북한 핵·탄도미사일 방어체계 효용성 분석
(안 재정 / 강 문진 : 해군사관학교)
| 제1장 서 론
제2장 북한의 핵·탄도미사일 위협 분석
2.1. 북한 핵 위협 분석
2.2. 북한 탄도미사일 위협 분석
제3장 탄도미사일 방어체계 능력 분석
3.1. 현 한국군 방어체계 능력 식별
3.2. 미국의 MD(Missile Defense)체계
제4장 북한 핵·탄도미사일의 효과적 대응을 위한 방어체계 효용성 분석
4.1. 대응가능시간
4.2. 비행궤적에 따른 요격고도
4.3. 각 궤적의 탄도미사일 속도
4.4. Single-Shot Kill Probability
4.5. 북한 핵·탄도미사일 기폭고도
제5장 결 론
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제1장 서 론
2015년 10월 10일 북한은 노동당 창건 70주년을 맞아 김정은이 참석한 가운데 열병식을 개최했다. 42)
이날 김정은은 “미국이 거는 어떤 형태의 전쟁도 이겨낼 수 있으며 막아낼 수 있음을 당당히 선언한다”라고 말했다. 북한은 열병식에서 사거리 10,000km의 대륙간탄도미사일(ICBM : Intercontinental Ballistic Missile) KN-08과 중거리 탄도미사일 무수단, 잠수함발사탄도미사일(SLBM : Submarine Launched Ballistic Missile), KN-02 단거리 미사일을 공개했다. 김정일의 호언장담이 허구가 아니라는 것을 탄도미사일에 핵을 탑재할 수 있게 KN-08의 탄두를 개조한 것을 통해 볼 수 있었다.
30년 이상의 탄도미사일 개발 경험을 갖고 있는 북한은 현재 KN-02, Scud-B/C/D, 노동, 무수단 및 대포동 등 다양한 사정거리의 미사일을 1,000여기 이상 보유하고 있다. 북한은 최초의 고체연료 로켓인 KN-02를 최근에 사정거리 170km까지 연장한 것으로 알려져 있으며, 남한 전역과 일본 일부 지역까지 사정권에 두는 Scud 미사일을 600여기 가량 보유하고 있다. 특히 다단 로켓 개발 등 미사일의 장사정화에 노력한 결과 한반도와 일본의 거의 모든 지역을 공격할 수 있는 1,000-1,300km의 노동 미사일과 미국의 괌까지 사정권에 넣을 수 있는 3,000-4,000km의 무수단 미사일을 개발하는데 성공하였고, 미국 본토 서부를 타격할 수 있는 8,000km 이상의 KN-08 미사일의 실전배치도 임박한 것으로 추정된다. 43)
더욱이 2012년 12월 12일에는 대포동 3호 위성체의 궤도진입에 성공하였는데, 핵무기 경량화 및 재진입체를 포함하는 일부 기술적 문제와 신뢰성만 보완한다면 가까운 장래에 10,000km급 ICBM 개발에 성공할 것으로 판단된다. 장사정화 뿐만 아니라 기존의 관성항법 장치와 함께 운용할 수 있는 광학장치가 추가로 장착되어 종말단계에서의 유도조종성능이 크게 향상되었다. 국방부는 킬 체인(Kill Chain)과 한국형 미사일 방어체계(KAMD : Korean Air Missile Defense) 개념을 적용해 북한의 미사일 위협에 대한 능동적인 억제를 구상하고 있다. 그러나 선제타격으로 미사일 발사수단을 모두 무력화시키는 것이 불가능하고, 기 계획된 KAMD만으로는 북한 미사일 위협에 효과적인 대응이 사실상 제한된다.44)
이러한 관점에서 본 논문은 북한의 핵·탄도미사일에 대한 효과적인 대응을 위해 우리 군이 보유하고 있는 요격체계의 효용성을 체계적으로 분석하였다. 이를 기반으로 부족한 효용성을 보완하여 국방력을 강화시킬 수 있는 방안에 대해서 연구하였다.
북한의 탄도미사일 위협과 핵시험이 지난 20년간 지속되면서 이에 따른 국내·외 연구도 활발히 진행되어왔다. 국민적인 관심도 증대되어 2014년 3월 국회에서 『북핵미사일 방어전략 연구』라는 주제로 세미나가 개최되기도 하였다. 하지만 북한의 핵·탄도미사일에 대한 방어체계의 효용성 분석에 관한 연구는 미비하였다. 이러한 관점에서 본 연구는 우선적으로 북한의 핵·탄도미사일 위협을 실증적으로 분석하였다. 두 번째로 현 한국군의 방어체계 능력과 미국의 MD(Missile Defense)체계 분석을 통해 우리 군이 갖추어야 할 미래의 요구능력을 제시한다. 마지막으로 북한 핵·탄도미사일에 효과적 대응을 위한 방어체계의 효용성을 분석해 위협적인 북한 핵·탄도미사일을 효과적으로 대응할 방어체계가 무엇인지에 대한 정책적 대안을 제시한다.
제2장 북한의 핵·탄도미사일 위협 분석
본 장에서는 북한의 핵·탄도미사일 위협을 비교 및 분석하여 북한의 핵·탄도미사일을 반드시 요격해야 하는 이유에 대해서 도출한다.
2.1. 북한 핵 위협 분석
인류는 1945년 7월 16일 미국 뉴 멕시코주의 알라마고도에서 첫 번째 핵 실험을 시행했다.45)
이때 실험에 참가하였던 과학자 ‘로버트 하이먼’은 “이제 나는 죽음의 신이 되어, 세계를 파멸시키게 되었습니다” 라고 말했다. 최고의 과학자들이 모여서 만든 핵무기의 등장으로 인해서 세계의 역사가 바뀌었고, 그 전까지 있었던 군사 전략은 모두 수정이 필요하게 되었다. 핵무기로 인해서 모든 전장 환경, 무기체계, 군사전략이 바뀌게 된 것이다.
북한은 ‘경제 건설과 핵무력 건설 병진 노선’ 정책을 추진 중이다.46)
이는 국가를 경제적으로 발전시키면서 핵무기는 포기하지 않고 북한의 국력의 중심으로 만들 것이라는 것이다. 즉, 핵무기를 이용해서 경제적인 이득을 취하겠다는 것이다. 북한은 김정일 정권 때부터 지금까지 핵무기를 발전시켜왔다. 현재에 언론에 들어나는 것처럼 지난 20년간의 연구 성과들이 가시화되고 있는 상황이다. 김정은 정권은 핵무기를 통해 국내적으로는 체제의 불안을 안정화시키고, 내적 결속을 다지며 국외적으로는 핵무기가 외적 위협으로부터 방어 및 공격을 하기에 가장 효과적인 무기체계로 인식하고 있다. 따라서 김정은 정권은 앞으로도 핵무기를 포기하지 않고 계속 개선·발전해 나갈 것이라 예상된다.
군 당국은 북한의 플루토늄 보유량을 약 64㎏으로 추정하고 있다. 이중 25.5kg은 핵시험에 사용되었고, 나머지 38.5kg이 남아있다. 또한 미 과학국제안보연구소(ISIS: Institute for Science and International Security)가 10월 7일 북한의 플루토늄과 우라늄 재고량을 추정한 보고서를 발표했다. ISIS에서 발표된 보고서에도 북한은 재처리 과정을 통해 얻어진 플루토늄양이 약 30kg으로 추정하고 있다.47)
약 2.5-3.5kg의 플루토늄으로 핵무기 1기를 생산 가능하다.48) 따라서 북한은 플루토늄 핵무기를 10-15기 정도 보유하고 있을 것으로 판단된다.
우리나라의 원자력 발전소에서 우라늄 농축정도는 20%이다. 하지만 우라늄을 80%까지 고농축하게 되면 핵무기가 된다. 따라서 IAEA(International Atomic Energy Agency)에서는 고농축 우라늄 생산을 금지하고 있다. 하지만 ISIS에서 발표한 보고서에 따르면 북한은 100kg의 고농축 우라늄을 보유하고 있고 제2의 원심분리기까지 가동했다면 최대 240kg의 고농축 우라늄을 보유할 수 있다고 보고했다. 약 15-20kg의 고농축 우라늄으로 핵무기 1기를 생산 가능하므로 북한은 고농축 우라늄 핵무기를 3-15기 정도를 보유하고 있을 것으로 판단된다. 또한 북한은 영변 우라늄농축 시설을 이용해 연간 고농축 우라늄 40kg를 생산할 수 있다.49)
이는 연간 2-3기의 고농축 우라늄 핵무기를 생산할 수 있다는 것을 말해준다.
이제 북한은 핵무기의 파괴력을 향상시키기 위한 실험·개발을 할 것이라고 예상되지 않는다. 파괴력 보다는 북한은 핵무기의 소형화·경량화를 추진할 것으로 판단되고 이에 관한 많은 언론 발표들이 있다. 50)
여러 언론사에서는 북한의 핵 소형화에 대해서 개발상황이 많이 진행된 상태를 인정하고 있다. 핵 소형화는 핵무기 개발의 마지막 단계로서 북한은 정책적으로 추구하던 핵탄도미사일을 보유하기까지 초읽기에 들어갔다.
핵무기가 상당한 파괴력을 갖는다는 것은 자명한 사실로 받아들여진다. 하지만 구체적으로 핵무기의 파괴력이 어느 정도인지 알지 못하기 때문에 본 절에서는 이에 대해서 연구했다. 히로시마와 나가사키에 떨어진 핵폭탄으로 인해 중형급 도시 전체가 초토화 되었다. 히로시마와 나가사키에 떨어진 핵폭탄은 인류가 처음 개발한 것으로 현재 기준으로 보면 굉장히 구식으로 평가 할 수 있다. 핵폭탄 이전 가장 폭발력 있는 폭탄은 미국의 전함 뉴저지호의 16인치 주포에서 발사하는 포탄이었고, 그 파괴력은 약 1톤 정도였다. 51)52)
1톤이란 TNT 폭탄 1톤의 파괴력을 의미한다.
1톤의 TNT 파괴력은 콘크리트 3-4층 건물을 완전히 파괴시킬 수 있는 위력이다. 현재 미국이 보유하고 있는 가장 약한 파괴력을 갖는 핵무기는 8인치 곡사포로 발사하는 원자포인데, 파괴력이 1,000톤이다. 현재는 평균적인 핵폭탄의 파괴력은 100만 톤이고, 구 소련이 제작했던 60메가톤짜리 핵폭탄도 존재하였다. 히로시마에 떨어진 'little boy'는 12,000-15,000톤의 파괴력을 가지고 있다. 따라서 현대에 가지고 있는 핵무기는 히로시마에 떨어진 원자폭탄과는 비교할 수 없을 정도로 파괴력이 크다. 우리에게 중요한 것은 북한의 2차 핵시험이 히로시마에 떨어진 원자폭탄의 파괴력과 비슷하다는 것이다. 북한은 3차 핵시험까지 강행을 했고, 3차 핵 실험은 히로시마에 떨어진 원자폭탄보다 더 위력이 크다.53)
앞으로 북한은 4차 핵 실험을 통해 핵무기 소형화를 실험할 것으로 예상되고 이를 핵무기 개발의 종점이라고 예상할 수 있다. 북한이 핵 소형화에 성공하게 되면 우리나라에게는 큰 위협이다. 북한이 언제든지 탄도미사일에 소형화된 핵무기를 탑재해서 발사할 수 있게 된다면 우리나라 국민들은 항상 북한의 핵무기에 대해서 불안해 할 것이고, 이는 국력과 국가 안보에 크나큰 타격일 수밖에 없다.
2.2. 북한 탄도미사일 위협 분석
우리나라의 안보에 위협이 되는 요소 중 점점 그 비중이 커지는 것이 탄도미사일이다. 북한은 탄도미사일이 비대칭전력임을 인식하고 1970년대부터 중점적으로 자신들의 중점 국방력으로 키워나가고 있었으며 이런 연구들로 인해 2000년대에 들어서서 탄도미사일의 기술수준이 세계 수준에 도달하였다. 예를 들어 북한은 2015년 5월 8일 SLBM 북극성 1호 시험을 성공적으로 마쳤다. SLBM은 잠수함에서 발사하는 탄도미사일로 지상에서 발사하는 탄도미사일보다 기술적인 구현이 어렵다. 현재까지 SLBM 보유국은 미국, 중국, 러시아, 영국, 프랑스, 인도 등 6개국 이였으나 북한도 이 대열에 합류하였다. 특히, 북극성 1호는 SLBM 기술 중 상위 기술이라고 할 수 있는 콜드런칭(cold launching) 54) 방식을 채택하였다. 종합적으로 판단하면 북한의 탄도미사일 기술은 세계적 수준이라고 할 수 있다. 또한 북한은 2012년 12월 12일 오전 평안북도 철산군 동창리에서 은하 3호가 발사하였다. 은하 3호는 1단, 2단, 3단 단 분리를 해서 인공위성 광명성 3호를 궤도에 안착시켰다. 이는 인공위성이 정상 궤도에 들어갔다는 것이 중요한 것이 아니라 북한이 대륙간 탄도미사일 기술을 가지고 있다는 것을 암시하는 것이다. 은하 3호에 부착하였던 인공위성 광명성 3호를 대신 탄두에 핵을 부착하면 대륙 간 핵·탄도미사일로 쓰일 수 있다. 이로써 북한은 핵의 트라이앵글이라고 불리는 전략 폭격기, 대륙간 탄도미사일, 잠수함 발사 탄도미사일 중 3가지 모두를 보유한 국가가 되었다. 55)
2.2.1. 다수의 탄도미사일 보유
북한은 약 40년 동안 탄도미사일을 연구·개발해왔고 오랜 기간 동안 연구/개발하면서 생산했던 많은 탄도미사일이 비축되어있다. 그리고 북한은 제3세계 국가들에게 탄도미사일을 판매를 하고 있기 때문에 양산체계를 갖고 있어서 언제든지 탄도미사일을 즉각적으로 생산할 수 있는 능력을 갖추고 있다. 예를 들면 북한은 한 달에 7-9기의 Scud 탄도미사일을 생산할 수 있고, 1-3기의 노동미사일을 생산할 수 있다. 현재 북한은 남한 전역을 사정권으로 둔 Scud 미사일 600여 기와 일본을 사정권으로 둔 노동미사일 200여기를 포함해 총 800여기 이상의 탄도미사일을 보유한 것으로 알려졌다. 김두환 외 1명, "북한의 탄도미사일 문제와 새로운 방위체제 구축", 『공군법률논집』, 2013, p.137.
북한의 탄도미사일을 살펴보면 Scud-B/C/D/ER, 노동, 무수단, 대포동급 등 여러 가지가 존재한다. 이들의 제원은 <표1>과 같다.
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*출처 :ㅇ 2.2.2. 탄도미사일 사거리 조절 방법에 따른 위협특성
탄도미사일의 가장 큰 위협은 요격이 힘들다는 점이다. 탄도미사일의 비행궤적을 57) 분석해보면 탄도 미사일은 대부분 대기권 밖에서 비행을 한다. 그리고 종말 단계에서 탄두의 마찰과 압력 차이에 의해서 나선형운동을 하면서 떨어진다. 매우 빠른 속도로 떨어지고, 직선이 아닌 나선형으로 떨어지기 때문에 요격체계가 제대로 작동해서 요격하기가 힘들다.
탄도미사일은 부스트 단계에서 가속되어 중간단계 이후부터는 자유비행을 한다. 따라서 탄도미사일의 궤적은 연소종료시점의 자세각 조절(loft angle), 비추력 조절(specific impulse), 탑재중량(payload)조절, 연료차단시점 조절(cutting off), 연료량 조절 등에 의해서 결정된다. 학술지나 일반적인 논문에 인용되는 탄도미사일의 사거리, 고도 및 제원들은 모두 최소에너지 방식(minimum energy)으로 제시된 것이다.58)
오버 로프티드(Over lofted) 방식은 탄도미사일의 발사 각도를 최소에너지방식보다 높게 하여 사거리를 조절하는 방식으로 사거리가 감소할수록 고도가 증가하게 된다. 반면, 디프레스드(depressed)는 탄도미사일의 발사 각도를 최소에너지보다 낮게 하여 사거리를 조절하는 방식으로 사거리가 감소할수록 고도가 감소하게 된다. 디프레스(depressed)방식은 고도가 낮아지고 사거리가 짧아진다.59) 지금까지
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<그림1> 탄도미사일의 사거리 조절방식에 따른 비행궤적
우리군은 Scud-B와 Scud-C가 우리에게 위협이 되는 탄도미사일이라고 생각해 왔다. 사거리가 300km, 500km인 Scud-B/C가 우리나라에 위협이 되는 것 사실이다. 하지만 디프레스 방식이나 로프트 방식으로도 얼마든지 우리나라를 타격할 수 있다. 특히 Scud-B/C는 탄두에 핵을 탑재할 수 없으나 노동미사일이나 대포동 미사일 등은 핵탄두가 탑재 가능한 탄도미사일들이다.
최근에 북한은 미사일 고도를 높이고 비거리를 줄이는 실험을 하였다. 박수찬, "北, 미사일 고도 높이고 비거리 줄이는 실험" , 조선일보, 2014.11. 4.
이는 군사전문가들에게 많은 화젯거리였다. 왜냐하면 북한이 이전까지는 최소에너지 방식으로만 탄도미사일 시험 발사를 해왔기 때문이다. 북한의 연구들은 이전까지 최대 사거리만에 치중하였다. 하지만 SRBM부터 ICBM까지 모두를 보유한 북한이 앞으로도 최대 사거리에 대한 연구만을 하지 않을 것이다. 북한은 사거리 증가에 대한 연구가 아닌 탄도미사일의 고도를 높이는 연구를 할 것이라고 예상된다. 고도를 높인 북한의 탄도미사일은 저고도 탄도미사일 방어체계만 보유하고 있는 우리 군에게 매우 큰 위협이다.
2.2.3. 탄도미사일의 RCS에 따른 위협특성
탄도미사일이 위협적인 이유는 RCS(Radar Cross Section)가 작다는 것이다. RCS란, 레이더 반사 단면적이라 한다. 레이더는 주파수를 갖는 전파를 송신하는데 이 송신된 전파가 물체에 맞고 반사되어 나간다. 물체에 반사되어 돌아온 전파를 레이더가 분석함으로써 물체는 탐지 된다. 하지만 이때 물체마다 반사되는 정도가 다르고 반사되는 각도가 다르기 때문에 크기가 같다고 하더라도 물체를 구성하는 성분이나 물체의 모양이 다르다면 수신되는 전파의 세기가 달라진다. 표적은 항공기, 미사일, 위성, 군함, 탱크, 차량, 사람, 산, 빙하, 구름, 바람, 빗방울 등이 될 수 있는데, 서로 다른 표적은 서로 다른 레이더 단면적을 가진다. Kai Chang, 홍익표 옮김, 『RF 및 초고주파 공학』, 한빛 아카데미, 2014, p.228.
예를 들어 크기와 형태가 같지만, 한 함정은 스텔스 기능이 있고 다른 함정은 스텔스 기능이 없는 두 함정이 있다고 가정하자. 스텔스 기능이 없는 함정은 스텔스 기능이 있는 함정보다 레이더로부터 오는 전파를 더 잘 반사시켜 함정이 더 잘 피탐 되고 레이더 계기판에 더욱더 크게 나타난다. 그리고 RCS가 작고 레이더로부터 멀리 있으면 탐지될 확률이 매우 적고 RCS가 크고 레이더로부터 가까이 있으면 탐지될 확률이 매우 크다. 이런 개념들을 탄도미사일에 대입해보면 탄도미사일은 실제로 비행하면서 크기가 줄어드는 무기체계이다. 즉, 부스트단계에서 RCS가 가장 크고 추진체가 떨어지면서 계속해서 크기가 줄어들어 RCS가 줄어든다. 따라서 RCS가 줄어들기 때문에 탐지 가능한 거리도 점점 줄어든다. 탄도미사일의 RCS에 관한 논문들을 참조하면 탄도미사일은 부스트단계에서 RCS 가 10-1이고 830km정도의 원거리에서 탐지가능하며, 중간단계에서는 RCS가 1-0.1이 되며 470km까지 탐지할 수 있다. 마지막으로 종말단계에서는 RCS가 0.1-0.001이 되며 탄도미사일의 최대 탐지 가능거리는 약 150km-260km로 대폭 줄어든다. 이경행 외 2명, "이지스 BMD를 위한 탄도미사일 RCS 특성분석에 관한 연구", 『국방기술 학술대회』구두발표자료.
2.2.4. 탄도미사일의 속도에 따른 위협특성
탄도미사일이 위협적인 이유는 속도가 매우 빠르다는 것이다. 탄도미사일의 속도는 마하 7-8 정도로 측정된다. 대륙간 탄도미사일의 탄두는 종말단계에서 마하 20의 속도를 낸다. 김중호, "탄도미사일의 기술과 성능 분석", 국방과학기술정보 제51호, 2015, pp.15-25.
이처럼 속도가 빠르면 빠를수록 요격 체계의 레이더에 포착되는 시간이 줄어들고 요격체계가 대응할 수 있는 시간이 줄어들게 된다. 따라서 조기요격(early intercept)이 필요하며, 미국의 MD가 다층방어체계 요격체계를 갖는 이유 또한 이러한 맥락이다.
2.2.5. WMD 탑재수단으로서의 탄도미사일 기술발전
북한은 많은 양의 대량살상무기들을 보유하고 있으며 이는 한반도를 위협하는 가장 큰 요인 중 하나이다. 북한은 5,000톤에 달하는 화학무기를 보유하고 있으며 12,000톤까지 전시에 생산할 수 있는 능력을 갖추었다. 특히 북한이 보유하고 있는 화학무기인 TIC(Toxic Industrial Chemical)는 일반 군용 화생방 장비로 탐지가 불가능하고, 일반 방독면으로는 방어가 불가능하다. 또한 화학무기는 다수의 인명을 무분별 하게 살상할 수 있다. 예를 들어 사린가스 1톤을 7.8지역에 방사하면 23만 명의 사상자가 발생한다.
북한은 1954년부터 자강도 장계에서 미생물 연구소를 운영해 왔다. 그 이후 베트남 전을 지켜본 북한은 생물학무기의 위력을 느끼고 본격적인 연구를 1970년대 초엽부터 시작했다. 김일성은 1980년 11월에 열린 당 중앙군사위원회에서 “독가스와 세균무기를 많이 생산하여 조국통일이라는 역사적 사명에 효과적으로 사용하라”고 지시했을 정도로 생물학 무기에 관심을 갖고 있었다. 많은 북한 관련 학자들은 북한이 생물학적 무기를 다수를 보유하고 있다고 인정하고 있다. 생물학적 무기가 위협적인 이유는 굉장히 소수의 양으로도 많은 인명을 살상할 수 있기 때문이다. 예를 들어 천연두나 탄저균 같은 경우 100kg을 공기 중에 살포하면 최대 300만명을 살상할 수 있다. 이윤걸, "북한 생화학무기의 위험성", 『북한』 통권504호, 북한연구소, 2013, pp.73-83.
이 위협적인 생화학무기는 탄도미사일 탄두에 탑재하여 발사할 수 있다. 특히, 우리나라를 겨냥하여 제작한 Scud-C 미사일 탄두는 생화학무기를 탑재할 수 있게 설계 되었다. Scud-C 미사일의 탄두 중략이 750kg인 것을 고려하면 최대 2,250만 명을 살상할 수 있는 생물학 무기를 탑재할 수 있다. 이 Scud-C 미사일 하나만 서울에 떨어져도 서울 인구가 모두 살상된다고 볼 수 있다. Scud-C급 이상의 탄도미사일(노동, 무수단, 대포동 등)은 모두 생화학 무기들을 탑재할 수 있다. 따라서 북한은 자신이 원하는 지역의 인명을 살상할 수 있는 수단으로 탄도미사일을 이용할 것으로 전망된다.
한반도는 국토의 면적이 좁아서, 북한이 발사한 미사일이 한국의 최남단 지역인 제주도에 도달하는 시간은 3-4분이면 족하다. 대한민국 국력의 거의 절반이 집중되어 있는 서울, 경기지역에 북한 미사일이 도달하는데 필요한 시간은 불과 1분미만이다. 북한의 미사일이 미국 본토에 도달하려면 약 30분 정도 비행해야 한다. 미국은 30분 동안 요격 미사일을 몇 차례 발사할 수 있을 것이다. 그러나 대한민국은 그러한 여유가 전혀 없다. 서울을 비롯한 경기도 일대에 핵이 탑재된 탄도미사일 투하 된다면 그것은 대한민국의 멸망을 의미할 것이고 현재 북한은 한국을 공격할 능력을 보유하기 직전 상황에 도달해 있다.
제3장 탄도미사일 방어체계 능력 분석
현재 구축중인 우리 군의 “한국형미사일방어체계(KAMD)"능력을 분석하고 미국의 "Missile Defense체계”와의 비교 분석을 통해 미사일 방어 전략에 관하여 일본의 탄도미사일 방어 전략과 이스라엘의 탄도미사일 방어 전략에 관하여서도 조사하였으나 일본은 해상기반 방어에 크게 치중되어있고 이스라엘은 작은 크기의 국가에 맞추어 미사일요격시스템이 구축되어있어 가장 요격체계도 비슷하고 요격분야에 있어서는 가장 선진화된 미국과 비교하였다.
앞으로 우리가 구축해야할 KAMD와 Kill Chain의 요구능력을 도출한다.
3.1. 현 한국군 방어체계 능력 식별
한국군은 2008년에 들어서 처음으로 “KAMD”라는 용어가 정립하였으며 2010년에 독일로부터 중고 PAC-2 GEM+를 실전배치하였다. 2012년에는 그린파인레이더(greenpine)를 이스라엘로부터 도입하여 지상배치탐지체계(GBR: Ground Based Rader)를 갖추었다. 또한 2015년에 한국형 요격미사일인 철매-2(M-SAM medium-range surface-to-air missile.
)를 실전 배치시켰다. 차후 한국군은 2023년까지 KAMD와 Kill Chain 구축을 위해 군사정찰위성 5기, 고고도 무인정찰기(UAV: Unmanned Aerial Vehicle) 글로벌 호크 4대 도입 등의 탐지체계와 PAC-3 요격체계 구축, M-SAM 성능개량 및 중고도종말단계요격체계(L-SAM) 등의 하층방어체계를 구축할 예정이다. 조영빈, “軍, 킬체인 핵심 800km 탄도미사일 수백기 배치 계획 재확인”, 네이버뉴스, 2015. 10. 1.
3.1.1. PAC-2 GEM+
PAC-2 GEM+(Guided Enhanced Missile)는 현재까지 대한민국 상공을 탄도미사일로부터 지키는 유일한 요격체계라고 할 수 있다. 철매-Ⅱ는 이제 실전 배치되기 시작하였고 L-SAM은 아직 개발 중이다.
PAC-2 GEM+는 Patriot-3/Configuration-2이라고도 하며 초기의 PAC-2가 항공기 요격만을 담당했던 것과 다르게 전술 탄도탄까지 요격이 가능한 개량형이다. 안승범 외 1명 “2014-2015 ROK Military Weapon Systems", (서울,Defense Time: 2015), p.318.
또한 GEM+로 개량된 미사일을 사용하여 탄도미사일 요격확률을 높였다. 하지만 미국의 걸프전 후 패트리엇 미사일에 관한 검토 내용을 보면 Scud 미사일을 40%정도 공중에서 맞추었지만 이후 Scud의 탄두가 완전히 파괴되지 않아 땅에 떨어져 폭발하였다고 발표하였으며 추후 PAC-3로 업그레이드를 하여야한다고 판단하였다. "Postol/Lewis Review of Army's Study on Patriot Dffectiveness", 1992.09.08., Committe on Government Relations House of Representatives Washington. D.C. 2015.
이렇듯 GEM+탄은 PAC-3와는 다르게 hit to kill 방식이 아닌 근접신관 방식으로 작동되어진다. 이런 폭발탄두는 미사일의 요격은 가능하지만 적 미사일의 잔재가 그대로 낙하할 수 있다는 것과 핵탄도탄을 완전히 요격시키지 못한다는 한계 이라크전시 PAC-2가 스커드 단거리 탄도미사일의 요격에 투입되었으나 폭팔탄두가 탄두를 완전히 파괴하는데 실패하여 미완파탄두에 의한 피해가 잦았다.
가 있으며 15km의 저고도에서 요격하는 만큼 이런 한계의 개선이 시급한 상황이다.
PAC-2의 구성은 중대단위의 포대로써, 교전통제소, 다기능레이더, 4기의 미사일을 갖춘 6개의 미사일 발사대로 24발의 미사일로 구성된다. 안승범 외 1명, “2014-2015 ROK Military Weapon Systems", (서울,Defense Time: 2015), p.318.
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<그림2> PAC-2
3.1.2. 철매-Ⅱ(M-SAM)
공군의 방공체계인 호크미사일이 노후 됨에 따라 이를 대체하기위해 개발을 시작했다. 호크미사일이 항공기 요격만 가능했던 반면에 M-SAM은 탄도탄요격이 가능한 중거리 대공미사일 체계이다. 한국군이 요구하는 성능과 러시아 알마즈(Alamz)社의 S-400 시스템의 성능이 대부분 일치했기에 S-400을 기반으로 만들어졌다. Jane’s Strategic Weapon Systems, Land Warfare Platforms: Artillery & Air Defence
Iron HawkⅡ.
미사일 유형은 중거리‧중고도 지대공 미사일이며 무게 400kg, 길이 4.61m, 직경 0.275m, 대응시간 8-10초, 사거리 40km, 고도 15km-18km의 성능을 가지고 있다. 상게서.
M-SAM은 1개의 시스템에 4대의 발사차량과 각 차량마다 8발의 미사일을 장착해 32발로 구성되어진다. 안승범 외 1명 “2014-2015 ROK Military Weapon Systems", (서울, Defense Time: 2015), p.317.
기존의 패트리어트와 같이 중요한 시설 및 지역의 방공을 담당하는 저고도하층방어체계의 역할을 한다. 하지만 노동미사일과 같은 1,000km 사거리의 미사일로 실험해 본 결과 하층저고도요격체계로는 대응유효시간이 1-3초로 짧기 때문에 한계를 가지고 있다. 김지원 외 1명 “비행경로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석” (한국군사과학기술학회지: 2015. 4), p.178.
3.1.3. L-SAM
L-SAM으 현재 구축중인 KAMD는 사거리 500km 미만의 단거리 탄도미사일만 방가 가능할 것으로 판단되어 사거리 1,000km 준중거리 탄도미사일의 제한적 요격은 위해 개발 중인 방어체계이다. 최대 70km의 고도에서 요격이 가능하도록 구축중이다. 하지만 L-SAM에 장착할 레이더는 S밴드로 종말단계시 탄도탄의 RCS가 매우 작아지는 종말단계에서는 탄도미사일의 RCS가 0.1-0.001까지 작아진다.
특성은 감안할 때 제한적인 능력은 제공할 것으로 판단된다. 따라서 실전배치 후에도 중간단계요격체계의 추가도입이 필요한 것은 아닌가라는 비판이 나타나고 있다. “이것저것 다 하는 L-SAM, '사드' 도입 의혹?”, 국제일보, 2015. 9. 11.
또한 하층고고도요격체에서 핵심적인 자세제어장치(DACS: Divert and Attitude Control System)의 기술이전이 난관에 빠져있어 전력공백을 최소화 할 수 있는 전력화시기를 맞출 수 잇을 지는 미지수이다.
3.2. 미국의 MD(Missile Defense)체계
미국의 미사일 방어체계로 2001년 부시 행정부때 자국의 영토에 미사일이 도달하기 전에 요격미사일을 발사해 파괴하는 구상으로, 러시아와 중국의 ICBM과 불량국가들의 중‧단거리 탄도미사일을 포함한 계획이다. 정영태 외6명, “북한의 핵전략과 한국의 대응전략”, (통일연구원: 2014), p.141.
이러한 미국의 MD체계는 한국의 KAMD가 선택한 구역방어와는 다르게 전역방어를 목표로 설계되었다. 발사 초기인 부스트단계 대기권 밖인 중간단계 다시 대기권에 재진입한 종말단계 각각의 단계마다 요격이 가능한 수단을 구축하고 있으며 현재 종말단계요격체계만 구축한 KAMD와 다르게 여러 번의 요격기회가 주어진다. 이 MD를 분석함으로서 현 KAMD에 필요한 요구사항에 대해 도출해 보겠다.
3.2.1. boost phase
부스트 단계는 미사일이 발사되는 시점부터 추진체의 연소가 종료되는 시점까지의 단계이다. 이 단계 동안에 탄도미사일은 대기에 의한 저항을 받게 되므로 저항의 영향에서 최대한 빨리 이탈하기 위해서 일정 기간 수직으로 비행하게 된다. 또한 탄두 이외의 연료탱크 및 추진체도 분리되지 않아 표적
크기가 크며 배기가스 열로 인하여 표적을 정밀타격하기 쉽고 미사일 탑재체
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<그림3> 미국의 MD
출처: http://www.css.ethz.ch/policy_consultancy/products_INT/graphics/proliferation(검색일: 2015. 10. 11)
및 파편이 적 국가 내에 낙하하는 특성을 가진다. 다만 발사초기에 신속히
<그림3> 미국의 MD
탐지가능한 조기경보체계가 충분히 구축 미국의 부스트단계 조기경보체계는 SBIRS(Space Based Infrared System)이며 DSP(Orbiting Defense Support Program)위성, STSS(Space Tracking and Surveillance System)위성으로 구성되어 있다.
되어야 하고 미사일요격체계가 발사시점에서 가까이 있어야한다. 미국의 MD체계에서는 이런 한계를 극복하기 위해서 위성 또는 항공기에서 레이저 무기를 사용하는 방법을 추진 중이나 기술부족으로 실용화 단계는 아니다.
3.2.2. mid-course phase
미국 MD체계 중 중간단계는 대륙간탄도미사일의 요격을 중점으로 하며 요격수단은 미해군 이지스함의 SM-3와 알레스카에 위치한 GBI(Ground based interceptor)이다. 미국 본토에 영향이 가지 않게 요격이 가능한 미국 MD체계의 핵심이라 할 수 있다. 또한 최근 대륙간탄도미사일이 다탄두를 가진 MIRV(Multiple Independently Targetable Re-entry Vehicle)형태임을 감안하여 다중요격체(MKV: Multiple Kill Vehicle)를 개발하는 방향으로 진행 중 이다.
1) SM-3
SM-3 요격미사일의 특성은 발사된 후 부스터에 의해 초기속도를 얻고, 2단 로켓 모터에 의해 대기권을 통과할 때까지 가속된다. 미사일은 중간단계에 도달할 때까지 레이더에 의해 추격정보를 제공받으며, 2단 로켓 연료가 소진된 후 3단 로켓이 점화된다. 이때 SM-3 BlockⅡA의 속력은 마하 13.2 Mile Gruss,"Sm-3 BlockⅡA Passes Critical Design Review,Set for Flight Testing
in 2015,"SpaceNews,October 31, 2013.
에 달한다. 3단 로켓 이후 최종단계에서 탄두는 목표물을 확인한 후 목표물 중에서 취약한 부문을 식별하고 자세제어장치를 사용하여 방향전환을 하여 요격을 수행한다. Jane’s Strategic Weapon Systems, Standard SM-3 RIM-174.
SM-3는 고도 100km이상에서 요격하는 고고도 상층요격체이다. 따라서 대부분의 시간을 대기권에서 비행하는 단거리 탄도미사일의 경우에는 요격이 힘들다. SM-3 BlockⅡA 기준으로 IRBM Intermediate Range Ballastic Missile.
이하의 미사일에서는 확실한 대응능력을 갖추었고 제한적인 ICBM Intercontinental Ballistic Missile.
요격능력을 갖추었으며 방공저널 2015.
현재는 실험발사 중인 B형은 본격적으로 다탄두 ICBM에 대응할 수 있는 버전으로 배치될 예정이다.
2) Ground Based Interceptor
GBI는 미국의 GMD(Ground based Mid-course Defense)의 핵심요소이다. 다른 요격체들과는 다르게 인공위성대신에 요격탄두를 갖춘 3단 로켓으로 이루어졌고 사거리가 5,000km, 최대상승고도가 ICBM의 원지점 이상으로 올라가는 ICBM에 초점을 맞춘 요격체계이다. GBI는 무게 12.7톤 길이 16.8미터 지름 1.27미터이인 다단계 로켓부스터와 무게 64kg 길이 1.4m 지름 1.6m 속도 10km/s에 달하는 액체로켓인 대기권 외 요격체 EKV : Exoatmospheric Kill Vehicle)로 구성되어 있다.
<그림4> SM-3 <그림5> GBI
출처: www.raytheon.com/capabilities/products/ (검색일 : 2015. 9. 26.)
대기권 외 요격체는 RV Re-entry Vehicle. 요격시 RV와 거의 같은 속도로 움직이며 DACS를 통해서 RV요격을 수행하게 된다. 현재 Alaska주의 Fprt Greely와 California Vandenberg 공군기지에 각각 26발, 4발, 총 30발이 배치되어있다.
3.2.3. terminal phase(re-entry phase)
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<그림4> SM-3 <그림5> GBI
종말단계에서 탄두 또는 RV는 매우 빠른 속도로 낙하하기 때문에 보통 1-2번만의 요격기회를 갖는다. 따라서 더 많은 요격기회를 갖기 위해서 미국은 THAAD와 PAC-3를 다층으로 구성하였다. 또한 미국의 경우 조기경보위성, 장거리 조기경보레이더, 고해상도레이더들과의 유기적인 연결을 통해서 종말단계요격 시 탐지, 추적, 식별의 시간을 단축하여 신속한 대응을 가능하게 한다. 미국의 MD체계의 최종 단계로 미국의 본토상공을 방어하는 방어체계로 THAAD와 PAC-3 요격체계로 구성되어 있다.
1) THAAD(Terminal High Altitude Air Defense)
THAAD는 사격관제통신소(TFCC), X-밴드 레이더(AN/TPY-2), 미사일발사대(launcher)로 구성되어 있으며 제 18회 공군 방공포병 전투발전세미나 자료집(2013. 9. 13), 『주변국 미사일 방어 현황』.
한 개의 포대에 6기의 발사기, 각각의 발사기 마다 8발의 요격미사일을 장착하여 포대 당 48발의 요격미사일을 운용하며 미국은 최대 9개의 발사대까지 운용중이다. 레이더인 AN/TPY-2는 탐지범위가 1,800km로 그린파인 레이더와 비슷한 성능을 가지며 X밴드대역을 사용함으로 종말단계요격 시 표적에 대해 더욱 정밀한 탐색 및 추적이 가능하다. 요격미사일은 길이 6.17m 지경 0.34m 무게 900kg 최대속력 마하 8.2 최대사거리 200km 최대고도 150km로 비행하며 2단 로켓구조를 갖추고 있다. Jane’s Strategic Weapon Systems, Land Warfare Platforms: Artillery & Air Defence
THAAD.
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<그림6> THAAD
THAAD는 대기권 내에서는 추진체가 분리되지 않고 요격에 들어가며 종말탐색기는 적외선탐지기로 열잡음이 많은 대기권 내에서는 적합하지 않는 단점을 지닌다. 또한 대부분의 요격미사일과 마찬가지로 Hit to Kill 방식을 사용하여 RV를 직접 요격한다. 요격고도가 150km이기 때문에 중간단계요격과 같이 탄두에 DACS가 상하로 추력을 작동하여 목표에 직격하도록 한다. THAAD는 현재까지 13번의 발사에 성공하였고 11번의 요격실험에서도 성공적인 성과를 거두고 있다.
THAAD의 눈인 AN/TPY-2 레이더는 TM모드와 FBM모드를 가지고 있다. TM(Terminal Mode)는 THAAD 포대의 화력통제용이다. 탐지거리 600-1,000km로 종말단계미사일요격 시에 사용되는 모드이다. FBM (Forward Base Mode)는 전진배치모드이며 탐지거리 1,000-1,800km를 가지고 적국의 미사일 조기탐지의 감시자산으로 사용된다. AN/TPY-2는 보통 레이더와 다르게 X밴드 대역을 사용하여 높은 분해능을 통해 우수한 고정밀 탐지/추적을 가능하게 한다.
2) PAC-3
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<그림7> PAC-3
출처: http://www.lockheedmartin.com/us/products/PAC-3MSE.html (검색일 : 2015. 9. 28.)
PAC-3 MSE Missile Segment Enhancement(MSE).
는 길이 5.2m, 직경 25cm, 중량 320kg, 마하 2.5(PAC-3기준), 방어영역은 거리 35km 고도 36km의 성능을 가진다. Jane’s Strategic Weapon Systems, Land Warfare Platforms: Artillery & Air Defence
PAC-3.
PAC-3 미사일은 탄두 주변에 작은 로켓을 설치를 통해 자세제어를 실시하여 요격하며 종말유도단계에서는 자체에 장착된 밀리미터파 대역을 능동탐색레이더를 통하여 요격을 실시한다. PAC-3는 1997년부터 발사시험을 하였고 지난 3년간 13번의 발사 중 12번의 성공, 10번 중 9번의 요격하여 92%의 요격 성공률을 가진다. 상게서.
또한 PAC-3는 이라크 자유 작전에서 운용하여 실전에서 검증이 된 무기이며 미국, 일본 등 여러 나라에 실전 배치된 신뢰도가 높은 종말단계요격체계이다. PAC-3 MSE는 PAC-3의 미사일 부분 강화 버전으로 사거리를 연장하고 미사일의 선회능력을 향상 시켰다. 김민구, 한국형 미사일 방어체계 발전방안 연구, 한성대학교(서울, 2014) p.55.
제4장 북한의 핵·탄도미사일의 효과적 대응을 위한 방어체계 효용성 분석
미국의 MD는 러시아, 중국, 북한 등의 나라에서 발사되는 ICBM에 초점을 맞추어서 개발되었다. 반면 한국의 KAMD는 단거리 전술탄도미사일에 초점이 맞추어져있다. 따라서 저고도하층방어체계 위주의 중요지역에 대한 점방어로 구성되어있다. 하지만 북한의 3차례 핵시험을 통해서 핵탄두를 탑재한탄도미사일 요격에 새로운 정책적 대안을 수립할 필요가 있다. 탄두중량과 탄두의 형태로 미루어 보아서 핵 탑재가능 미사일은 노동급 이상의 미사일이 될 것이며 한반도에 직접적인 영향을 주는 미사일은 노동미사일과 무수단 미사일이 될 것으로 판단된다. 이러한 관점에서 본장에서는 다음 5가지 COI(Critical Operational Issue)를 통해 한국의 KAMD가 핵 탑재 탄도미사일을 요격하기 위한 방어체계의 효용성을 도출한다.
4.1. 대응가능시간
탄도미사일의 페이로드 중량, 자세각, Isp(Specific Impulse) 및 연소종료시점 조정 등을 이용하여 미사일의 궤적을 조종할 수 있다. 사거리 1,000km, 1톤 중량의 페이로드를 탑재한 노동미사일을 Over lofted, Minimum energy, Depressed로 궤적을 설정되었을 때 SM-3, THAAD, PAC-3의 요격 대응시간에 대한 연구 김지원 외 1명, “비행결로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석”,『한국군사과학기술학회지』, 제18권 제2호(2015), p.176.
에 의하면 노동 미사일을 Minimum energy로 발사 하였을 시 PAC-3는 유효 요격시간이 2초이며 THAAD는 70초, SM-3는 372초 이다. 반면 Depressed 궤적일 경우에는 PAC-3는 3초, THAAD는 101초, SM-3는 192초 이며 Over lofted 궤적의 경우에는 PAC-3는 1초, THAAD는 50초, SM-3는 491초의 결과를 보였다. 정점고도가 높아질수록 상층요격체계인 SM-3는 대응시간이 길어지며 THAAD, PAC-3 하층요격체계는 Depressed 궤적일 경우 대응시간이 길어졌다. 중거리 탄도미사일의 경우 대응 시간적 측면에서는 탄도미사일의 고도가 높을수록 더 많은 중간단계 요격체계인 SM-3가 효용성이 더 크며 탄도미사일의 고도가 낮을수록 종말단계 요격체계인 THAAD, PAC-3의 효용성이 향상됨을 알 수 있다.
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<그림8> Range-Altitude Characteristic
4.2. 비행궤적에 따른 요격고도
탄도미사일의 중간단계는 다른 단계에 비해 속도가 최대 1/10배까지 감소하며 가속도의 변화량이 매우 적어 방어체계 입장에서 요격하기 가장 수월한 환경이다. 또한 다탄두(MIRV)가 분리되는 구간으로 이 단계에서 요격을 하지 못할 경우 수배이상의 노력이 필요하므로 비용 대 효과측면에서 매우 중요하다. 북한의 현재 소형화 수준으로 핵 탑재가능성이 가장 높은 노동미사일이 3가지 궤적으로 발사 되는 상황(over lofted, minimum energy, depressed)을 가정할 경우 각각의 궤적마다 정점고도가 다르게 나타난다. 각각의 궤적에 대한 SM-3, THAAD, PAC-3 의 중간단계 요격 중간단계에서는 다른 비행단계와는 달리 중력을 제외한 외력이 거의 없으므로 탄도미사일의 궤적을 예측이 비교적 쉬우며 탄도미사일의 비행시간 중 대부분이 중간단계에서 이루어지기 때문에 대응시간이 길어 요격이 용이하다. 반면에 종말단계의 하층은 대기에 저항에 의해 가속도의 변화가 크며 대기의 불안정성 등에 의하여 RV의 불안정한 기동이 발생하기 때문에 탄도미사일 궤적 예측이 힘들다.
가능성에 대해 확인하여 보면 Depressed 궤적에서 정점고도는 110-160km로 나타난다. 김지원 외 1명, “비행결로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석”,『한국군사과학기술학회지』, 제18권 제2호(2015), p.177.
요격고도가 12-15km인 PAC-3는 요격이 불가하며 40-150km인 THAAD는 제한적으로 요격이 가능(shot)하다. 요격고도가 70-500km인 SM-3는 중간단계에서(shot-look-shot)요격이 가능하다. 정점고도가 더 높아지는 Over lofted 궤적에서는 SM-3만 중간단계 요격이 가능하다.
4.3. 각 궤적의 탄도미사일 속도
3가지 궤적(over lofted, minimum energy, depressed)으로 탄도미사일이 발사되었을 때 탄도미사일의 속도는 비행궤적에 따라 그 특성이 크게 다르게 나타난다. Depressed 방식은 연소종료속도, 정점속도 및 재 진입속도 측면에서 가장 빠르지만 대기권내 긴 비행거리로 인해 대기의 저항을 가장 많이 받아 탄착속도가 가장 느리게 나타난다. 김지원 외 1명, “비행결로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석”,『한국군사과학기술학회지』, 제18권 제2호(2015), p.179.
Depressed 방식은 종말단계 비행시간이 길며 탄착속도가 느리기 때문에 하층방어체계인 PAC-3와 THAAD가 용이한 선택이 될 수 있다. 하지만 Depressed 방식은 총 비행시간이 가장 짧기 때문에 신속한 조기탐지 및 정확한 명중률이 요구되어진다. Depressed 방식으로 발사할 경우 총 비행시간은 349초이며 이 중 종말단계비행은 134초로 구성된다. 현 한국 KAMD의 주력인 PAC-2가 대응시간이 2분30초이고 이에 북한의 TEL 사용으로 인한 조기탐지의 어려움이 더해진다면 충분한 대응시간을 갖지 못한다.
반면에 Over lofted 방식은 총 비행시간이 길며, 정점에서의 속도가 다른 방식에 비해 2-10배 까지 늦어지므로 정점(중간단계)에서의 요격환경이 매우 좋아진다. 즉, 중간단계 비행시간이 길고 탄착속도는 빨라지며 종말단계 비행시간이 극도로 짧아진다. Over lofted 방식으로 발사할 경우 총 비행시간은 595초이며 이 중 중간단계는 480초, 종말단계는 45초로 구성된다. 현 한국 KAMD의 주력인 PAC-2에게 주어진 요격시간은 1초 이하로 주어지기 때문에 효과적인 대안이라고 하기에 어렵다.
탄도미사일의 속도가 가장 느리고 RCS가 다른 단계보다 상대적으로 커 요격측면에서 매우 유리하다. 또한 짧은 시간의 종말단계와 높은 탄착속도에 의해 하층요격체계만으로는 한계가 있다.
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<그림9> 비행거리에 따른 고도 특성
4.4. Single Shot Kill Probability
걸프전시 이라크의 스커드 미사일을 PAC-2가 요격은 하였으나 탄두를 파괴하지 못하여 잔여 탄두에 의해서 피해가 발생한 이후 "Postol/Lewis Review of Army's Study on Patriot Dffectiveness", 1992. 9. 8., Committe on Government Relations House of Representatives Washington. D.C. 2015.
SSKP(Single Shot Kill Probability)는 탄도미사일 요격체계의 능력을 평가하는 중요한 척도로 인식되어 왔다. SSKP는 단발에 목표를 파괴할 가능성을 말하는 것으로 PAC-2의 경우 파편형 탄두를 장착하여 탄도미사일 근처에서 자폭된 파편이 탄도미사일을 요격시키는 방식을 사용하였다. 하지만 탄도미사일이 재진입 시 마하 10내외의 초고속 특성, 높은 대기밀도, 대류의 영향 등에 의해 가속도가 급격하게 변하므로 비행궤적을 예측하기가 매우 어렵다. 따라서 종말단계 요격체계인 PAC-2의 경우 SSKP가 40% 수준으로 낮게 형성된다. 상게서.
이러한 문제점을 보완하기 위해 걸프전 이후 선진국들은 직격요격방식(hit to kill)을 활용한 직격요격탄두(kill vehicle)를 적용한 무기체계를 개발 또는 운용중이다. 대표적인 무기체계로 미국의 PAC-3 MSE, THAAD, SM-3 및 GBI와 이스라엘의 Arrow-3, 프랑스의 Aster Block-2 등이 있다. SSKP는 임무(mission)관점에서 요격효과를 측정하는 경험치로 PAC-3 및 THAAD는 SRBM(Short Range Ballistic Missile)을 대상으로 하며, SM-3는 MRBM급 이상을 대상으로 SSKP를 측정한다. PAC-3 MSE의 SSKP는 70%, THAAD는 80% 정도로 알려져 있으며, 요격이 어려운 중장거리 미사일을 대상으로 하는 SM-3의 경우 SSKP가 60%로 THAAD나 PAC-3보다 상대적으로 낮은 것으로 알려져 있다. 직격요격체는 탄두를 확실히 파괴할 수 있다는 장점이 있지만 직접 맞추어야 하기 때문에 요격에 더욱 고난도의 기술이 필요하게 된다. 직격요격체의 핵심은 자세제어장치이다. 대기권 내에서 요격하는 PAC-3는 미사일 주변에 로켓을 달아 자세를 제어하지만 대기권 외에서 요격하는 THAAD와 SM-3등은 DACS라는 자세제어장치를 상용한다.
4.5. 북한 핵탄도미사일 기폭고도
핵탄도미사일의 영향은 크게 핵폭발 폭풍파 55%, 열복사선 30%, 핵 방사선 15%로 구성.
과 NEMP(Nuclear Electro Magnetic Pulse)로 나누어진다. NEMP는 핵 방사선중 0.1-0.5%를 차지하는 감마선이 공기분자와 충돌 후 충돌된 공기분자가 양이온과 음전자로 분리되어 지구 자기력선에 의해 발생하는 전위차에 의한 전자기 펄스이다. S. Glasstone, P. J. Dolan, "The Effects of Nuclear Weapons", Princeton University, 2007.
이렇게 발생한 고전류와 고전압이 전자장비, 안테나, 금속몸체 및 케이블속을 타고 들어가 장비를 손상시킨다. 미 군용표준장비의 NEMP에 대한 방어기준은 일반 상용전자장비에 치명적인 손상을 초래할 수 있는 50kV/m이다. 국방과학연구소, “EMP와 표적의 결합기구 해석 공동시험(1)", 2002.
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<그림10> Peak electric field at ground zero
NEMP의 현상은 1962년 핵시험에서 처음 발견되었다. 핵시험이 있던 장소에서 남쪽으로 1,350km 떨어진 하와이의 주요 통신 및 전자장비 기능에 문제가 발생한 것이다. 이러한 현상은 고도가 높아질수록 증가하다가 고도 100km정도에서 최대에 이른다. 북한 핵은 1Mton급 이하 일반적으로 소형화하여 핵탄도미사일에 탑재할 것으로 예상되는 북한의 핵은 10-20kt의 플루토늄 원료를 사용하는 것으로 예측되어 왔다.
저위력(low yield)의 핵폭발로 감마선양 0.5%를 방출한다. <그림10>에서 감마선량이 0.5%일 경우에는 고도 100km에서 전계의 세기가 가장 큰 것을 알 수 있다. 따라서 북한이 핵탄도미사일로 공격을 감행할 경우 주변국(중국, 일본 등)에 피해를 주지 않으면서 핵을 기폭 시킬 가능성이 가장 높은 고도는 100km 근방이 될 것으로 예측된다. 이러한 관점에서 고도 100km 이상에 요격할 수 있는 방어체계가 요구되어진다. 국내에서도 금강산 상공 100km에서 핵탄도미사일이 폭발될 경우 NEMP효과에 관한 연구결과가 산출되었고 정용관, 민경찬, “고고도 핵전자기파/HEMP 방호기술 동향(HEMP 시뮬레이션 툴‘KTI CODE'개발”, 정보통신산업진흥원, 주간기술동향, 2011.
, 미국의 경우 워싱턴 D.C와 리치몬드에 NEMP 공격이 실행될 경우를 가정한 시뮬레이션 결과가 발표되었다 The Sage Policy Group "Initial Economic Assessment of EMP Impact upon the Baltimore-Washington D.C.-Richmond Region", 2007.
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북반구의 경우 NEMP가 미치는 범위는 EMP가 발생하는 고도의 2배를 남쪽 지역에서 반경 20km에 영향을 미친다. 이러한 NEMP 공격은 엄청난 군사적인 피해뿐만 아니라 경제적으로 엄청난 피해를 발생시킨다. 워싱턴 D.C.와 리치몬드에 NEMP 공격이 실행될 경우를 가정하여 시뮬레이션 한 결과 경제적 피해액은 약 860조원(GDP의 7%) 대규모 피해(전력 70%이상, 통신/지휘통제 50%이상)의 경우 복구기간은 전력 66개월, 통신 54개월, 지휘통제시스템 20개월 소요로 예측됨.
유효요격시간, 각 궤적의 정점고도에 따른 중간고도 요격 가능성, 각 궤적의 탄도미사일 속도, SSKP, 북한 핵·탄도미사일 기폭고도 등 지금까지 연구된 결과를 종합하여 정리하면 <표2>와 같다.
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<표2> 탄도미사일별 요격체계의 효용성 종합분석
제5장 결 론
북한은 약 64kg의 플루토늄 중 25.5kg을 핵시험으로 사용하고 38.5kg을 보유하고 있는 것으로 평가되어지고 있다. 이를 통해 10-15기의 핵탄두 제조가 가능할 것으로 예측된다. 이경행, “북한 SLBM 위협분석 및 대응방향”, 2015 함정기술 무기체계세미나, 2015. 10. 22.
북한은 오랜 기간의 탄도미사일 연구‧개발을 통해 다수의 탄도미사일을 보유하고 있으며, 스커드 계열의 탄도미사일에서 핵탄두 탑재가 가능한(페이로드 1,000kg 이상, 직경 1m 이상) 노동 및 무수단 미사일로 주력이 전환되고 있다. 특히, 노동 및 무수단 미사일은 분리형 탄두(separable warhead)를 장착하여 종말단계에서의 RCS가 골프공 수준인 0.01-0.001까지 급격히 줄어들어 요격이 매우 어렵다. 이러한 북한의 핵·탄도미사일은 다양한 사거리 조절방법(자세각 조절, Isp조절, 탑재중량조절 등)을 통해 원하는 한반도 주요 시설(HVA: High Value Area)에 대한 공격이 가능하다. 다양한 사거리 조절에 따른 탄도미사일 비행특성을 살펴본 결과 현재 우리 군이 구축중인 하층방어 위주의 KAMD 전력으로는 대응가능시간, 방어체계 요격고도, 탄도미사일 속도, SSKP 및 핵 기폭고도 측면에서 그 효용성이 제한되었다. 핵·탄도미사일 1발은 대량살상이 가능하며, 다른 무기체계와는 비교할 수 없는 비대칭 전력이기 때문에 우리 군은 한반도 전장환경에 가장 적합한 방어체계를 정책적 대안으로 채택해야 한다. 북한은 우리 군이 구축중인 KAMD의 약점을 파고들어 공격할 가능성이 높다.
본 논문에서는 한국의 KAMD의 능력을 식별하고 미국의 MD체계를 분석하였으며, 이를 통해 현재 구축중인 KAMD의 부족한 능력을 식별하여 필요한 요구능력을 도출하였다. 현재 우리 군이 보유한 PAC-2 GEM+와 철매-Ⅱ는 종말단계 저고도요격체계로 최고 요격고도가 12-15km로 낮고 구간이 짧아 요격에 큰 한계를 가지고 있다. 또한 종말단계 중고고도 요격을 위해 개발 중인 L-SAM의 경우 핵심기술의 부재로 인하여 난항을 격고 있는 상황이다. 따라서 정치·산·학계에서 미국 MD의 핵심인 THAAD와 SM-3의 도입의 필요성이 꾸준히 제기되고 있다. 이러한 맥락에서 본 논문에서는 과학적이고 체계적인 접근방법을 통해 탄도미사일 방어체계의 효용성 척도(metric)인 COI를 도출하였으며, COI에 따른 효용성을 정성적·정량적인 판단기준을 설정하여 분석하였다.
대응가능시간, 탄도미사일 속력, 핵·탄도미사일 기폭고도 측면에서는 중간단계 요격체계가 효용성이 높았으며, 비행고도가 낮은 단거리 미사일과 Depressed 방법으로 발사되는 탄도미사일의 경우에는 종말단계 저고도요격체계의 효용성이 상대적으로 높았다. 또한 탄두의 완전파괴를 위해서는 미사일의 SSKP가 높아야하며, 직격요격방식의 요격체가 더욱 효과적이었다.
핵탄도미사일은 다른 재래식 무기와는 다르게 한발이라도 명중한다며 국민의 생명과 자산에 크나큰 영향을 미칠 수 있다. KAMD의 효과적인 구축을 위해서는 논문에서 제시한 효용성을 기준으로 요격효과를 다각도로 분석한 결과 상층요격체계를 도입할 필요가 있다.
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43) 이경행, “한국적 해상기반 탄도미사일 방어체계의 요구능력 도출에 관한 연구”, 박사학위논문, 국방대학교, 2014. pp.13-17.
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45) 장재은, “최초 원폭실험 70주년…'가상 핵시험' 토론회 등 기념행사”, 연합뉴스, 2015. 7. 16.
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47) 김영권, “미 연구소 "북한, 핵무기 22개 분량 핵물질 확보 가능성"“, Voice of America, 2015. 10. 9.
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49) 윤덕민, "북한의 우라늄농축 프로그램과 대응방향", 『주요국제문제분석』, 2011, pp.10-15.
50) 황철환, “中 핵전문가 “북한, 이미 핵탄두 소형화 실현””, 연합뉴스, 2015. 10. 9; 박영환, “북한 핵미사일 능력 어느 수준인가”, 경향신문, 2015. 9. 27; 윤정호, “北 핵탄두 소형화, 미사일 탑재 가능… 美 본토에 실질적 위협”, 조선일보, 2015. 2. 26; 고득관, 북한 ““핵 타격 소형화 단계” 위협…UN 안보리도 비난”, 매일경제, 2015. 5. 20.
51) 이춘근, "대한민국 핵무장의 논리", 『한반도선진화재단 주최 토론회 발제문』, 2013, p.4.
52) 1톤이란 TNT 폭탄 1톤의 파괴력을 의미한다.
53) 전성훈, "전술핵무기 재반입은 가능한가?", 『한반도선진화재단 주최 토론회 발제문』, 2013.
54) SLBM이 발사되는 방법에는 Hot launching방식과 Cold launching방식 두 가지가 있다. Hot launch방식은 수직발사관안에서 로켓의 연료를 연소하면서 발사하는 방식이고, Cold launch는 수직발사관에서 탄도미사일을 물 밖으로 사출한 뒤 수면위로 올라온 탄도미사일의 연료가 연소되기 시작하면서 추진을 시작하는 방식이다. 구조적인 형태가 간단하다는 장점이 있는 Hot launch방식은 수직발사관안에서 연료를 연소하기 때문에 수직발사관이 미사일의 강한 화염으로 인해 손상을 받는 심각한 문제점을 가지고 있다. 따라서 대부분의 SLBM에서는 구조가 복잡하고 구현하기 힘든 기술인 Cold Launch 방식을 택한다.
55) 북한의 폭격기 IL-28, 대륙간 탄도미사일 대포동 미사일, 잠수함 발사 탄도미사일 북극성 1호.
56) 김두환 외 1명, "북한의 탄도미사일 문제와 새로운 방위체제 구축", 『공군법률논집』, 2013, p.137.
57) 탄도미사일의 궤적은 3단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 부스트단계이다. 부스트단계에서는 탄도미사일의 추진력을 내는 단계로써 탄도미사일의 추진체가 갖고 있는 연료를 소모한다. 연료를 모두 소모하게 되면 중간단계에 들어간다. 중간단계는 부스트 단계에서 얻은 추진력을 이용하여 최정점에 도달하였다가 다시 떨어지는 단계이다. 중거리미사일급 이상은 중간단계에서 대기권을 돌파한다. 이때 다단계 미사일인 경우 연료를 모두 소모하면 추진체를 분리시킨다. 대기권을 돌파하면 대기의 분자운동이 줄어들고 대기를 차지하는 기체의 양이 줄어들기 때문에 미사일에 가해지는 공기의 저항이 적어진다. 따라서 탄도미사일이 가열되거나 심한 충격을 받지 않는다. 정점 고도에서 다시 떨어지기 시작하여 대기권에 도달하는 시점부터가 종말단계의 시작이다. 종말단계는 탄도미사일이 갖고 있던 위치에너지를 운동에너지로 바뀌기 때문에 매우 속도가 빠르다. 예를 들면 대륙간 탄도미사일의 종말단계에서 속도는 마하20정도이다. 또한 빠른 속도와 공기에 의한 저항으로 인해서 탄두에 가해지는 열과 마찰이 매우 강해진다.
58) 최소에너지방식(minimum energy)는 최소에너지로 최대사거리를 얻을 수 있는 방식을 말한다.
59) 김지원, 권용수, "비행경로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석", 『한국군사과학기술학회지』 제18권 제2호, 2015.
60) 박수찬, "北, 미사일 고도 높이고 비거리 줄이는 실험" , 조선일보, 2014.11. 4.
61) Kai Chang, 홍익표 옮김, 『RF 및 초고주파 공학』, 한빛 아카데미, 2014, p.228.
62) 이경행 외 2명, "이지스 BMD를 위한 탄도미사일 RCS 특성분석에 관한 연구", 『국방기술 학술대회』구두발표자료.
63) 김중호, "탄도미사일의 기술과 성능 분석", 국방과학기술정보 제51호, 2015, pp.15-25.
64) 이윤걸, "북한 생화학무기의 위험성", 『북한』 통권504호, 북한연구소, 2013, pp.73-83.
65) 미사일 방어 전략에 관하여 일본의 탄도미사일 방어 전략과 이스라엘의 탄도미사일 방어 전략에 관하여서도 조사하였으나 일본은 해상기반 방어에 크게 치중되어있고 이스라엘은 작은 크기의 국가에 맞추어 미사일요격시스템이 구축되어있어 가장 요격체계도 비슷하고 요격분야에 있어서는 가장 선진화된 미국과 비교하였다.
66) medium-range surface-to-air missile.
67) 조영빈, “軍, 킬체인 핵심 800km 탄도미사일 수백기 배치 계획 재확인”, 네이버뉴스, 2015. 10. 1.
68) 안승범 외 1명 “2014-2015 ROK Military Weapon Systems", (서울,Defense Time: 2015), p.318.
69) "Postol/Lewis Review of Army's Study on Patriot Dffectiveness", 1992.09.08., Committe on Government Relations House of Representatives Washington. D.C. 2015.
70) 이라크전시 PAC-2가 스커드 단거리 탄도미사일의 요격에 투입되었으나 폭팔탄두가 탄두를 완전히 파괴하는데 실패하여 미완파탄두에 의한 피해가 잦았다.
71) 안승범 외 1명, “2014-2015 ROK Military Weapon Systems", (서울,Defense Time: 2015), p.318.
72) Jane’s Strategic Weapon Systems, Land Warfare Platforms: Artillery & Air Defence
Iron HawkⅡ.
73) 상게서.
74) 안승범 외 1명 “2014-2015 ROK Military Weapon Systems", (서울, Defense Time: 2015), p.317.
75) 김지원 외 1명 “비행경로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석” (한국군사과학기술학회지: 2015. 4), p.178.
76) 종말단계에서는 탄도미사일의 RCS가 0.1-0.001까지 작아진다.
77) “이것저것 다 하는 L-SAM, '사드' 도입 의혹?”, 국제일보, 2015. 9. 11.
78) 정영태 외6명, “북한의 핵전략과 한국의 대응전략”, (통일연구원: 2014), p.141.
79) 미국의 부스트단계 조기경보체계는 SBIRS(Space Based Infrared System)이며 DSP(Orbiting Defense Support Program)위성, STSS(Space Tracking and Surveillance System)위성으로 구성되어 있다.
80) Mile Gruss,"Sm-3 BlockⅡA Passes Critical Design Review,Set for Flight Testing
in 2015,"SpaceNews,October 31, 2013.
81) Jane’s Strategic Weapon Systems, Standard SM-3 RIM-174.
82) Intermediate Range Ballastic Missile.
83) Intercontinental Ballistic Missile.
84) 방공저널 2015.
85) 김민구, "한국형 미사일 방어체계 발전방안 연구", 한성대학교(서울, 2014) p.51.
86) Re-entry Vehicle.
87) 공군평론 2012. 6, p.15.
88) 제 18회 공군 방공포병 전투발전세미나 자료집(2013. 9. 13), 『주변국 미사일 방어 현황』.
89) Jane’s Strategic Weapon Systems, Land Warfare Platforms: Artillery & Air Defence
THAAD.
90) Missile Segment Enhancement(MSE).
91) Jane’s Strategic Weapon Systems, Land Warfare Platforms: Artillery & Air Defence
PAC-3.
92) 상게서.
93) 김민구, 한국형 미사일 방어체계 발전방안 연구, 한성대학교(서울, 2014) p.55.
94) 김지원 외 1명, “비행결로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석”,『한국군사과학기술학회지』, 제18권 제2호(2015), p.176.
95) 표
96) 중간단계에서는 다른 비행단계와는 달리 중력을 제외한 외력이 거의 없으므로 탄도미사일의 궤적을 예측이 비교적 쉬우며 탄도미사일의 비행시간 중 대부분이 중간단계에서 이루어지기 때문에 대응시간이 길어 요격이 용이하다. 반면에 종말단계의 하층은 대기에 저항에 의해 가속도의 변화가 크며 대기의 불안정성 등에 의하여 RV의 불안정한 기동이 발생하기 때문에 탄도미사일 궤적 예측이 힘들다.
97) 김지원 외 1명, “비행결로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석”,『한국군사과학기술학회지』, 제18권 제2호(2015), p.177.
98) 김지원 외 1명, “비행결로각 조정에 의한 중거리 탄도미사일의 비행궤적 특성 해석”,『한국군사과학기술학회지』, 제18권 제2호(2015), p.179.
99) Depressed 방식으로 발사할 경우 총 비행시간은 349초이며 이 중 종말단계비행은 134초로 구성된다. 현 한국 KAMD의 주력인 PAC-2가 대응시간이 2분30초이고 이에 북한의 TEL 사용으로 인한 조기탐지의 어려움이 더해진다면 충분한 대응시간을 갖지 못한다.
100) Over lofted 방식으로 발사할 경우 총 비행시간은 595초이며 이 중 중간단계는 480초, 종말단계는 45초로 구성된다. 현 한국 KAMD의 주력인 PAC-2에게 주어진 요격시간은 1초 이하로 주어지기 때문에 효과적인 대안이라고 하기에 어렵다.
101) "Postol/Lewis Review of Army's Study on Patriot Dffectiveness", 1992. 9. 8., Committe on Government Relations House of Representatives Washington. D.C. 2015.
102) 상게서.
103) 직격요격체의 핵심은 자세제어장치이다. 대기권 내에서 요격하는 PAC-3는 미사일 주변에 로켓을 달아 자세를 제어하지만 대기권 외에서 요격하는 THAAD와 SM-3등은 DACS라는 자세제어장치를 상용한다.
104) 폭풍파 55%, 열복사선 30%, 핵 방사선 15%로 구성.
105) S. Glasstone, P. J. Dolan, "The Effects of Nuclear Weapons", Princeton University, 2007.
106) 국방과학연구소, “EMP와 표적의 결합기구 해석 공동시험(1)", 2002.
107) 일반적으로 소형화하여 핵탄도미사일에 탑재할 것으로 예상되는 북한의 핵은 10-20kt의 플루토늄 원료를 사용하는 것으로 예측되어 왔다.
108) 정용관, 민경찬, “고고도 핵전자기파/HEMP 방호기술 동향(HEMP 시뮬레이션 툴‘KTI CODE'개발”, 정보통신산업진흥원, 주간기술동향, 2011.
109) The Sage Policy Group "Initial Economic Assessment of EMP Impact upon the Baltimore-Washington D.C.-Richmond Region", 2007.
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