년부터 호크 체계에 대한 1차와 2차 재개량을 실시했다. 국내 기술기반이 취약해 미국의 원제작사에 의해 성능개량이 이뤄지다 보니 많은 예산이 투입되고 있었다. 국방부는 1991년 8월에 2차 재개량 사업을 승인하면서 호크 개량사업은 2차 재개량으로 종결하고 장기 유지할 수 있는 대책을 강구하도록 지시했다. 핵심 수리부속 확보 등의 어려움으로 운영 유지에 많은 문제점이 발생할 것으로 예상했기 때문이다.

　1993년 8월에 국방부는 방공운영개념과 장기 국방기술 전략 등을 고려해 중거리 지대공 유도무기부터 연구개발을 추진하는 방안을 검토하도록 지시했다. 국방과학연구소(ADD)는 개발에 필요한 핵심기술 연구에 조기 착수한다는 가정 하에 국내개발 계획안을 회신했다. 합참에서는 1994년에 전력화 시기와 군요구성능 등을 반영해 소요를 결정했다. 소요제기 권한을 가지고 있던 합참이 직접 소요를 제기한 것이다.

 

　개발 당시 연구개발 수준 - 일부 선진국만 개발 성공

   천궁 개발에 착수하던 시기에 중·장거리 지대공 유도무기를 개발한 나라는 미국·러시아·프랑스·일본 등과 탄도탄 방어 무기 체계인 애로(Arrow)를 개발하고 있던 이스라엘 정도였다. 프랑스와 이탈리아는 공동으로 호크를 대체하기 위하여 SAMP/T 체계를 개발하고 있었고 우리보다 앞서 2009년경에 개발을 완료했다. 일본은 1988년부터 호크 대체 전력을 개발하기 위한 연구를 시작해 2003년경에 추샘(Chu-SAM) 개발을 완료했다. 미국·이탈리아·독일은 공동으로 1996년부터 MEADS(Medium Extended Air Defence System)를 개발하고 있었다.

　천궁 개발 착수 시점에 ADD는 지대지 유도무기 현무, 단거리 지대공 유도무기 천마, 함대함 유도무기 해성을 개발한 경험을 갖고 있었다. 일부 선진국만이 개발에 성공한 중거리 지대공 유도무기를 국내 개발하겠다는 계획은 많은 사람의 우려를 불러일으켰다. 그러나 노후한 호크를 대체할 무기체계는 국내에서 개발해야 한다는 당위성은 설득력을 갖고 있었다. 많은 핵심기술을 적용해야 하는 천궁을 개발할 경우, 유도탄 기술을 한 단계 도약시킬 수 있다는 점도 주요한 고려 사항이었다.

　1997년 ADD에서 제출한 사업계획서를 승인해야 할 국방부 역시 부담이 큰 결정을 해야 했다. 1조원 이상이 투입될 것으로 예상되는 대형 사업을 승인하기까지 1년여가 소요됐다. 우리나라가 첨단 지대공 유도무기를 개발할 수 있겠느냐라는 불안감이 컸다. 당시의 부족한 기술과 한정된 예산으로 우리에게 꼭 필요한 무기체계를 어떻게 개발하느냐가 큰 과제였다.

　

   개발 에피소드 - 측추력기 이용 초기회전 방식 시도

   천궁 유도탄은 빠른 속도와 높은 기동성을 요구했다. 천마 유도탄을 설계한 경험을 갖고 있었지만 꼬리날개만 있는 고속 고기동 유도탄의 형상설계는 또 다른 차원의 기술이었다. 1999년 말까지도 유도탄 형상 확정에 어려움을 겪고 있었다. 가장 큰 이슈는 유도탄 발사 후 진행 방향을 바꾸는 초기회전 방식을 결정하는 것이었다.

　개발 초기에는 추진기관의 추력을 일부 사용하는 제트베인 방식을 적용하기로 하고, 구성품을 제작해 각종 실험을 했다. 실험 결과를 바탕으로 설계를 확정하려 했지만 유도탄 무게가 최초 예상 무게보다 크게 증가했다. 또 무거운 제트베인이 뒷부분에 장착되면서 유도탄의 무게중심이 후방으로 치우쳐 유도조종 안정성을 확보하기가 어려웠다. 연구진은 많은 논란 끝에 결국 제트베인을 떼어내고 측추력기를 이용하는 방식을 적용하기로 했다.

　그때까지 어느 선진국에서도 시도해 본 적이 없는 전혀 새로운 초기회전 방식이라 많은 논란이 있었다. 측추력기는 유도조종 종말 단계에서 사용할 목적으로 설계한 것이다. 그런 측추력기를 초기회전 단계에서도 일부 사용하게 된 것이다. 측추력기에 의한 초기회전 방식은 천궁의 여러 가지 특징들 중의 하나가 됐다.

　탐색개발 단계에서는 세 차례의 유도탄 사격시험이 실시됐다. 2004년 4월부터 실시한 1차와 2차 사격시험은 모두 실패했다. 1차 사격시험의 실패 원인으로는 추진기관과 유도탄 동체가 의심받고 있었다. 2차 사격시험의 실패 원인은 발사관의 사출판 설계 오류가 주원인일 것이라는 잠정적인 결론이 내려진 상태였다. 2005년 11월로 예정된 3차 사격시험 준비가 거의 막바지에 이르렀을 때 어느 어부가 사격시험장 앞바다에서 유도탄 잔해물을 건져 주었다. 연구진은 실패한 2차 사격시험의 원인 분석에 큰 도움이 되리라는 희망을 갖고 잔해물을 분해했다. 부품번호를 확인한 결과 1차 사격시험에 쓴 유도탄의 잔해물인 것으로 판명됐다.

　잔해물을 분해 후 추진기관을 살펴보는 순간 놀랍게도 연소관의 노즐 조립부 근처에 구멍이 있음을 발견했다. ‘추진기관이 연소 말기에 구멍이 나면 측추력이 발생해 유도탄이 오작동할 수 있다’는 1차 사격시험 후의 실패 원인 분석 결과를 뒷받침하고 있었다. 추진기관에 구멍이 나는 것은 있을 수 없다고 주장하던 추진기관 연구진은 그동안 전혀 경험해 보지 못한 현상을 파악하기 위해 설계를 처음부터 다시 검토하기 시작했다. 그리하여 추진기관 구조물을 열로부터 보호하기 위해 내부에 부착한 내열재에서 발생한 기포가 원인임을 밝혀냈다. 연구진은 유도탄 잔해물을 건져줌으로써 개발 초기에 오류를 바로잡을 수 있게 해준 그 어부의 도움을 지금도 고맙게 여기고 있다.

 

 

국방과학기술지식대백과사전 - 다기능 레이더(Multi-Function Radar)

 

탐지 레이더와 추적 레이더의 기능을 동시에 보유해 탐지 및 추적, 미사일 유도, 피아식별, 영역 탐지, 요격 확인 등의 기능을 수행할 수 있는 레이더. 다기능 레이더는 한 개의 송신관을 이용한 수동형 다기능 레이더에서 여러 개의 반도체 송수신기를 이용한 능동형 다기능 레이더로 발전하고 있다.

정밀타격용 대공 유도무기 체계의 경우 목적을 달성하기 위해서는 다양한 추적센서 및 조사기를 필요로 하는데, 탐지 및 식별센서와 중거리급 이상의 추적 및 조사기는 주로 레이더를 사용하고 있다. 특히 탐지, 추적, 표적 조명 등의 기능을 하나의 레이더로 수행할 수 있다면 대공무기체계의 운용에 엄청난 이점을 제공하게 된다.

　레이더 기술의 발달 특히 위상배열 안테나의 개발로 전자적 제어에 의해 원하는 순간에 원하는 위치로 레이더빔을 지향시킬 수 있게 됐고, 고속으로 신호처리가 가능한 프로세서 기술의 발달로 1대의 레이더가 동시에 여러 기능을 수행할 수 있는 다기능 레이더를 실현할 수 있게 됐다.

국방과학기술지식대백과사전-지대공 유도무기(SAM)

　지대공 유도무기(SAM:Surface to Air Missile)는 발사차량, 대공레이더 등으로 구성되는 발사통제장비와 유도탄으로 구성되며 각종 공중 위협으로부터 국지방공과 일정지역에 대한 지역방공 기능을 제공한다.

　운용 절차는 발사통제체계에 의해 표적정보를 획득하고 교전 여부를 판단해 유도탄을 발사하는 단계, 발사된 유도탄을 표적으로 유도하는 단계, 유도탄 탐색기에 의한 표적 포착 및 요격 과정과 교전결과를 발사통제체계에서 확인하는 단계로 운용된다.

　지대공 유도무기체계는 지역방공에 사용되는 것과 국지방공에 사용되는 것으로 구분된다. 지역방공에 활용되는 유도무기체계는 지상에 배치된 지휘통제체계와 요격수단인 유도탄으로 구성되며 적 전투기, 순항유도탄 및 전술탄도탄 등의 각종 공중위협으로부터 거점 및 지역방공 기능을 담당한다.

　국지방공에 활용되는 유도무기체계는 단거리 지대공 유도무기, 휴대용 지대공 유도무기 등이 있으며, 중·장거리 지대공 유도무기체계로 교전해 요격되지 않은 적 공중위협체나 헬기, 순항유도탄 등으로부터 아군의 전략·전술적 표적 및 인원·시설의 보호를 담당한다.

　지대공 유도무기는 일반적으로 공격 가능한 고도와 사거리에 따라 분류하는데 요격 고도를 기준으로는 저고도(4㎞ 이내), 중고도(4~10㎞) 및 고고도(10㎞ 이상)용으로 분류되며, 사거리에 따라서는 단거리(20㎞ 이내), 중거리(20~75㎞) 및 장거리(75㎞ 이상)용으로 분류할 수 있다.

　장거리 지대공 유도탄의 경우에는 광역방공을 수행하기 때문에 사거리가 지속적으로 확대돼 1990년대 100~150㎞ 수준에서 2000년대에는 200~400㎞ 수준까지 증가했다. 특히 탄도탄 부스트 단계 및 중기단계에 요격을 수행하는 사거리 1000㎞ 이상의 외기권 요격체가 전력화됐다.