1990년대 초반 미소 냉전 체계가 무너지고 중국과 일본의 군사 대국화가 진행되면서 위기를 느낀 대한민국 정부는 국방과학연구소(ADD)를 통해 생존을 위해 반드시 필요한 5가지 전략 무기를 선정하여 연구하기 시작했습니다. 이때 선정된 사업들이 바로 현무 탄도미사일 개발사업과 한국형 공격 잠수함 KSS-III (당시 SSX) 건조사업, 러시아 P-800 야혼트를 추종한 초음속 순항미사일 개발사업 등이며 한국형 전자전 체계 개발사업과 425사업으로 통칭되는 정찰위성 확보 사업도 이때부터 시작되었습니다.
그 중에서도 현무 탄도미사일과 초음속 순항미사일 그리고 한국형 전자전 체계 개발사업은 그 성격이 북한을 넘어 한반도 주변의 잠재적 적성국가들을 대상으로 하고 있음이 너무나도 선명하게 드러나는 사업이었기에 국회감사도 받지 않는 3대 비닉 사업으로 철저하게 비밀스럽게 진행되었습니다.
하지만 핵무기를 개발한 북한이 상시적으로 도발을 일삼으면서 억지력 확보 차원에서 현무 탄도미사일 시리즈가 공개되었고 이제 초음속 순항미사일 및 극초음속 순항미사일에 대한 정보들도 조금씩 공개되고 있습니다. 초음속 미사일과 극초음속 미사일이 어떻게 다르고 탄도미사일과 순항미사일이 어떻게 다른지는 KKMD 412화를 통해 설명을 드렸었죠.
오늘은 국내 기사 하나와 해외 기사 하나를 통해 대한민국이 개발하고 있는 극초음속 미사일 플랫폼 『하이코어』가 어떤 물건이며 어떤 식으로 우리 눈 앞에 등장하게 될 것인지에 대해 살펴보는 시간을 가져보도록 하겠습니다.
그 전에 먼저 이름은 숱하게 들어봤지만 항상 우리를 헷갈리게 만드는 램젯(Ramjet) 엔진과 스크램젯(Scramjet) 엔진에 대해 잠깐 정리해 볼까요? 예전에 시청자 한 분께서 댓글을 통해 설명해 달라고 요청해 주셨던 주제인데요. 살짝 어려운 이야기일 수도 있지만 제 능력이 닿는 범위 안에서 최대한 짧고 쉽게 설명할 수 있도록 노력해 보겠습니다.
화면 상단에 보이는 (a)가 바로 터보젯 엔진입니다. 현재 전투기와 순항미사일 등에 널리 사용되고 있는 터보젯 엔진은 공기흡입구에 터빈 블레이드를 여러 개 설치하여 외부공기를 압축시키고 여기에 연료를 섞어 연소시킴으로써 추진력을 얻습니다.
하지만 비행체의 속도가 마하 2.5를 넘어서게 되면 공기를 압축시키기 위해 회전하며 돌아가는 터빈 블레이드 자체가 오히려 방해물로 작용하게 됩니다. 이 때 터빈 블레이드를 없애고 대신 원뿔 형태로 생긴 마하콘을 사용해 공기를 압축하고 여기에 연료를 분사해 연소를 수행하는 엔진이 램젯(Ramjet)입니다. (b)로 표시된 그림의 엔진이죠. 램젯(Ramjet) 엔진이 제대로 작동을 하기 위해서는 유입되는 공기의 속도가 반드시 마하 1 이상이어야 한다는 전제조건이 있다는 점도 기억하시면 좋고요. 램젯 그림을 자세히 보면 공기 흡입구와 마하콘이 만나는 부분에 파란색 영역으로 표시된 잘록한 부분이 있는데요. 이 부분에서 압축된 공기는 초음속에서 아음속으로 감속이 됩니다.
마지막 (c)그림으로 표시된 것이 스크램젯(Scramjet) 엔진인데요. 마하콘의 생김새가 램젯과는 확연하게 차이가 납니다. 그림의 파란색 영역에 잘록해지는 부분이 없어 공기가 좀 더 유연하게 흘러 들어올 수 있도록 생겼다는 사실을 알 수 있는데요. 스크램젯(Scramjet) 엔진은 램젯(Ramjet) 엔진과는 달리 초음속으로 유입된 공기를 아음속으로 감속시키지 않고 연소를 진행합니다. 초음속으로 압축된 공기를 이용하여 추진력을 얻기 때문에 가장 강력한 힘을 발생시킬 수 있죠. 스크램젯(Scramjet)이란 이름 자체가 초음속 연소 램젯(Supersonic Combustion Ramjet)의 약칭입니다.
즉, 마하 3~4 정도의 속도를 지속적으로 내기 위해서는 터빈 블레이드를 배제하고 그 대신 마하콘을 사용하여 공기를 압축하여 사용하는 램젯이 필요하지만 마하 5 이상의 극초음속을 내기 위해서는 초음속으로 유입되는 공기를 그 속도 그대로 활용할 수 있는 스크램젯 엔진이 필요하다는 뜻입니다.
412화에서도 설명 드렸듯이 마하 5 이상 속도를 내는 극초음속 미사일의 경우 공기가 압축되어 가열되는 공력가열 현상으로 인해 온도가 섭씨 1,000도 이상 올라갈 수 있습니다. 때문에 이런 공력가열을 견딜 수 있는 소재를 개발할 수 있는 『재료공학』의 발달 여부가 극초음속 미사일 개발에 있어서 중요한 요소가 될 수 밖에 없는데요. 극초음속 미사일이 고도를 되도록 20km 이상, 최고 속도를 마하 10으로 제한하고 있는 이유도 그보다 고도가 낮아지면 공기의 밀도가 높아져 공력가열 현상이 심화되기 때문이고 고도가 충분히 높더라도 속도가 너무 빠르면 역시 공력가열 현상이 심화되어 미사일이 견디지 못하기 때문입니다.
아까 보셨던 그림에서도 알 수 있듯이 엔진구조 자체는 복잡한 터빈 블레이드가 필요 없는 램젯과 스크램젯 쪽이 훨씬 더 단순하기 때문에 오히려 생산 자체는 수월한 편이라고 합니다. 초고온의 공력가열을 이겨낼 수 있는 내열성 강한 소재를 만들어 낼 수 있다면 말이죠.
대한민국은 2004년 경제위기로 휘청거리고 있던 러시아 NPO 마시노스트로예니아(Mashinostroyenia)사로부터 P-800 야혼트 초음속 미사일에 사용되고 있던 램젯 기반 기술을 천재일우로 도입할 수 있었습니다. 지금이라면 도입 자체가 불가능할 정도로 중요한 핵심기술이었지만 당시 러시아 정부의 영향력이 제대로 발휘되지 못했던 시대 상황 덕분에 상대적으로 저렴한 비용을 지불하고 기술을 확보할 수 있었습니다.
국방과학연구소는 이렇게 입수한 러시아 기술을 바탕으로 마하 3의 속도를 낼 수 있는 야혼트급 초음속 순항미사일 개발을 완료할 수 있었고 현재 마하 5의 이상의 속도를 낼 수 있는 극초음속 플랫폼 『하이코어』를 개발하고 있는 중입니다. 올해 2022년과 내년 2023년 중에 두 번의 테스트 비행이 있을 것이라고 국방과학연구소는 밝혔는데요. 『하이코어』 테스트 비행이 성공한다면 대한민국은 극초음속 미사일 개발 완료까지 절반의 성공을 거둔 셈이 됩니다.
제가 절반의 성공이라고 이야기한 이유는 『하이코어』가 극초음속 비행체 연구를 위해 만들어진 테스트 플랫폼이기 때문입니다. 극초음속 순항미사일을 실전무기로 개발하여 배치하기 위해서는 소형화나 경량화 같은 별도의 과정이 따로 필요합니다. 현재 알려지고 있는 극초음속 비행체 『하이코어』의 제원은 총길이 8.7m에 2.4톤의 무게를 지니고 있으며 스크램젯으로 구동되며 20km 고도에서 마하 5의 속도로 비행할 수 있습니다.
이와는 달리 러시아 P-800 야혼트 초음속 미사일을 추종하여 만들어진 한국형 초음속 미사일은 KSS-III 공격잠수함에 탑재될 잠대함 버전과 KF-21 보라매에 장착될 공대함 버전으로 만들어질 예정입니다. P-800 야혼트 초음속 미사일은 원래 전장 8m에 직경 0.7m 무게가 3톤이나 나가는 거대한 덩치를 자랑하고 있었기 때문에 잠대함, 공대함 버전으로 쓰이기 위해서는 상당한 수준의 소형화가 요구되었죠.
각고의 노력 끝에 한국형 초음속 순항미사일의 크기는 7m 이하로, 무게는 1.5톤 이하로 경량화시킬 수 있었다고 하는데요. 초음속 순항미사일은 극비사업인 탓에 상세한 성능과 스펙이 공개되지 않고 있으며 흩어져 있는 단편적 자료들을 바탕으로 추정치만이 회자되고 있습니다. 관계 엔지니어들은 “당시만 해도 초음속 미사일 체계의 복잡성을 잘 몰랐기 때문에 사업을 시작할 수 있었다”고 회고하고 있는데요. 이 정도로 힘들고 어려운 작업이 될 줄 미리 알았다면 아마 엄두조차 내지 못했을 것이라는 뜻이겠죠.
정리를 해보자면 한국형 ‘초음속’ 순항미사일은 KSS-III, KF-21에 탑재가 가능할 정도로 소형화, 경량화가 이미 상당한 수준으로 이루어져 있는 상황이지만 2.4톤 무게의 ‘극초음속’ 순항 비행체 『하이코어』는 아직 개발이 완전하게 끝나지 않아 소형화, 경량화가 이루어져 있지 않은 테스트 플랫폼이라는 것입니다.
지금까지 말씀 드린 내용을 바탕으로 국내 기사 하나와 해외 기사 하나를 살펴보겠습니다. 시간 관계상 이 기사들에서 필요한 부분만 발췌해서 살펴 볼 생각입니다.
먼저 아시아경제 신문이 2022년 1월 13일 보도한 기사입니다. “북한이 최대속도 마하10의 극초음속 미사일 개발에 성공했다고 주장하면서 남북 간 군사력 불균형 문제가 떠올랐다. 우리 군도 이에 맞서 극초음속 미사일 개발에 속도를 내고 있다”라고 보도하고 있습니다.
412화에서도 설명 드렸지만 북한의 화성 8형은 중국 둥펑-17과 같은 부스트 글라이드 방식의 극초음속 ‘탄도’미사일입니다. 탄도 미사일이기 때문에 일단 대기권 밖으로 벗어나야 하며 고도 50km 정도에서 충격파를 이용한 상하 운동을 하면서 글라이드 비행을 하게 됩니다. 하지만 화성 8형은 고도 30km 정도에서 마하 2.5정도 속력으로 비행하는데 그쳤습니다. 이 정도를 ‘극초음속’이라고 부르기에는 상당한 무리가 있으며 ‘순항’ 미사일도 아닌 ‘탄도’ 미사일이기 때문에 비행 궤도도 상대적으로 단조로운 편입니다. 그래서 사드(THAAD)나 KAMD 같은 최신 미사일 방어체계로 충분히 요격이 가능하다는 분석이 나온다고 설명 드렸죠.
대한민국이 개발하고 있는 초음속 미사일과 극초음속 미사일 모두 자유로이 비행 경로를 변경시킬 수 있는 ‘순항’ 미사일입니다. 현무 Ⅳ 탄도미사일을 응용하여 극초음속 부스트 글라이드 탄도미사일을 만들고 있다는 ‘소문’은 있지만 극비 사업인 만큼 확인된 적은 없고요. 위협도 측면에서는 최소 마하 5 이상의 속도를 낼 수 있으며 순항비행을 하는 대한민국 『하이코어』가 몇 배 더 무서운 위력을 가지고 있습니다.
“국방과학연구소(ADD)는 지난해 사전개념연구 결과 국내 기술 수준과 KF-21 무장 탑재중량을 감안하면 사거리 500㎞ 이상, 속도 마하 5 이상의 극초음속 미사일 개발이 가능할 것이라고 판단했다. 이에 ADD는 지상발사형 극초음속 비행체를 개발해 내년 비행시험까지 완료한다는 계획이다. 이 비행체를 바탕으로 극초음속 미사일을 개발해 서울 상공에서 발사하면 250㎞ 떨어진 평양까지 1분 15초면 도달할 수 있다.” (아시아경제)
이 기사에서 언급되고 있는 사거리 500km 이상, 속도 마하 5 이상의 지상발사형극초음속 비행체가 『하이코어』를 의미한다는 사실은 눈치채셨을 것입니다. 2분 30초면 북한 전 지역을 타격할 수 있는 무시무시한 위력을 지녔습니다. 하지만 이미 설명 드렸듯이 『하이코어』는 아직 테스트 플랫폼으로 길이 8.7미터에 무게 2.4톤이며 탄두도 장착되어 있지 않습니다.
아시아경제는 ‘극초음속 미사일’을 KF-21에 장착하는 것이 가능하다는 국방과학연구소의 사전개념연구 결과를 인용해 보도하고 있지만 이는 결코 쉽지 않은 과정이 될 것이라는 사실을 능히 짐작할 수 있습니다. KF-21에 장착하기 위해서는 길이 7미터 이하, 중량 1.5톤 이하라는 조건을 만족해야 하기 때문입니다.
게다가 극초음속 미사일을 경량화시킬 수 있다고 해도 기체와의 통합을 위한 여러 테스트를 거쳐야만 하는데 현재 우리 공군이 보유하고 있는 전투기들 중 이 정도 대형 무장을 장착할 수 있는 존재는 F-15K밖에 없습니다. 하지만 자국 전투기에 외국 무장이 통합되는 것을 좋아하지 않는 미국이 F-15K로 극초음속 미사일 통합 시험을 하는 것을 허용해 줄 리가 없죠. 즉, KF-21의 공식적인 체계 개발이 끝나는 2026년은 되어야 국내 기술로 만들어진 각종 무장들과 극초음속 미사일, 초음속 미사일에 대한 본격적인 통합 테스트가 이루어질 수 있는 토양이 마련된다는 뜻이 됩니다. 국산 플랫폼 KF-21 보라매의 탄생이 지니고 있는 의미를 다시 한번 되새길 수 있는 부분이죠.
전투기를 수출하는 미국 입장에서 보자면 이러한 제한은 이해되는 면이 있습니다. 자국의 공중우위를 지키기 위한 수단이니까요. KF-21을 수출해야 하는 우리 입장에서도 KF-21을 도입한 나라들이 아무런 제한 없이 KF-21을 뜯어보고 개조한다든지 KF-21을 테스트 베드로 사용하여 우리가 알지도 못하는 무기들을 개발하겠다고 한다면 허용해주기 어려울 것입니다.
그러나 최근 미국은 중국을 견제하기 위해 대한민국의 국방력 강화를 환영하는 입장이기 때문에 F-15K에 국산 초음속 공대함(공대지) 미사일을 통합하겠다고 나선다면 통합을 허가해 줄 가능성이 매우 높다고 전문가들은 지적합니다. 다만, F-15K에 타우러스 장공지를 통합해 줬을 때처럼 보잉에 각종 기술자료를 보내면 미국에서 통합 테스트를 진행한 후 데이터는 자기들이 보관하고 통합 결과물만을 전달해 주겠죠. 물론 이 과정에 대해 대한민국 정부는 엄청난 금액의 비용을 지불해야만 할 것입니다.
그 다음으로 살펴 볼 해외 기사는 미국의 군사 전문지 War Zone이 2022년 4월 26일 게재한 기사 내용입니다. 개략적인 내용은 미 공군이 F-15EX를 애초에 기획되어 있던 144대보다 훨씬 줄어든 숫자인 80대 규모로 도입할 예정이라는 것인데요. 미 공군은 F-15 C/D를 F-15EX Eagle II와 1:1로 교체하려던 기존의 계획을 수정하여 F-15E를 우선적으로 F-15EX Eagle II 사양으로 개량하여 특별한 임무를 수행하는 별도의 전력으로 운용한다는 구상을 보여주고 있습니다.
눈에 띄는 것은 F-15EX Eagle II의 특별한 임무 중에 극초음속(Hypersonic) 미사일 발사 플랫폼으로써의 기능이 언급되고 있다는 사실입니다. 당분간 기술적인 문제로 극초음속 미사일은 상당한 크기와 무게를 지닐 수 밖에 없는데요. 러시아 지르콘 극초음속 미사일이 3톤 가까운 무게를 지니고 있을 것으로 추정되고 있고 인도 공군이 F-15K급 크기를 지닌 Su-30 MKI에서 운용하고 있는 브라모스-A도 2.6톤의 무게를 지니고 있습니다. 미 공군이 가까운 시일 내에 극초음속 순항미사일을 개발하는데 성공한다면 이를 운용할 수 있는 최적의 플랫폼이 바로 F-15 EX가 될 것이라는 뜻이죠.
따라서 대한민국이 개발 중인 길이 8.7m, 무게 2.4톤의 극초음속 비행체 『하이코어』 역시 EX 버전으로 개량될 F-15K에서 소형화, 경량화 작업을 거치지 않고도 현 상태 그대로 운용이 가능하다는 결론이 나옵니다. 테스트 플랫폼인 『하이코어』는 여러 계측 장치가 달려있어 공간을 차지하고 있고 탄두도 장착되어 있지 않지만 중량 500kg의 극초음속 비행체가 마하 5 이상의 속도로 전투함에 직격 한다면 AGM-84 하푼의 탄두가 폭발하는 때와 같은 정도의 위력을 얻을 수 있습니다. 직접 전투함을 지휘하는 해군 관계자가 집필한 논문에 보면 이런 극초음속 미사일에 직격 당한다면 웬만한 크기의 전투함이라도 데미지 컨트롤이 의미 없을 것이라는 소리가 나올 정도죠.
원래라면 테스트 플랫폼인 『하이코어』가 무기화되기까지 10년 이상의 시간이 걸리는 것이 일반적이겠지만 공대함 버전의 경우 사용할 수 있는 치트 키(Cheat key)가 있습니다.
지상을 기반으로 하는 극초음속 미사일은 스크램젯(Scramjet) 엔진을 가동시키기 위해 2단으로 구성된 추진체계를 갖추고 있습니다. 『하이코어』의 경우 나로호에 사용된 1단 부스터를 사용하여 고도 10km, 램젯(Ramjet) 엔진 가동에 필요한 절대 조건 마하 1 이상의 속도를 얻어낸 뒤 1단 부스터를 분리합니다. 이후 램젯을 가동하여 마하 2~3의 속도에 도달하게 되면 스크램젯을 2차로 가동하여 마하 5 이상의 속도로 가속하게 되는 구조입니다.
그런데 전투기로 운반되는 공대함 버전의 극초음속 미사일은 마하 1에 가까운 속도와 고도를 처음부터 얻어낼 수 있기 때문에 1단 부스터가 필요 없어집니다. 바로 램젯을 가동시킬 수 있는 시퀀스를 갖추게 되죠. 그만큼 소형화, 경량화가 쉬워진다는 뜻입니다. 『하이코어』가 공대함 미사일로 쓰이는 경우 1단 부스터 자리에 대신 연료탱크를 추가해 사거리를 늘리고 탐색기(Seeker)를 장착한 뒤 빠른 속도와 그에 따른 운동 에너지를 최대한 활용할 수 있는 중금속 소재 관통자를 탄두로 탑재한다면 의외로 무기화 과정을 단축시킬 수 있습니다. 일단 2.4톤의 중량이라도 F-15K에서는 운용이 가능하다는 점이 중요하죠. 향후 『하이코어』를 1.5톤 이하 무게로 만들어 경량화에 성공한다면 KF-21 보라매에 탑재하는 것도 가능해집니다.
하지만 한가지 잊지 말아야 할 부분은 지상 기반이나 해상 기반의 경우와 다르게 ‘감항인증’ 문제가 발생한다는 사실입니다. 발사관 안에서 안전하게 보호되는 지상형 및 해상형과는 달리 공대함 버전은 전투기 외부에 장착이 됩니다. 악천후 속에서 미사일 안에 비가 스며들 수도 있고 영하 40도에서 영상 40도까지를 오가는 온도 변화도 견뎌내야 합니다. 이런 악조건 속에서도 제대로 된 작동을 보장한다는 증명이 바로 ‘감항인증’인데 이는 수많은 비행 테스트를 통해서만 해결할 수 있습니다. F-15K에 장착하려면 아까 말씀 드렸던 통합 문제가 다시 불거진다는 소리죠. 물론 보잉에 돈과 데이터만 넘겨 준다면 통합 문제도 해결 될 수 있습니다. 하지만 앞으로 영원히 그런 과정을 반복할 수는 없는 일이겠죠.
일단 『하이코어』를 기반으로 한 공대함 극초음속 미사일이 실용화된다면 그 사거리가 500km를 넘어설 것으로 보이기 때문에 1,000km 이상을 전투범위로 삼는 미(美) 항모전단의 해군 대공통합 화력통제 NIFC-CA급 탐색 및 추적 능력을 갖추지 않는 한 조기발견이 어렵습니다. 발견하더라도 마하 5 이상의 빠른 속도로 움직이기 때문에 마하 3.5의 속도와 데이터 링크 및 능동 유도방식을 갖춘 SM-6 정도라야 요격 기회를 얻을 수 있을 것으로 보입니다. 현존하는 단거리 대공 미사일들 중에는 마하 5 이상의 표적에 대응할 수 있는 것은 없으며 근접방어시스템 CIWS 역시 충돌코스를 바꿀 수 없어 역부족일 것으로 추정되고 있습니다.
현재 극초음속 공대함 미사일에 대한 그나마 유효한 방어책은 되도록 멀리서 발사 플랫폼인 전투기 자체를 타격하거나 최대한 멀리서 탐지하여 SM-6를 이용한 초수평선 타격을 시도하는 것으로 보입니다. 그래서 미 공군은 해군 대공통합 화력통제 니프카(NIFC-CA)에 스텔스 전투기 F-35B와 F-35C를 참여시켜 그 범위를 1,500km에서 1,800km까지 확장시키려는 노력을 기울이고 있습니다. 무인 급유기 MQ-25 스팅레이의 등장도 여기에 한 몫을 하게 될 것이고요.
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