수중·해양 무기체계

수중·해양 무기체계

해양감시정찰, 함정전투체계, 수중정밀타격, 전략플랫폼 및 해양무인화 관련 무기체계와 핵심기술을 연구개발하여 해군 전력구축의 핵심적 역할을 담당하는 본부로서 해양기술 분야 연구실험실과 해양시험장을 갖추고 있습니다.

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어뢰음향대항체계

어뢰음향대항체계는 자함으로 공격해 오는 적 어뢰를 조기에 탐지 및 자동경보하고, 고출력의 음향 방해신호를 수중에 방사하여 어뢰를 교란 및 기만하여 자함을 보호하는 음향대항장비 체계로서, 선진국에서도 어뢰경보 기술, 공격 어뢰에 대응하기 위한 대응전술 및 고출력 기만신호처리 기술 등 핵심 기술 이전을 엄격하게 통제하고 있고, 외국에 어뢰 음향대항장비를 판매할 때도 자국용 장비보다 훨씬 성능이 떨어지고 장비 성능 개량 등에 필수적인 소프트웨어와 핵심 기술 등은 전혀 제공하지 않고 있고 단지 하드웨어만 판매하고 있는 실정이다.

국방과학연구소는 이러한 음향대항장비의 특수성을 고려하여, 90년대 초 에 관련 핵심기술 분야에 대한 응용연구를 거친 후 "93년 10월부터 "99년 12월까지 약 6년 간에 걸쳐 한국형 수상함 체계 및 잠수함 체계에 적합한 어뢰 음향대항체계를 독자적으로 체계 구성부터 설계, 제작 및 시험평가를 완료하여 개발에 성공하였다. 현존하는 직주어뢰는 물론 2000년대 음향 호밍유도어뢰 공격으로부터 자함을 방어하기 위한 체계 핵심기술로서, 저소음의 어뢰를 원거리에서 탐지하고 자동 경보하기 위한 어뢰 탐지/경보처리 기술과 어뢰 공격 방위별로 자함을 방어하기 위한 최적의 대항전술 개발 기술, 어뢰의 능동 및 수동 호밍 공격에 대응할 수 있는 고출력 기만신호처리 기술 등을 독자적으로 개발하였다.

예인음탐기체계

예인음탐기체계는 적 잠수함을 조기에 탐지·식별·추적할 수 있는 저주파 수동음탐 체계로서 저소음화되는 잠수함의 장거리 탐지를 위한 정밀 신호처리 기술, 개별 신호의 분리추적 및 표적 기동분석(TMA) 등의 고도의 정보처리 기술이 적용된 최첨단 분야의 정보수집 체계이다. 이 분야는 미국, 영국, 프랑스, 독일 등 선진국에서만 개발되었고 대잠수함전 효과도에 수집정보가 미치는 영향이 크므로 기술 유출이 매우 민감한 분야로 취급되고 있다.

국방과학연구소는 잠수함의 장거리 탐지/식별을 위하여 84년~92년 동안 핵심 기술의 개발을 위한 응용연구 및 93년~99년 동안 한국형 구축함(DDH)에 적합한 예인음탐기 체계를 독자적으로 설계/제작하여 해상 시험평가를 성공적으로 완료함으로써 국내개발에 대한 신뢰를 구축하는 계기를 마련하였다. 예인음탐기 체계의 국산화 및 잠수함에 대한 고성능 장거리 탐지가 가능해져 해군 수상함의 대 잠수함전의 전력향상을 이뤘다는 평가를 받고 있으며, 아울러 수입대체 효과와 방위 산업 활성화에 기여하게 됐다.

중어뢰(백상어)

잠수함 탑재용 중어뢰(일명 백상어)는 한반도 주변의 해양 환경에 적합한 탐지성능을 갖춘 수중 유도무기로서 잠수함에서 발사되어 스스로 표적을 추적하는 fire-and-forget 형태의 어뢰로서 시험 발사에서 90%이상의 명중률을 보인 한국형 독자 모델이다.

중어뢰 K731은 `90년 국방과학연구소의 주도 아래 LG정밀 등 다수의 방산 업체와 학계, 연구소 등이 개발에 참여했으며, 8년 동안 약 3백억원의 연구 개발비를 투자하여 개발에 성공한 국내 최초의 수중유도무기이다. 중어뢰 K731은 국산화율이 94.3%에 달하는 국내 독자개발의 무기체계로서, 대당 가격이 10억원으로 현재 해군에서 도입하여 사용중인 22억원인 유사기종 선유도 방식의 어뢰와 성능이 유사하다. 중어뢰 K731은 국산잠수함에 2000년부터 실전 배치되어 해군 방위력 증강에 크게 기여하리라 기대된다. 중어뢰 K731은 설계부터 시험평가까지 국내 기술진에 의해 수행 되었으며 특히 자체 개발한 HILS(Hardware In the Loop Simulation)기법을 이용하여 육상에서 해상 시험과 유사한 환경에서 수 많은 시험을 수행하여 개발되었다. 이로 인해 개발기간 단축과 예산 절감을 가져왔을 뿐만 아니라 독자적인 HILS기법의 확보로 유사 수중유도무기의 개발에도 크게 기여할 수 있게 되었다.

중구경 함포

함포 분야의 국내 연구개발 사업은 ’70년대 해군의 고속정(PK정)에 탑재된 20mm 쌍열함포 MK56 MOD3의 구동장치 개발사업을 시작으로 ’80년대 20mm 발칸포 함정화 사업, 40mm L/60 쌍열함포 체계개량사업, 40mm L/70 단열함포 체계개발사업을 단계적으로 수행하였으며 ’90년대에 이르러 선진국과 대등한 수준의 함포 개발 능력을 보유하게 되었다. 그동안 축적된 경험과 기술을 바탕으로 국내 고유모델의 중구경 함포(40mm L/70) 체계를 1988년 8월에 착수하여 1993년 12월 완료하였다. 또한 초도 생산품에 대한 품질보증 사업을 수행하여 1996년 6월 MLS 함에 최초 배치되어 총 7문이 실전 운용 중에 있다. 중구경 함포는 포신장치, 자동급탄장치, 제어장치로 구성되어 있으며 포신장치는 분당 620발의 발사속도로 수상 및 지상 표적과 공중 표적을 무력화 시킬 수 있는 우수한 성능을 보여주고 있다.

급탄장치에는 약 760발의 탄약이 적재되어있어 탄약의 재공급없이 10회 이상 적과 교전이 가능하다. 제어장치는 함포를 통제하는 부분을 최신 전자기술을 적용하였기 때문에 음속의 2배속도록 공격해오는 표적도 대응할 수 있는 능력이 있으며, 명중률이 우수하다. 국방과학연구소는 선진 함포 성능수준의 독자모델 개발을 목표로 탐색개발 없이 순수한 국내 기술과 체계연구 결과를 바탕으로 체계설계에서부터 시험평가까지 개발 전 과정을 독자적으로 수행하여 국내 함포 개발 기술을 선진국 수준으로 발전시켰으며 특히, 연평 해전에서 실전 운용되어서 실전에서 그 성능을 입증하였다. 중구경 함포 체계개발 경험 및 기술은 1993년 착수한 어뢰음향대항체계(TACM)의 기만기 발사대 개발에 적용하였으며 함포 통제기술은 2000년 이후 함정전투체계의 국내 개발에 대비한 표적정보처리 자동화장치 응용-시험개발로 연결되게 되었다.

경어뢰(청상어)

경어뢰 K745 (일명 "청상어")는 초계함급 이상의 수상함과 헬기 및 해상초계기에서 발사되어 수중의 잠수함 표적을 공격하는 최첨단의 수중유도무기이다. 청상어는 ‘95년 체계개발에 착수하여 국방과학연구소의 주도 아래 넥스원퓨처 등 다수의 방산업체와 학계, 연구소 등이 개발에 참여했으며, 10년 동안 약 5백억원의 연구개발비를 투자하여 2004년 개발에 성공하였다.

경어뢰(청상어)는 국산화율이 93%에 달하는 국내 독자개발의 무기체계로서, 선진국에서 개발된 최신의 경어뢰와 비교시 속도, 항주거리, 탐지성능 등 제반 성능에서 비교우위에 있다. 설계부터 시험평가까지 백상어 개발에 이용했던 SBD (Simulation Based Design), M&S (Modeling and Simulation) 및 HILS (Hardware In the Loop Simulation)기법 등을 확대 적용하여 육상에서 해상시험과 유사한 환경에서 수 많은 시험을 사전 수행함으로서 예산 절감 및 성능향상을 가져왔을 뿐만 아니라 독자적인 시뮬레이션 기법도 확보하였다. 양산단가도 해외 유사성능 어뢰 도입가의 50% 수준으로 비용대 효과 측면에서 군전력화 기여도가 혁신적이라 할 수 있다.

함정전투체계

대형수송함(LPH) 전투체계는 국내 최초로 연구개발된 함정전투체계이며 국내 유일의 지휘함용 전투체계로서, ’07년 개발 완료 후 전력화 및 실전 배치되어 현재 임무 수행 중에 있다. 본 체계는 독도함으로 더 잘 알려진 상륙 기함(Flag Ship)인 LPH 함정에 탑재되어, 대공전, 대함전, 전자전의 동시수행능력을 보유하고 있으며, 특히 요격 미사일 등을 이용한 자함방어(Self Defense) 임무 및 상륙기동부대 지휘통제 임무를 동시에 수행할 수 있는 최첨단 전투체계이다.

함정전투체계는 미국, 영국, 독일 등 일부 군사선진국에서만 독자적 개발 능력을 보유하고 있는 최첨단 무기체계로서, 함정에 탑재된 다양한 탐지센서로부터 획득된 표적정보를 실시간으로 처리하여 복잡한 위협상황하에서 최적의 교전 통제를 가능하게 하는 복합무기체계 (System of system)이다. 특히, 함정전투체계에는 전투를 위한 교전 수칙 및 전술 교리들이 내장되어야 하고, 각종 센서와 무장들이 완벽하게 통합되어 운용되어야 하기 때문에, 그동안 여러가지 애로사항을 감수하면서 국외 도입 체계만을 운용해 온 해군에게는 전투체계의 국내개발이 절실하게 요구되었다.

국방과학연구소는 이러한 함정전투체계 분야에 대한 설계 기술을 확보하고자, ’98년~’02년 동안 전투정보처리를 위한 핵심 하드웨어 및 소프트웨어 개발을 위해 핵심기술사업을 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 ’02년~’07년에는 대형수송함(LPH) 전투체계, ’03년~’08년에는 유도탄고속함(PKG) 전투체계를 성공적으로 개발 완료함으로써 함정전투체계 연구개발능력을 보유한 국가 대열에 합류하게 되었다. 현재는 차기호위함(FFX) 전투체계 및 장보고-III급 잠수함 전투체계를 개발중이며, 향후에는 꿈의 전투체계로 불리우는 미국의 이지스(AEGIS) 전투체계와 동급의 체계를 독자개발 할 예정이다.

함정전투체계의 국산화는 관련 설계기술의 자립 뿐만이 아니라 함정 전투력의 실질적인 독립을 의미하며, 기 확보하고 있는 세계 일류의 함정 선체 건조기술 및 주요 센서/무장 설계기술까지 고려할 때, 명실공히 전투함정의 A부터 Z까지 국내 기술로 완성할 수 있는 능력을 확보했음을 의미한다. 독도함으로 명명된 LPH 1번함은 기본 임무 외에도 주요 해외 방산전시회 및 관함식(Fleet Review) 등에 참여하여 한국의 방산 기술력의 우수성을 알리는 첨병 역할까지 수행하고 있으며, 유도탄고속함 전투체계는 우수한 성능과 함께 중소형 함정에 최적의 구조를 가지고 있어서 현재 활발한 수출 협상이 진행중이다.

수중유도무기용 고성능 저소음 추진기

추진기(Propulsor)는 수상 및 수중 운동체의 추력을 발생시키는 장치이며, 일반적으로 잠수함이나 어뢰 등의 수중운동체를 위해 사용되는 것으로는 고스큐 프로펠러(High Skew Screw Propeller)와 펌프제트(Pumpjet)가 있다. 최근에는 잠수함이나 어뢰가 고속화 되어가면서 증가하는 소음을 줄이기 위하여 뛰어난 저소음 특성을 지닌 것으로 알려진 펌프제트에 많은 연구 개발비가 투자되고 있다

펌프제트는 로터, 스테이터 및 덕트로 구성되어 있다. 로터 및 스테이터는 펌프제트의 추력발생 및 토오크 균형을 담당하게 되며, 덕트는 유동장을 조절함으로써 캐비테이션 발생을 지연시키고 소음방사를 제한한다. 펌프제트는 로터와 스테이터의 위치에 따라 전류 스테이터 펌프제트(Pre-swirl pumpjet), 후류 스테이터 펌프제트(Post-swirl pumpjet) 및 반전 로터 펌프제트(Contra-rotating pumpjet)로 구분하고 있다.

전류 스테이터 펌프제트는 대부분 잠수함에 적용되고 있으며, 후류 스테이터 펌프제트와 반전 로터 펌프제트는 어뢰의 추진기로 채택되고 있다. 전류 스테이터 펌프제트는 전류 스테이터에 의한 유입 유동의 정류로 비정상성에 의한 진동 및 소음을 감소시킬 수 있으며, 비정상성에 의한 유입 유동의 입사각의 변화로 야기되는 캐비테이션 발생을 감소시키는 장점이 있다. 그러나, 스테이터의 항력 발생으로 추진 효율을 저하시키는 단점이 있으며, 어뢰에서 필요로 하는 토오크 균형을 유지하기 힘든 단점이 있다.후류 스테이터 펌프제트는 스테이터에 의한 추력 분담으로 효율 및 캐비테이션 성능의 향상을 가져올 수 있으며, 후류 스테이터에 의해 후류 회전 모멘트를 제거함으로써 토오크 균형을 유지할 수 있어 어뢰의 추진장치로 많이 활용되고 있다. 그러나, 반전 로터 펌프제트에 비하여 비설계점에서는 토오크 불균형이 증가할 수 있다.

반전 로터 펌프제트는 두 개의 로터에 의한 추력 분담으로 추진 효율 및 캐비테이션 성능을 향상시킬 수 있으며, 설계점 및 비설계점에서 토오크 균형의 유지가 가능하다. 그러나, 두 개의 로터를 회전시키기 위해서는 기계적으로 복잡한 축계 구조를 필요로 한다. 펌프제트의 설계는 각각의 구성품들 간의 상호 작용 영향이 매우 크게 작용하기 때문에 일반 프로펠러와는 다른 새로운 기법으로 설계되어진다. 국과연에서는 일반 프로펠러에 주로 사용되는 양력선(Lifting line method) 및 양력면(Lifting surface method) 이론을 이용하여 펌프제트를 설계하고 있으며, 양력판 이론(Panel method)을 이용한 성능 해석을 통하여 설계된 펌프제트의 성능을 검증하고 있다.또한 설계된 펌프제트의 성능을 확인하고 캐비테이션과 같은 국부 유동을 관찰하기 위하여 수조(Towing tank) 및 캐비테이션 터널(Cavitation tunnel)에서의 모형시험을 수행하고 있다. 최근에는 펌프제트 주위의 유동을 세밀히 연구하기 위하여 점성 유동 해석 기법을 이용한 펌프제트 성능 해석에 심혈을 기울이고 있다.

음향스텔스

음향스텔스란, 무기체계에서 발생되는 음향 에너지를 탐지하는 탐지체계에 노출되지 않도록 하는 것으로 소음감소, 음향표적강도 감소를 이루는 적극적인 기술과 주변의 지형 지물이나 환경을 이용하는 소극적인 기술이 있다. 특히 수중무기체계에서는 원거리 탐지 수단으로 음향에너지를 이용하고 있어 음향스텔스는 무기체계의 은밀성을 확보하는 매우 중요한 기술이다. 음향스텔스에서 다루어지는 음향신호는 무기체계에서 발생하는 수 Hz에서 수십 kHz까지의 모든 소리로 각 무기체계 특성에 따라 다양하므로 이에 대한 음향스텔스 기술 또한 매우 다양하다.

음향스텔스 기술의 하나인 소음 감소기술인 음향차폐화기술은 고소음원을 가장 경량화된 구조로 근접 차폐하는 기술로 고 소음의 디젤 엔진 및 개스터빈을 탑재하는 수상 전투함의 음향 스텔스에는 매우 중요한 기술로 현재 설계/해석 소프트웨어를 보유하고 있으며, 민수 기술 이전을 통하여 2개 회사에 기술을 이전하고 있다. 수중방사소음해석 기술은 함정의 음향스텔스를 위해 가장 기본인 대상 함정에 대한 음향특성을 해석하는 기술로 기계류소음, 추진기 소음, 유체동력학적 소음 해석을 포함하는 광범위 기술이다.

기계류 소음원에 의한 소음에 대하여서는 상용패키지 및 자체 개발한 해석S/W와 해군 함정의 실측데이터베이스를 이용하여 기술을 개발하고 있으며, 모델시험을 통하여 이론 해석을 발전시켜가고 있으며, 유체소음해석, 추진기 소음해석 기술을 실험 검증을 통하여 지속적으로 발전시켜가고 있다. 그리고 자체 핵심기술 개발 이외 국내 우수 연구진을 활용한 수중음향특화센터를 이용하여 새로운 해석 기술의 기초를 개발하고 있다. 또한 음향스텔스 기술의 수중방사소음 감소기술은 무기체계에서 외부로 발생되는 음향에너지 감소로 자신이 노출이 최소화되도록 하는 기술일 뿐만 아니라 자신의 음향 탐지체계를 향상시켜주는 2차 효과도 매우 크다. 어뢰, 선배열 예인 소나시스템 등의 음향탐지시스템의 탐지 성능 향상을 위한 자체소음 감소 기술을 연구 개발해가고 있으며, 특히 이 기술에 포함된 유체동력학적인 소음 연구는 국내 연구를 이끌어 가고 있다.또한 잠수함 정숙화로 인한 수동 소나의 탐지 효율 감소를 극복하기 위하여 능동 소나를 이용한 양상태 소나 개념의 탐지로 발전해 가고 있어 이에 대한 대비 및 어뢰의 능동 소나에 의한 공격의 무력화를 위한 음향 표적강도 감소를 위한 연구를 계획하고 있다.

음향센서

음향센서는 수상 및 수중의 적 표적을 탐지하기 위하여 적 함정 등의 표적에서 발생되는 음파신호를 감지하거나 수중으로 음파를 발생시켜 표적에 부딪혀 반사되는 음파신호를 수신하여 소나 신호분석 장비에 제공하는 센서이다. 동작개념에 따라 음파를 송신하는 능동센서(Projector)와 음파를 수신하는 수동센서(Hydrophone)로 분류된다. 그리고 사용주파수에 따라 수십 Hz에서 수 kHz 대역의 저주파 센서, 수 kHz에서 수십 kHz 대역의 중주파 센서, 100 kHz 이상의 고주파 센서로 분류된다.

한편 적용 무기체계에 따라 선형배열, 원통형배열, 평명배열 등 다양한 배열 구조로 설계되어 수상함용 예인선배열소나, 어뢰경보소나, 선저고정소나, 해저고정소나, 어뢰 음향전환장치, 기뢰 하이드로폰 등에 적용되고 있다. 이러한 음향센서를 개발하기 위해서는 음향센서 재료, 센서 엘리먼트 및 배열구조, 음향신호 송수신기, 시험평가 등에 관련된 핵심기술 개발이 필요하다.

현재 음향센서는 기존의 압전세라믹 보다 음향감도가 높은 광섬유 음향센서와 음향효율과 적용성이 우수한 압전-폴리머 복합재료센서 연구가 활발히 수행되고 있다. 그리고 선진국으로 중심으로 미래 수중탐지 체계용으로 MEMS 기반 초소형 음향센서와 음파의 방향성 정보 탐지가 가능한 벡터센서(Vector Sensor)에 대한 연구개발이 진행되고 있다.