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SM-3

last modified: 2015-03-15 04:52:48 by Contributors


현재 진행 중인 모든 탄도 미사일 방어 시스템 중 가장 잘 나가는 체계
미사일방어국의 홍보영상

Contents

1. 개요
2. 운영 방식
3. 유도탄 상세
3.1. 직격비행체
3.2. 탐색기
3.3. DACS
4. 지상형
5. 위성 격추
6. 형식
7. 한국 도입 떡밥
8. 같이보기

1. 개요

이지스 BMD시스템 전용 요격 미사일로서 미국 미사일 방어국(Missile Defense Agency) 주도로 레이시온社가 개발했다.

2. 운영 방식

SM-3는 고체부스터와 2단 로켓엔진을 장착해 사정거리를 늘릴 예정이었던 SM-2 Block 4를 기반으로 3단 로켓으로 확대해서 지구 저궤도(500km)까지 올라갈 수 있도록 디자인 되었다. 위성 발사용 로켓처럼 고체부스터 → 1단 → 2단 → 페어링 → 3단 → 키네틱 탄두 순으로 잇따라 분리된 후 탄두의 적외선 센서가 탄도탄을 찾아 운동에너지로 직격하는 방식으로 운영된다. 이때 탄두는 측방에 탑재된 가스 분사구로 자세 제어를 하면서 목표까지 날아간다. 영상 1영상2

위에 변형되는 모습과[1] 센서 특성에서 볼 수 있듯이 이 미사일은 극단적으로 고고도 탄도미사일 요격에 치중된 미사일이기 때문에 대기권 내에서는 운용이 불가능하다. 그 때문에 육군은 THAADPAC-3, 해군은 SM-2SM-6를 통해 중저고도 방공을 보완하게 된다.

3. 유도탄 상세


3.1. 직격비행체

직격비행체는 영어로는 Kill Vehicle이라 부르는 부분이며, 실제로 적 탄도탄에 가서 들이 받는 부분이다. 이 부분에는 탐색기와 유도조종컴퓨터, 그리고 궤도 및 자세제어용 로켓인 DACS만 들어있다. 즉 '폭약'이 들어있지 않다. 그냥 그 자체의 운동에너지로 표적을 파괴하는 방식. 그래서 이 부분을 운동에너지 탄두(KW, Kinetic Warhead)라고 부른다. 혹은 LEAP(Light weight Exo-Atmosphere Projectile, 경량 외기권 비행체)이라 부르는데, 기존에 더 대형으로 개발되던 직격비행체 시스템에 비하여 함상운용을 위해 극단적으로 크기를 줄이는 프로젝트에서 비롯되어서 이렇다.

직격비행체는 SM-2로 치면 레이더가 들어차있던 부분에 들어있는데, 대기권 내에서는 페어링이라 부르는 미사일 앞부분의 덮개에 덮혀 있으며, 대기권 바깥에서 이 부분이 분리된 뒤 3단 로켓의 추진력이 다 떨어지면 분리된다. 이후 직격비행체 자체에는 자세/궤도수정용 로켓만 있을 뿐 속도를 더해주는 추진로켓은 없으나 이미 속도가 마하 7, 8 급으로 가속된 상태인데다가 우주에서는 공기저항이 없으므로 속도가 줄어들일도 거의 없다. 어찌보면 초소형 인공위성을 우주 궤도를 돌게 하는 대신 엄청나게 빠른 속도로 표적에 직접 날리는 것에 가깝다.

3.2. 탐색기


SM-3는 전방 고정형(상하좌우 구동이 안됨) 적외선 영상 탐색기를 사용한다. 블록1A는 중파장대역(MWIR)만 사용하는 1 color 방식이며 블록1B 부터는 중파장/장파장(MWIR/LWIR) 대역을 사용하는 2 Color 방식이다. 탐색기 자체는 냉각형으로, 고압용기에 들어있는 가스를 탐색기 센서에 순식간에 분사하여 급속냉각하는 방식을 사용한다.[2] 고압용기는 탐색기 통 주변 바깥에 도넛 형태로 부착된다.

SM-2가 레이더 방식을 사용한 것과 달리 SM-3는 적외선 영상 탐색기를 사용한 이유는 일단 무게를 극단적으로 줄이기 위해서다. 레이더는 그 자체가 많은 전력을 필요로 하는데다가 고주파 전파를 만드는데 들어가는 시스템등이 제법 무겁다. 물론 대기권내에서 운용되는 미사일이라면 탐지거리 등을 다졌을 때 레이더 탐색기가 유리하지만 대기가 없는 외기권에서는 이야기가 달라진다. 적외선이 대기에 의해 산란되거나 하지도 않고, 잡음으로 작용하는 바다, 지표면, 구름 등에 반사된 햇빛 같은 불필요한 열원도 없기 때문. 덕분에 적외선 영상 탐색기임에도 그 탐지거리는 대략 20~30km에 달한다. 또한 적외선 영상 탐색기는 표적을 모양으로 구분하므로 그것이 표적부인 탄두인지, 아니면 적 탄도미사일에서 분리된 부스터 부분이나 아군을 속이기 위한 기만체(Dummy) 인지 구분하기가 더 쉽다. 또 대기의 산란등이 없다면 방향정확도 면에서 적외선 영상 탐색기가 레이더 탐색기보다 유리하다.

탐색기 센서자체는 탐색기 역할을 하는 통안에 중간에 매달려 있으며, 통 바닥쪽에는 주변 빛을 모아주는 거울이 있다. 즉 원리상으로는 반사망원경과 유사하다.[3] 탐색기 앞쪽은 원통형 햇빛가리개가 있다. 그리고 그 앞에는 아무것도 없다. 즉 일반 적외선 미사일이라면 당연히 있는 보호용 투명창이 없다. SM-3의 탐색기는 외기권에서만 사용되는 것이므로 공기저항 등으로 부터 탐색기를 보호할 필요가 없기 때문.[4]

3.3. DACS


DACS(Divert & Attitude Control System)은 우리말로 하자면 궤도 및 자세제어 장치다. SM-3의 직격비행체는 공기가 없는 외기권에서 운용되므로 카나드꼬리날개 같은 것으로는 방향이나 자세를 바꿀 수 없다. 그래서 우주선에서 주로 쓰는 DACS를 쓰는 것.

DACS는 일종의 자세, 궤도(경로)수정 전용 로켓이며 로켓 분사구가 뒤가 아니라 옆으로 나있다. 개념상으로는 건담의 어포지 모터와 흡사.[5]

로켓 노즐은 궤도수정용으로 직격비행체 무게중심 근처에 큰 것이 4개 붙어 있으며, 자세수정용으로 꼬리 부근에 6개가 붙어있다. 대기권 내에서는 꼬리쪽, 혹은 머리쪽의 측방향 로켓으로 로켓이나 미사일 자세를 바꾸면 공기의 힘에 의해 전체 궤도(경로)도 바뀌지만, SM-3의 직격비행체는 주변에 대기가 없으므로 자세수정용 로켓을 작동시켜봐야 허공에서 탄이 원래의 궤도를 따라가며 뱅뱅 돌 뿐, 궤도 자체는 변하지 않으므로 궤도수정용 로켓이 더 있는 것. 자세제어용 로켓이 6개인 이유는 상하좌우 움직임(Pitch, Yaw) 뿐만 아니라 팽이처럼 뱅글뱅글 도는 방향(Roll)도 제어해야 하기 때문이다.

비슷한 체계인 THAAD는 DACS로 액체로켓을 사용하지만, SM-3는 무게절감을 위하여 고체로켓을 사용하였다. 이 때문에 THAAD의 것은 LDACS(Liquid-DACS), SM-3의 것은 SDACS(Solid-DACS)라고 부르기도 한다.

그런데 DACS는 일반 로켓처럼 한 번 터트리는 것으로 끝나는 것이 아니라 각 방향의 추력을 끊임없이 제어해줘야 한다. 그런데 액체로켓은 액체인 연료나 산화제가 연소실로 들어가는 양을 밸브로 조절하여 비교적 간단하게 추력을 제어할 수 있지만, 고체로켓은 고체덩어리인 연료가 한 번 타들어가면 그 타들어가는 속도를 조절할 방법이 없기 때문에 추력제어가 어렵다.

굳이 추력을 제어하려면 로켓이 노즐로 빠저나가는 통로 중간에 일종의 마개를 달아서 이것을 여닫아 노즐로 분출되는 연소가스의 양을 조절해야 한다. 근데 연료가 타서 만들어진 이 연소가스라는 것이 속도도 엄청 빠를 뿐더러 온도가 2천도 급이다. 특히 DACS용 고체로켓은 이 마개가 삭마(갈려나감)되는 것을 막기위해 연소가스의 질량을 높여주는 알루미늄 분말 등의 금속연료를 쓸 수 없다보니 그 자체의 온도가 더욱 뜨겁다. 결과적으로 SM-3의 DACS용 연소가스는 온도가 2천5백도에 달한다.

당연히 일반 알루미늄이나 철강합금 따윈 녹아 없어져버리고, 텅스텐도 못 버틴다. 이정도 온도를 버틸 수 있는 금속재질은 텅스텐 아니면 레늄 정도 뿐. 그런데 텅스텐은 단순 베어링 정도면 모를까 복잡한 모양의 정밀성형이 어렵기 때문에 결국 SM-3는 레늄을 사용했다. 문제는 레늄이 희귀금속이라 상당히 고가라는 점. 그리고 텅스텐보다 쉽다 뿐이지 이쪽도 정밀 성형이 어렵긴 매한가지다.

게다가 레늄은 무겁기도 텅스텐 버금가게 무겁기 때문에 모든 DACS 관련 부품을 텅스텐으로 만드는 것은 불가능하므로, 기본적으로는 탄소복합제를 사용하되, 군데군데 특히 삭마가 잘되는 부분은 레늄으로 버티는 개념이다. [6]

초기형인 SM-3 블록1A의 DACS는 좌우/상하 로켓 노즐을 짝지어서 그 분기점에 일종의 '레늄 코팅이 된 공'을 집어 넣었다. 이 공주변에는 다른 작은 유로가 있으며, 그 유로중 어느 한쪽에서만 연소가스가 소량 흘러나오면 전체 압력의 변화로 공이 좌우 분기점중 한 군데를 막아 버리는 개념이다. 이렇게 공이 한쪽을 막으면 남은 쪽으로만 연소가스가 공급되어 좌우/상하 추력에 불균형이 생긴다. 만약 중립상태를 유지하려면 공이 가운데와서 양쪽 모두 추력을 만들게 된다. 양쪽 연소 가스를 모두 막아 버리면...? 공이 1개라 구조상 불가능하지만 그랬다간 연소가스가 빠져나갈 곳이 없어 연료통의 압력이 올라가 폭발한다...고체로켓은 액체로켓보다 가뜩이나 연료 효율도 안좋은데, 'Off' 개념이 없다보니 이런 제어용 로켓으로 쓰기엔 중립상태에서조차 버리는 연료가 꽤 많다. 즉 좌우, 상하 로켓 추력중 최대 추력을 1이라 생각했을때 0.5/0.5이거나 1/0이거나 0/1인 것만 가능하다.

대신 불필요한 연료소모를 좀 줄이고자 SM-3 블록 1A DACS의 고체추진제는 3단계로 되어있다. [7] 처음 추진제를 태우고, 일정 경로는 DACS 사용 없이 날아가다가 다시 2 번째것을 태우고, 또 막판에 직격 직전에 남은 것을 태우는 개념. 이렇게 하면 전체 작동가능 시간을 더 늘릴 수 있다.

이후 SM-3 블록 1B부터는 공 같은 간섭물을 사용하는 대신 로켓노즐 바로 근처에 일종의 마개인 핀틀(Pintle)을 다는 것으로 바뀌었다. 전기 작동기를 이용, 핀틀로 분사구를 막거나 열수 있다. 다만 노즐 근처는 연소가스의 속도가 매우 빠른 곳이어서 핀틀에 걸리는 힘도 큰데도 불구하고 아주 빠른 반응시간으로, 정확한 위치(단 1mm 차이로도 추력 크기가 확 바뀐다)를 잡아야 하므로 기술적으로 훨씬 어렵다. 기술적 난이도 + 비용측면 때문에 일본과 합작한 부분. 이를 기존 것과 구분하기 위해 추력조절이 가능하다 하여 Throttleable DACS, 즉 TDACS라 부른다.


4. 지상형


현 시점에서 가장 잘나가는 미사일 방어 계획으로 해상에 이어 지상형 SM-3 개발도 진행 중이다. 이 시스템은 Aegis Ashore라고 불리며, 2015년부터 2018년까지 폴란드와 루마니아에 이지스 레이더와 SM-3 발사대를 지상에 설치해 각각 북부유럽과 남부유럽을 보호할 계획이다. 여기에는 일본과 공동 개발한 SM-3 Block 2A가 사용될 예정이라 미국이 일본에게 무기 수출 3원칙을 완화하라고 종용하는 중(...) 또한 일본 역시 이지스함의 과부하를 줄이고 즉각 대응을 위해 도입을 검토하고 있다.#

5. 위성 격추

2008년 2월 21일, 미해군은 자국의 고장난 첩보위성 USA-193을 SM-3를 사용해 고도 247km에서 격추했다. 당시 위성은 정상 궤도를 이탈하여 36,667 km/h(마하 30)의 속도로 대기권에 재돌입하던 중이었다.

6. 형식

  • SM-3 Block 1A
    SM-3 미사일 초기형으로 현재 실전배치된 버전. 일본 해상자위대와 미해군이 운용하고 있다. BMD 3.6.1 혹은 4.0.1 소프트웨어를 기반으로 한다.

  • SM-3 Block 1B
    미해군만이 운용하는 버전. SM-3 Block 1A보다 좀 더 높은 고도까지 올라갈 수 있으며 탄두의 크기가 크기 때문에 파괴력이 높고 시커 컬러도 2색이라 명중률도 높다. BMD 4.0.2 혹은 5.0 소프트웨어를 기반으로 한다.

  • SM-3 Block 2A
    미국, 일본 공동개발 버전. 2015년에 시험발사 이후 2018년에 배치될 예정. 이 미사일은 지상형 이지스 시스템과도 연동된다. 이지스 베이스 라인 9과 BMD 5.0 ~ 5.1[8] 소프트웨어 혹은 그 이상을 기반으로 한다.

  • SM-3 Block 2B
    본격적으로 다탄두 ICBM에 대응할 수 있는 버전으로 2020년까지 배치될 계획.

SM-3 Block 1A, 1B는 미국이 직접 개발했으며 사정거리는 약 700km, 유효고도는 500km 정도로 SRBM 혹은 MRBM 정도만 요격할 수 있지만, Block 2A 부터는 사정거리와 유효고도가 각각 1200km/1500km로 늘어나고 키네틱 탄두 크기를 키워 IRBM 이하 탄도 미사일에 확실한 대응능력을 갖게되며, 제한적인 ICBM 요격능력도 확보하게 된다. Block 2A 개발에는 일본이 공동참여하게 되는데, 일본 측은 페어링과 탄두의 유도 제어 시스템, 2단/3단 로켓의 개발을 맡고 미국은 탄두와 적외선 센서, 1단 로켓, 고체 부스터를 맡는다. 가격 분담율은 2011년 투입 예산을 봤을 때 일본이 10억 달러, 미국이 11억 달러 정도로 거의 49:51 수준이다.

7. 한국 도입 떡밥

우리나라에 경우 세종대왕급에 SM-3를 탑재하기 위해서는 소프트웨어 개량이 필요하며 여기에는 척당 최소 5000만 달러가 투입된다.[9]

중국이나 러시아MD에 민감하게 반응하는 주변국가를 자극하지 않기 위해서, 또한 이것을 쓴다는 것은 미국 주도 MD에 참여한다는 의사를 밝히는거나 마찬가지인데,[10] 이것이 엄청난 예산이 요구되는 일이라 일부러 도입하지 않고 있다.[11].

2013년 10월 14일의 국정감사에서 국방부가 SM-3의 도입 여부에 대해 '검토'하고 있다는 언급을 했다. 패트리어트 미사일 중심의 하층 요격자산에 의존해온 것을 벗어나, 2회 이상의 요격이 가능한 다층 요격체계를 구축한다는 계획의 일환이라는 것이지만,[12] SM-3 사거리와 운용가능 고도 특성상 휴전선 이남의 한국 영토보다는 아태지역 내 미군 기지, 미국 본토를 겨냥하는 북한, 중국의 탄도미사일 요격에 더 효과적이라서 MD 편입 논란을 가중시킬 것이라는 지적이 제기되었다.[13]

논란이 가열되자 다음날인 10월 15일 국방부는 다층 요격능력의 확보를 추구하되, SM-3는 대상에서 제외할 것임을 명시적으로 밝혔다. 이에 따라 THAAD가 SM-3의 대안으로 떠오르기도 했다.[14] 이후에도 언론에서 THAAD가 미국이 실전배치하고 있는 주요 미사일요격 자산임을 지적하며 미국 MD 떡밥을 거론하자, 김관진 국방장관이 10월 16일 기자간담회를 통해 THAAD의 도입 가능성조차 공개 부인하였다. 이에 따라 한국의 독자적 미사일 방어체계(KAMD)는 기존의 패트리어트를 PAC-2에서 PAC-3로 개량하는 가운데, 중간단계 요격은 이지스함에서 발사되는 SM-6과 2020년 무렵으로 예상되는 국산 장거리 지대공미사일(L-SAM)이 담당하는 쪽으로 구축될 듯.

8. 같이보기

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  • [1] 후기형으로 갈수록 조종익이 아예 없어지는 것을 볼수 있는데 이는 날개가 공기저항을 만드는 요소중 하나이며. 대기권 중에서의 기동 능력에 상당한 영향을 미친다. 이 미사일은 대기권 기동능력이 필요 없으므로 날개를 다 없애고 있는것.
  • [2] 탐색기 센서 자체의 온도가 낮아야 주변 적외선에 더 민감하게 반응한다.
  • [3] SM-3 특유의 방식이라거나 한건 아니고 많은 적외선, 적외선 영상 방식 미사일이 사용하는 방식이다.
  • [4] THAAD는 SM-3보다는 최소운용고도가 낮기 때문에 탐색기 보호 유리창(정확히는 사파이어창)이 있다. 다만 탐색기 보호 유리창 앞족 공기마찰에 의한 열기 문제로 이쪽도 최소 운용가능 고도가 40km로 제한된다.
  • [5] 어포지 모터 해당 항목에 설명 되어있지만 사실 건담의 용어가 좀 잘못 되었다. 건담의 어포지 모터를 DACS로 부르는 것이 현실에 더 맞다.
  • [6] SM-3의 이 탄소복합제 부분은 주로 프랑스과 기술협력을 하였다. 프랑스는 아스터15의 측추력기 등을 만든 경험덕에 고온, 고삼가 환경에 잘견디는 탄화규소/탄소섬유 복합제 기술이 발달한 상태로, 지상용 기술실증용이긴 하지만 레늄 등의 금속을 사용하지 않고 오직 탄소섬유 재질로만 만든 DACS를 아스터 블록2용으로 개발하였다.
  • [7] 흔히 다중펄스 로켓이라 부르는 것과 같은 개념
  • [8] BMD 5.1은 2018년에 배치될 예정
  • [9] FY2010 이후에 건조된 알레이버크급 모두 BMD 4.0.1 혹은 4.0.2 설치를 위해서 추가로 수천만 달러를 투입해 개량하고 있다. SM-3 Block 1B나 2A를 운영할 수 있는 BMD 5.0의 경우 더 비싸다. 아타고급 참조.
  • [10] MD에 참여한다는 것은 한국군의 방공 능력이 한국 영토뿐만 아니라, 미국의 아태지역 내 군사기지, 혹은 미국 본토를 겨냥하는 잠재 적국의 탄도미사일까지 요격하는 데 사용됨을 뜻한다. 오늘날 미사일 요격능력은 미국뿐만 아니라 유럽, 심지어는 미국 MD에 반발하는 직접 당사국인 러시아, 중국조차도 개발하고 있을 정도로 세계 주요국가들의 공통적인 방위과제다.
  • [11] 그렇다고 탄도탄 요격에 대해 손을 놓고 있는가 하면 그건 또 아니다. 관련 체계의 자체개발을 위한 연구는 계속 하고 있는 중
  • [12] 그동안 해군의 이지스함 탑재형 해상 요격용 미사일은 SM-2의 후계형인 SM-6를 거의 유일한 후보로 상정해 왔다.
  • [13] SM-3는 대기권 내에서 운용이 불가능하다. 그렇기에 도리어 낮은 고도로 날아오는 전술급내지 단거리 탄도탄은 요격할 수 없다.
  • [14] THAAD의 사거리가 패트리어트보다 훨씬 긴 최대 200km급이어서 북한 미사일을 발사 직후(휴전선 이남으로 넘어오기 전인 고도 50~100km 상공에서) 요격이 가능하고, 요격 범위도 한반도 이내로 한정되어 MD 편입 논란을 일으키지 않으면서 다층 요격능력을 확보할 수 있다는 점을 반영한 것. THAAD는 2008년부터 미 육군에서 실전배치 중이며, 아랍에미리트 등에서도 도입을 희망하고 있다. 2013년 4월 북한이 한때 무수단 미사일 발사대를 동해로 이동시키자, 괌에 THAAD가 긴급 배치되기도 했다.
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