지난 포스팅 (https://kkmd.tistory.com/147) 에 이어 미국 펜타곤이 수립하고 있는 대 스텔스 전투기 교전교리에 대해서 알아볼 예정인데요.
잠깐 전투기의 스텔스 성능을 평가하는 용어를 살펴보겠습니다. MIN(Minimum Treatment) - RO(Reduced Observable) - LO(Low Observable) - VLO(Very Low Observable)의 단계로 분류가 되는데 레이더 반사면적을 의미하는 RCS가 0.01㎡ 이하인 LO(Low Observable)부터 스텔스기로 평가 됩니다. F-35가 바로 LO 단계에 속하고 KF-X는 RO 단계로 평가 받고 있지요.
『펜타곤은 이미 스텔스 전투기 사냥법을 알고 있다.』 편에서 전해드린 대로 미국 펜타곤은 적외선 탐지 및 추적장치인 IRST를 이용하여 스텔스기와의 교전교리를 확립하고 있는 중입니다. 물론 이미 알고 계신 분들도 있겠지만 IRST라고 해서 만능은 아니며 여러 가지 제한 사항이 있습니다. 따라서 이러한 IRST의 한계를 보완해 줄 수 있는 여러 보조 수단들을 사용하여 보이지 않는 창인 스텔스 전투기를 찾아내고 요격할 수 있는 전술들이 개발되고 있는 중인데요.
먼저 미국의 주요 경제 전문지인 비즈니스 인사이더에 게재된 “Here's why thermal imaging can't stop the F-22 or the F-35 (적외선 센서가 F-22나 F-35를 멈추게 할 수 없는 이유)”라는 제목의 기사를 번역해 보도록 하겠습니다. 이 기사를 통해서 적외선 탐지 및 추적장치 IRST의 한계점이 무엇인지를 살펴보고 이 기사가 게재된 이후 더욱 최첨단화된 기술 덕분에 IRST가 얼마나 더 향상이 되었으며 어떤 보조 수단들을 통해 IRST의 한계를 보완해 줄 수 있는지를 살펴보도록 하겠습니다.
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미국은 F-22나 F-35와 같은 저피탐성(low-observable: LO) 5세대 전투기 개발에 수십 년이라는 시간과 수 백조에 달하는 자금을 투자했지만, 최근 공개된 몇몇 적외선 열영상들은 이 전투기들이 그들이 주장하는 정도의 스텔스 성능을 실제로 보유하고 있는지 아닌지에 대한 논란을 불러 일으키고 있다.
지난달 영국 Royal International Air Tattoo 에어쇼에서 EC-135 유로콥터가 1억5000만 달러 한화 약 1,830억 원이라는 엄청난 가격을 자랑하는 크고 탐스러운 F-22 Raptor의 상세한 열영상 화면을 촬영했다.
8월 중순 FLIR에 의해 개발된 Star SAFIRE 380-HDC 열영상 시스템은 수직이착륙 스텔스 전투기 F-35B를 마치 대낮처럼 환하게 보여주었다. F-35A와 F-35B 두 종류 모두 기존 레이더로 탐지해 보려고 시도했을 때는 훌륭한 스텔스 기능을 보여주었지만, 이러한 적외선 이미지들은 열영상 촬영이 이들에게 실질적인 위협이 될 수 있다는 것을 보여준다.
영국 왕립 합동군사연구소의 공중전 전문 연구원인 저스틴 브롱크(Justin Bronk)에 따르면 적외선 탐지 및 추적(IRST) 시스템이 현대 전세계 공군으로 확산되고 있다고 한다.
"IRST는 액체수소나 액체질소를 이용하여 센서를 극저온으로 냉각시키고 이 냉각된 센서를 통해 외부와 대비되는 온도 차이를 찾습니다. 보통 전투기가 비행하는 고도의 공기는 매우 차갑고, 초음속을 넘나드는 속도로 움직이는 전투기 기체는 배기열과 공기와의 마찰로 인해 온도가 많이 올라가기 때문에 외부와의 온도 차가 크다는 점에 IRST는 착안하고 있습니다."라고 브롱크 연구원은 비즈니스 인사이더에게 말했다.
(중요한 보충 설명을 드리자면 브롱크 연구원이 설명하는 대로 이 기사가 나온 시점인 2017년 전에는 IRST의 적외선 센서는 액체산소나 액체질소를 통해 절대온도 77K 즉, 섭씨 마이너스 196도에 가까운 온도까지 냉각되어야만 했습니다. 이러한 냉각 조건은 막대한 비용, 크기, 전력 소모를 야기하며 전투기에 탑재될 수 있을 만큼 소형으로 만들기 위해서는 성능에 많은 제약이 가해질 수 밖에 없었던 것입니다. 하지만 과학기술의 발전과 더불어 양자우물구조[Quantum Well]을 활용하여 적외선 광 검출기를 제작할 수 있게 되었습니다. 이 양자우물 적외선 검출기 QWIP는 기존의 적외선 센서와는 달리 낮은 온도로 냉각할 필요가 없기 때문에 정확성과 탐지 거리에서 매우 뛰어난 성능을 그대로 유지한 채 소형화가 가능합니다. 다른 자료에 따르면 QWIP 적외선 센서를 채택한 최신형 IRST는 F-35A를 약 60km 전후 거리에서 탐지가 가능하며 초음속 순항상태로 비행하고 있는 F-22라면 100km 전후에서 탐지가 가능한 것으로 알려져 있습니다. 역주)
게다가, 지난 10여 년 동안 주어진 문제를 해결하기 위한 명령들로 구성된 일련의 순서화된 절차인 알고리즘 능력에서 컴퓨터는 경이적인 발전을 거듭해 왔다. 이는 곧 IRST 시스템이 열영상 이미지 판단에 있어 오류를 더 잘 걸러낼 수 있으며 엄청난 열을 내뿜으면서 빠르게 움직이는 덩치 큰 표적물을 수동적으로 탐지하는 일을 보다 더 훌륭하게 해낼 수 있다는 것을 의미한다.
특히 유로파이터 타이푼의 적외선 탐지 능력은 섬뜩할 정도이다. 브롱크 연구원의 말에 따르면 유로파이터 타이푼은 "믿을 수 없을 정도로 작은 열"을 먼 거리에서도 발견할 수 있다고 한다. 그는 아마도 달 표면 위에서 행해지는 캠프 파이어도 타이푼이라면 발견할 수 있을 것이라는 농담도 곁들였다.
"이론적으로 최신형 적외선 탐지 및 추적장치(IRST)는 F-22 Raptor를 꽤 먼 거리에서 찾아 추적할 수 있습니다"고 브롱크 연구원은 말했다. 그는 계속해서 스텔스기는 일반적으로 더 많은 양력을 만들어 내기 위해 더 큰 날개를 필요로 한다고 설명했다.
더욱 심각한 것은 스텔스 전투기들에게 코팅되어 있는 레이더 흡수 물질들은 쉽게 가열되는 특성을 가지고 있기 때문에 비록 제트 전투기의 배기가스를 잘 숨겼다고 하더라도 온도가 올라간 레이더 흡수 물질이 원인이 되어 결국 적외선 탐지 장치에 쉽게 탐지되어 버린다는 것이다.
그러나 이론과는 별도로 스텔스 전투기와의 공중전은 일어나지 않을 가능성이 크다. 비록 유로파이터 타이푼이 세계 최고 성능의 IRST를 가지고 있다고 치더라도, 저 넓은 하늘 어디에서부터 F-35를 찾아야 하는지를 알 수 있는 방법이 없기 때문이다. "적외선 센서가 있더라도 당신은 여전히 어느 방향을 찾아봐야 할지를 미리 알고 있어야만 합니다."라고 브롱크 연구원은 말했다. "하지만 그건 거의 불가능한 일이죠."
첫째로 주도권 다툼이 치열한 전장에서는 엄청난 혼란 상황과 온갖 종류의 미사일에 의한 위협 상황이 존재한다. 둘째로, 적외선을 사용하는 IRST는 날씨에 의해 큰 영향을 받는다. 고온 다습한 지형에서는 제대로 사용하기가 쉽지 않기 때문에 하늘이 서늘한 밤에 IRST는 더 잘 작동한다.
하지만 날씨가 좋은 날이라고 해도 적외선 탐지 장치(IRST)로 5세대 스텔스 전투기를 찾는 것은 빨대를 통해 보이는 구멍으로 광활한 하늘을 보는 것과 같다고 브롱크 연구원은 말했다. IRST로 한번에 수색할 수 있는 범위는 상당히 좁은 편이기 때문에 전파 레이더처럼 광범위한 섹터를 스캔 하는 것은 IRST에게 훨씬 더 어려운 작업이 될 수 밖에 없다.
한편 스텔스 기능은 5세대 전투기가 지니고 있는 여러 강점들 중 하나에 불과하다. 오히려 F-35나 F-22의 상황 인식 능력은 5세대 전투기가 지니고 있는 다른 강점들 중에서도 명백하게 중요성이 더 높은 자산이다.
브롱크 연구원은 "스텔스 기능이 전투기를 찾기 어렵게 은폐시켜주는 것은 맞지만 스텔스 기능으로부터 얻을 수 있는 가장 큰 이점은 바로 이동의 자유를 보장받는다는 것입니다."라고 말했다. 그런 자유로운 이동 능력을 이용하여, 5세대 전투기는 적기들을 피할지 교전을 할지 아니면 교전을 하더라도 어떻게 하면 자신들에게 유리할지를 선택할 수 있다.
그래서 다른 나라의 구세대 전투기들이 빨대 구멍 크기의 시야로 하늘을 스캔 할 수 밖에 없는 반면, 마치 몇 킬로미터 떨어진 곳에서 흘린 한 방울의 피 냄새를 감지하는 상어처럼 미국의 5세대 전투기들은 먼 곳에서도 적기의 흔적을 예민하게 감지할 수 있다.
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미국의 주요 경제 전문지인 비즈니스 인사이더에 게재된 “Here's why thermal imaging can't stop the F-22 or the F-35 (적외선 센서가 F-22나 F-35를 멈추게 할 수 없는 이유)”라는 제목의 기사를 번역해 보았습니다.
이 기사를 통해 먼저 F-22와 F-35같은 레이더에 탐지되지 않는 스텔스 전투기라고 하더라도 적외선 탐지 장치를 회피하기는 불가능하다는 사실을 알 수 있습니다. 기사에서는 적외선 탐지 장치인 IRST가 날씨의 영향을 많이 받고 탐지할 수 있는 범위가 극히 좁다는 문제점을 지적하고 있습니다.
먼저 IRST가 고온 다습한 날씨의 영향을 많이 받는다는 점을 분석해 보면 기존의 적외선 검출기가 센서를 절대온도인 마이너스 273도에 가까울 정도로 냉각시켜 탐지 대상 주변과의 온도 차이로 목표물을 인식했기 때문에 그런 문제점이 강하게 부각되었다고 볼 수 있습니다. 액체질소나 액체산소로 센서를 냉각시키는 장치는 부피도 크고 많은 전력을 소모해야 하는데 이를 전투기에 탑재가 가능한 수준으로 소형화시키다 보니 성능이 많이 저하되었다는 뜻이기도 합니다.
하지만 제가 영상 중간에 역주로 설명을 드렸듯이 반도체로 통제할 수 있는 양자우물형 적외선 광검출기(QWIP)가 개발되면서 상온에서도 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는 IRST가 개발되었습니다. 예전에 비하면 날씨의 영향도 적게 받고 탐지거리도 많이 늘어났죠. F-35를 60km, F-22를 100km 정도에서 발견할 수 있다고 하니까요. F-22가 더 멀리서 탐지되는 이유는 덩치도 더 큰데다가 엔진이 둘 달린 쌍발 제트기이고 초음속 순항, 슈퍼 크루징을 하고 있으면 더 많은 열을 발생시키기 때문입니다.
혹시 이 부분 때문에 뭐야, 그럼 F-22보다 F-35가 더 좋단 말이야? 라고 생각하시는 것은 큰 오해입니다. 절대적으로 F-22가 F-35보다 생존성과 전술 활용성에서 더 우위를 차지하고 있습니다. 이 부분에 대해서는 다음 영상에서 상세하게 설명할 기회가 있으리라 생각합니다.
기사가 지적한 IRST의 두 번째 문제점이 바로 IRST의 탐지 범위가 너무 좁다는 점인데요. 영국 합동군사연구소의 공중전 전문 연구원인 저스틴 브롱크(Justin Bronk)는 이를 음료수 빨대 구멍으로 하늘을 관찰하는 격이라고 표현하고 있습니다. 광활한 하늘을 그 정도의 좁은 탐지 영역으로 수색하는 것은 불가능에 가깝기 때문에 이론적으로는 IRST로 스텔스 전투기를 탐지할 수 있겠지만 실질적으로는 스텔스 전투기 탐지가 어렵다는 논리입니다.
이를 반대 해석하면 넓은 하늘 어디를 찾아야 할지를 알 수 있다면 그 부분만 집중적으로 IRST로 수색하여 탐지가 가능하다는 의미가 되기도 합니다. 게다가 요즘 4.5세대 전투기들은 우수한 데이터 링크 기능을 보유하고 있어서 많은 수의 전투기들이 모인다면 데이터 링크 기능을 통해 IRST 수색 데이터를 공유, 더 빠르고 정확하게 스텔스 전투기의 위치를 파악할 수 있게 된다는 결론을 도출할 수 있습니다.
하지만 넓은 하늘 어디를 찾아야 하는지를 안다는 가정하에서나 가능한 일이다! 라는 반론이 있을 수 있습니다. 스텔스 전투기가 어디서 오고 있는지를 어떻게 안다는 말이냐? 라는 문제에 봉착한다는 뜻입니다. 여기서 등장하는 것이 바로 조기 경보기입니다.
미 해군은 78기의 E-2C/D 조기 경보기를 운용하고 있으며 추가로 45기의 E-2D 호크아이가 미 해군에 인도될 예정입니다. 미국 다음으로 E-2D 호크아이 조기 경보기를 가장 많이 운용하고 있는 국가가 바로 일본으로 13기의 E-2C를 이미 보유하고 있고 추가로 13기의 E-2D를 보유할 예정입니다.
E-2D 호크아이 조기 경보기의 가장 큰 특징은 바로 UHF 밴드 대역을 사용하는 AN/APY-9 AESA 레이더를 사용한다는 점입니다. 155화를 통해 잠시 설명을 드렸지만 F-22나 F-35 같은 대부분의 스텔스 전투기들은 2~4GHz의 대역을 사용하는 S밴드와 8~12GHz 대역을 사용하는 X밴드 레이더를 회피하도록 개발되어 있는데 기술로 따지자면 구시대 기술이라고 할 수 있는 300∼3,000MHz 대역의 극초단파UHF 레이더에는 오히려 취약하다는 특성을 가지고 있습니다.
그런데 E-2D 호크아이 조기 경보기는 바로 이런 UHF 주파수를 사용하는 AESA 레이더를 보유하고 있는데 AN/APY-9은 AESA 레이더임에도 불구하고 기계식 레이더의 장점도 일부 지니고 있어서 표적을 반경 560km라는 먼 거리에서부터 집중적으로 탐색할 수 있는 능력을 지닌 것으로 알려져 있습니다.
즉, E-2D 조기 경보기가 반경 560km의 범위 안에 스텔스기의 존재를 파악하면 대략적인 위치를 첨단 IRST를 지닌 4.5세대 전투기들에게 전송시키고 그 부분을 적외선 센서로 집중 탐색한다면 제아무리 스텔스 전투기라고 해도 노출되기 십상입니다. 미국이 괜히 UHF 밴드 대역의 AESA레이더를 개발한 것이 아니며 일본도 E-2D 조기 경보기를 서둘러 도입하고 있는 이유가 있다는 것입니다.
게다가 적외선 센서를 사용하는 IRST는 대략적인 위치만 파악할 수 있을 뿐 장거리 공대공 미사일을 발사할 수 있을 만큼 정확한 위치 파악은 어렵다는 지적도 있을 수 있습니다. 물론 적외선 탐지 기술이 더욱 발전할 미래에는 전투기가 뿜어내는 열만으로도 암람(AMRAAM)을 발사할 수 있을지도 모르겠지만 현재로써는 AESA 레이더의 도움을 받아야만 합니다. 적외선 탐지로 대략적인 위치를 파악한 다음 AESA 레이더를 집중적으로 조사(물체에 빛이나 에너지를 쬐는 행동)하여 정확한 위치를 파악한다는 의미입니다.
※ 이 포스팅을 작성하고 꽤 시간이 흐른 뒤 미 공군은 IRST로 장거리 공대공 미사일 암람을 유도하는데 성공했습니다. 좀 더 자세한 이야기는 다음 영상을 참고하세요. https://youtu.be/0-bvvsq8EVc
여기까지가 해외 기사들을 통해 추정되는 미 펜타곤이 확립하고 있는 대 스텔스 전투기 교전교리입니다. 사실 밀리터리 분야에 관심이 많고 정보를 찾아보신 분들께서는 조기경보기+IRST+AESA로 요약되는 스텔스 전투기를 상대로 한 교전교리를 이미 알고 계셨을 터입니다. 저는 그저 정보를 취합해서 밀리터리에 생소한 분들도 이해하시기 쉽게 풀어서 재배열하고 설명한 것뿐이죠.
여기에 전자전기의 활약도 사실 빼놓을 수가 없습니다. 스텔스 전투기를 상대하는데 전자전기는 무슨 관계냐고 의아해 하실 분들이 있을지도 모르겠는데요. 적외선 탐지 및 추적장치 IRST가 “수동적”인 센서라는 부분은 155화와 이번 156화를 통해 자주 언급하였습니다. 다른 말로 설명하자면 마치 박쥐가 초음파를 발산해서 반사되어 나온 파동을 통해 장애물을 인식할 수 있는 것처럼 레이더도 스스로 레이더파를 발산해야 목표물을 탐색할 수 있습니다. 하지만 적외선 감지장치는 상대방이 뿜어낸 열을 감지만 하는 것이기 때문에 수동적이라고 표현을 합니다.
만약 스텔스 전투기 조종사가 레이더를 켠다면 스스로 발사한 레이더파에 의해 자신의 위치가 드러나게 됩니다. 아무리 스텔스 형상을 취하고 전파 흡수 물질을 외부에 바르고 있더라도 스스로 레이더파를 발사하게 되면 위치가 드러난다는 뜻입니다. 따라서 대부분의 스텔스 전투기들은 조기 경보기의 도움이 필요하게 됩니다. 조기 경보기와의 데이터 링크 기능을 통해 레이더를 켜지 않고서도 필요한 상황인식을 할 수 있게 되는 것이죠.
그런데 만약 전자전기가 스텔스 전투기와 조기 경보기 사이의 데이터 링크 기능을 교란시켜버린다면 어떤 현상이 벌어질까요? 갑자기 눈 뜬 장님이 되어버린 스텔스 전투기는 레이더를 켜야만 하는 상황에 내몰릴 수 있습니다. 그리고 레이더를 켜는 순간 스텔스기는 자신의 위치를 고스란히 드러내게 됩니다. 이런 의미에서 대 스텔스기 교전교리에 전자전기도 꽤 중요한 역할을 맡게 됩니다. 155화에서도 설명 드렸지만 전자전기인 미 해군의 Growler가 모의전에서 F-22를 포착하고 격추시킨 전례가 있다는 점도 이와 무관하지는 않을 것 같습니다.
이렇게 2부에 걸쳐서 스텔스 전투기에 대한 대비책을 준비하고 있는 미국 펜타곤에 대한 해외 기사들을 번역하고 그에 대한 관련 자료들을 살펴보았습니다. 사실 일본도 중국의 J-20 그리고 대한민국의 F-35에 대한 대비책을 준비하고 있다는 언급들도 인터넷을 통해 접할 수 있는데요. 조기 경보기 E-2D의 지속적인 도입 그리고 4세대 전투기인 F-15J를 AESA 레이더와 첨단 IRST를 갖춘 4.5세대 전투기인 F-15EX 사양으로 업그레이드 시키고 있다는 점에 주목하고 있는 분석들입니다.
그러나 이렇게 스텔스 전투기들에 대한 교전교리가 확립되고 있다고는 하지만 실전에서는 어떤 결과가 나올지 아직 알 수 없는 일입니다. 물론 F-22와 F-35를 마음대로 활용할 수 있는 미국은 상당한 데이터를 이미 얻고 있을 테지만요. 앞으로 스텔스 전투기를 탐지하고 요격할 수 있는 전술이 생겨나더라도 F-22는 여전히 최고의 공중 우세기 라는 타이틀을 유지하는 반면 F-35의 경우에는 상당히 위험스러운 장면들이 연출될 가능성이 높아질 것이라는 추측들이 많습니다.
외신링크 https://www.businessinsider.com/irst-cant-stop-f-22-f-35-2016-8
Here's why thermal imaging can't stop the F-22 or the F-35
"In theory, state of the art IRST could find and track F-22 at quite long range." But aerial combat doesn't happen in theory.
www.businessinsider.com
이 포스팅을 유튜브 영상으로 보고 싶다면? https://youtu.be/mzLoXIzxfxA
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