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수중유도무기 이야기(7)

능동유도 VS 선유도

글.윤선일 수석연구원 (LIG넥스원 해양2연구소)


어뢰는 표적에 최대한 가까이 접근해서 명중시켜야 하는 무기체계이다. 기동 속도가 빨라지고 어뢰 공격 탐지기능을 갖춘 함정의 발전에 따라 어뢰도 다양한 유도 방식을 개발해 대응하고 있다. 이번 호에서는 능동유도와 선유도 방식 어뢰에 대해 알아본다.

어뢰를 표적에 명중시키기 위한 노력

어뢰의 목적은 표적을 명중시켜 피해를 주는 것이지만 아함의 안전을 위해서 멀리 떨어진 곳에서 발사해야 한다. 어뢰가 표적을 명중시키려면 최대한 정확하게 가까이 다가가야 한다. 초기 어뢰는 무유도 방식으로 주로 항구에 정박한 함정을 공격하거나 이동하고 있는 표적의 속도를 측정해 계산 된 충돌 지점 방향으로 발사했다. 제2차 세계대전 당시 독일이 음향어뢰를 개발하면서 호밍 기능이 적용됐으나 1980년대까지도 수중음향 호밍어뢰의 신뢰성은 만족할 만한 수준에 도달하지 못했다. 1982년 포클랜드 전쟁에서 영국이 아르헨티나 해군의 순양함을 격침시킨 것도 무유도 어뢰였다. 어뢰의 표적이라 할 수 있는 함정이 빠른 기동속도와 어뢰 공격 탐지기능을 갖추게 되면서 더 이상 무유도 방식 어뢰를 사용할 수 없게 됐다. 이에 대응하기 위해 어뢰의 소나도 발전을 거듭해 탐지거리, 빔폭, 해상도가 향상됐고, 다양한 방식의 유도 기법을 적용할 수 있게 됐다. 즉, 어뢰를 표적까지 정확하게 보낼 수 있는 기술이 발전한 것이다. 이러한 기술적 진보는 소나 뿐만 아니라 어뢰의 자세를 정확하게 측정할 수 있는 항법센서와 어뢰 후부에 장착된 타를 정밀하게 제어할 수 있는 구동기술 발전이 동반되었기에 가능했다. 물속에서 운동하는 수중운동체, 특히 수중유도무기는 목표물에 도달하기 위한 요구조건을 만족하도록 주행에 요구되는 명령을 계산하고 유도명령에 따라 어뢰가 운동하도록 조종수단을 제어할 수 있는 유도, 제어, 항법 기술이 필요하다.

수중운동체 유도, 제어, 항법 구조 개념도

유도명령을 받아 제어되는 선유도 어뢰의 등장

최근 개발되어 잠수함에서 운용되고 있는 어뢰는 대부분 선유도 어뢰이다. 일부 드물게 수상함에서 운용되고 있는 경어뢰에 선유도 방식이 적용된 사례도 있지만, 일반적으로 경어뢰는 발사관에서 발사된 이후 함으로부터 별도 통제를 받지 않는다. 반면에 선유도 중어뢰는 잠수함으로부터 유도 명령을 받아 제어된다. 선유도 중어뢰는 유도선 길이가 운용거리인 경우가 대부분이며 유도선이 충분히 길 경우 뛰어난 성능의 잠수함 소나를 이용해 매우 먼 거리부터 표적을 탐지하여 어뢰를 유도할 수 있는 장점이 있다. 표적 입장에서는 어뢰가 능동핑을 사용하지 않기 때문에 원거리에서 탐지가 쉽지 않고 주행소음을 청음했을 때는 어뢰가 이미 상당히 가까운 거리까지 접근하게 된다.
최초의 선유도 어뢰는 1877년 Louis Brennan에 의해서 발명된 Brennan 어뢰로 알려져 있으며 주요 해안 방어를 위해 육상에 설치된 발사트랙에서 발사 후 유선으로 유도되었다. 엄밀하게 말하면 Brennan 어뢰는 현재의 디지털 통신을 이용한 연동방식이 아닌, 선을 이용하여 방향과 심도를 제어하는 기계적 방식이었다. Brennan 어뢰 내부에는 2개의 철재 드럼이 장착되었고 각각 고장력 철선이 수천 야드씩 감겨 있다. 두 드럼의 회전 속도가 다를 경우 방향타가 작동되어 방향이 제어되는 원리로 해안에 설치된 스팀윈치에 의해 추진기가 동작한다. 최대 속도는 27노트, 최대 운용심도 3.7m, 유효 사거리는 1.8km, 탄두중량은 91kg이다.

홍콩 Museum of Coastal Defence에 전시된 Brennan 어뢰 복제품 < 출처: wikipedia >
현재 Cliffe Fort에 남겨진 Brennan 어뢰 발사트랙 < 출처: wikipedia >
Brennan Torpedo 1887

현대 유럽 어뢰의 유선 유도 개념은 독일이 개발한 Lerche 어뢰에 기반을 두고 있다. 잠수함에서 유선으로 제어한 최초의 어뢰인 Lerche의 지정 명칭은 G7es로 전기추진 방식을 채택했고 TV(G7es, Zaunkonig)와 TX(G7ef, Spinne) 어뢰를 기반으로 능동 소나와 선유도 기능을 가지고 있다. TX 어뢰는 Brennan 어뢰와 유사한 개념으로 해안방어를 위해 개발된 선유도 어뢰이다. Lerche 어뢰는 U-Boat에서 운용자가 어뢰 소나 신호를 듣고 어뢰를 수동으로 제어했으나 실전 배치 이력은 없다.

Lerche wire-guided torpedo concept < 출처: www.slideshare.net >

능동유도 - Fire & Forget 방식

발사 후 망각(Fire & Forget) 방식은 발사 전 함으로부터 어뢰에 설정값을 입력하고 발사 이후 모함과 단절된 상태로 프로그래밍 시나리오에 맞춰 동작한다. 발사 후 망각 방식은 어뢰의 소나만을 이용해야 하는 성능 제약사항이 존재하지만, 모함 입장에서 발사 이후 회피기동이나 다른 임무를 수행하기 위한 이동을 바로 할 수 있는 장점이 있다. 선유도 방식 어뢰는 발사 이후에도 잠수함의 소나를 이용하여 표적을 지속적으로 탐지/추적하여 어뢰를 유도하기 때문에 많은 장점을 가지고 있지만, 한편으로 표적에 어뢰 유도가 끝날 때까지 계속 연동을 수행해야하기 때문에 일부 기동이 제한될 수 있다.
직진 무유도 어뢰가 주류를 이루고 있던 제2차 세계대전 당시, 직진어뢰의 명중률을 높이기 위해 인간어뢰가 등장했다. 최대한 표적 가까이 어뢰를 주행시키고 탈출해야 하는 운용방식은 명중률을 높이기 위해 생명까지 담보로 걸어야 하는 비정한 측면이 있었다.
어뢰 명중률을 높이기 위해서는 표적까지 빠른 속도로 최대한 가까이 근접할 수 있어야 하고 동시에 여러 발을 운용하는 Salvo 형태가 유리하며, 다수의 세력이 동원될 경우 각자 다른 방향에서 공격할때 명중 확룰이 높다. 그렇기 때문에 현대 잠수함에서는 어뢰를 운용할 때 동시에 다수를 운용할 수 있도록 지원한다.

Whitehead torpedo< 출처: wikipedia.org >
마이알레(Maiale) < 출처: DEFENCYCLOPEDIA >


G7es/T5 음향어뢰 < 출처: http://models.rokket.biz >
F21 어뢰 < 출처: naval-group.com >

표적까지 다가가는 다양한 궤적

어뢰 유도방식은 미사일 유도방식에 기반을 두고 있다. 어뢰 유도방식의 일부 명칭은 개발사나 국가별로 다를 수 있지만 기본 원리는 유사하다. 유도는 표적에 대해 의도하는 목적, 즉 명중할 수 있도록 수중유도무기의 주행경로를 찾아내는 것이다. 표적까지 어뢰를 주행시키는 유도방식은 다양한 기법이 있겠지만 가장 기본적인 상황을 예로 들어보자. 우선 사냥개가 토끼를 추격하는 모습을 떠올리면 눈은 토끼를 주시하면서 그 방향으로 몸을 틀어 전력을 다해 달릴 것이다. Pursuit Guidance(추격유도) 기법은 가장 단순하면서 표적보다 빠른 속력을 가진 어뢰의 장점을 충분히 이용할 수 있다.
이 밖에 함의 소나 또는 어뢰의 소나를 이용하는 경우, 능동소나 또는 수동소나를 이용하는 경우 등으로 유도 알고리즘을 구분할 수 있다. 어뢰의 유도기법은 매우 다양하지만 잠수함 소나에 의해 측정된 표적의 Line of sight 위에 어뢰를 위치하도록 유도하는 BRM(Bearing Rider Method) 기법과 표적의 속력과 침로를 이용하여 표적과 어뢰의 충돌지점을 계산하고 유도하는 CCM(Collision Course Method) 기법이 대표적이다.

Bearing rider method
Collision course method

선유도 방식 어뢰의 유도선 구조

현재 잠수함에서 운용되는 대부분의 최신 중어뢰는 선유도 방식을 채택하고 있다. 유도선은 어뢰 내부의 Wire Dispenser에 Spool 형태로 장착하고 유도선을 풀면서 주행하게 된다. Torpedo 2000 어뢰의 내부 구조는 전자제어부와 엔진 사이에 Wire Dispenser가 위치해 있다. 유도선은 추진후부의 Pump-Jet Propulsor 하부에 있는 Wire Outlet을 통해 몸체 밖 수중으로 풀리는 구조를 가지고 있다. 일반적으로 유도선은 중어뢰의 최대 항주거리 이상 감아야 하기 때문에 별도의 권취기를 이용한다. 초기 유도선은 금속재질로 만들어졌으나 최신 어뢰는 가볍고 얇으면서도 충분한 인장강도를 가지고 통신속도가 매우 빠른 광섬유케이블이 적용됐다.

Torpedo 2000 어뢰 구조 < 출처: SAAB, http://saab.com >
유도선 권취 SAAB Bofors underwater systems: Torpedo 2000 Dual purpose torpedo < 출처: youtube.com >
유도선 A-Spool SAAB Bofors underwater systems: Torpedo 2000 Dual purpose torpedo < 출처: youtube.com >
SAAB Bofors underwater systems: Torpedo 2000 Dual purpose torpedo

선유도 어뢰는 잠수함 발사관을 빠져나올 때 잠수함과 간섭을 피하기 위해 별도의 Flex-hose를 적용한다. MK48 중어뢰는 발사관에 TMD(Torpedo Mounted Dispenser), 내부에 Flex-hose를 장착해 광섬유케이블을 보호하고 어뢰와 통신을 유지한다.

MK48 Mod 6AT 어뢰 구조 < 출처: http://www.navsea.navy.mil >

선유도 어뢰를 운용할 경우 유도선은 잠수함의 기동에 방해가 되지 않기 위해 부력을 가지고 있으며 잠수함 프로펠러 손상을 방지하기 위해 타에 보호 와이어를 장착하기도 한다.
일반적으로 미사일의 경우 유선 유도방식에서 무선 유도방식, 자체 유도방식으로 발전하는 추세지만 수중에서는 모함의 소나 성능이 매우 월등하기 때문에 유선 유도방식이 원거리 운용에 유리한 최신 기술이다. 수중에서 사용되는 선유도 기술은 어뢰뿐만 아니라 잠수함 발사 대공 유도무기에도 적용을 시도하고 있고 무인잠수정에 많이 적용되어 있다.

212 잠수함 후면< 출처: http://www.globalsecurity.org >
Underwater Optical Tether Deployer< 출처: http://www.tethers.com >

[출처] DEFENCE INSIDE|작성자 LIG넥스원



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