550~1250㎏ 핵탄두 탑재, 270~550㎞ 사거리, 정확도 10m 타격 가능
사거리 420㎞는 750㎏ 핵탄두, 사거리 270㎞는 1250㎏ 핵탄두
저각궤도 비행하다 종말단계서 빠른 속도 낙하
비행고도 낮아 레이더 추적 및 요격 어려워
엄청난 국방비 투입하는 한국형미사일방어체계 무력화될 수도
노후화된 저성능 스커드 빠른 속도로 대체할 것
노동신문이 5월 5일 ‘북한판 이스칸데르’ 미사일 발사 장면을 공개했다.
국방부는 처음에는 탄도미사일이라고 규정했다가 ‘불상의 발사체(Projectile)’로 정정했다. 6월 1일 “단거리미사일”(정경두 장관)임을 인정하면서도 탄도미사일인지는 “정밀분석 중”이라고 밝혔다. 북한이 그간 탄도미사일 시험발사를 잇따라 수행했지만 대부분 중장거리미사일이었다. 새로운 유형의 단거리미사일 개발은 제한적이었다는 의미다. 그런데 5월 단거리미사일 발사시험을 한 것이다.
북한이 5월 시험발사한 단거리미사일은 종심이 짧은 한반도 환경에서 엄청난 위협이 아닐 수 없다. 북한이 보유한 스커드미사일은 액체추진제를 사용한다. 액체추진제 미사일은 연료 충전에 시간이 걸리는 약점이 있다. 북한은 기존의 노후화된 저성능 스커드미사일을 신형 단거리미사일로 대체할 것으로 보인다. ‘신형 고체추진제 단거리미사일’의 특성과 성능을 파악해 위협에 대응할 방안을 마련하는 것이 무엇보다도 시급하다.
시뮬레이션을 통해 북한이 시험발사한 신형 고체추진제 단거리미사일의 비행궤적 특성과 성능을 분석했다. 북한이 5월 발사한 단거리미사일에 대해 한국에서 이뤄진 최초의 시뮬레이션이다. 지금부터 북한이 개발한 신형 단거리미사일의 실체에 접근해보자.
회피기동 수행 시 ‘유사 탄도궤적’
최근에는 기술이 발전하면서 추력 및 방향제어용 소형추진시스템 등을 이용해 정점고도를 낮추고 하강단계에서 회피기동(속력을 증감하거나 진로를 바꾸는 것)까지 수행하는 유사 탄도궤적(Quasi Ballistic Trajectory)의 탄도미사일을 개발하는 경우가 많다. 통상적으로 유사 탄도궤적을 형성하는 미사일도 탄도미사일로 간주하기에 북한이 5월 시험발사한 신형 미사일(미국은 KN-23으로 명명)은 탄도미사일로 분류해야 마땅하다.
탄도미사일의 비행궤적은 연소종료 시점의 속도, 에너지 및 자세 등에 따라 결정된다. 비행궤적은 연소 종료 시 발사각을 조절하는 방법으로 크게 세 가지로 나눈다.
①고각궤적은 탄도미사일을 고각으로 발사할 때 얻어지며 종말단계에서 빠른 속도(마하 10~20)로 대기권에 진입하면서 공기저항에 의해 갑자기 속도가 줄어드는 경향을 보인다. 2016~2017년 북한은 무수단, 화성-12, 14 및 15와 같은 중·장거리미사일을 고각발사를 통해 정점고도를 극대화하면서 사거리를 최소로 줄여 동해 바다에 떨어뜨렸다.
②저각궤적은 탄도미사일의 일반적인 정점고도보다 훨씬 낮은 고도 내에서 비행한다. 비행고도가 낮기 때문에 레이더 탐지 및 추적이 어렵고 상대가 대응할 수 있는 시간이 매우 짧다. 종말단계에서 탄도미사일의 급속한 하강이 가능하도록 기동한다.
③최소에너지궤적은 사거리가 최대로 늘어난다.
북한이 5월 시험발사한 신형 단거리미사일은 저각궤적을 사용해 50㎞의 정점고도를 찍고 하강한 것으로 알려졌다. 50㎞ 이내는 성층권 영역에 해당하며 열역학적으로 안정돼 있다. 대류 및 난류가 발생하지 않으며 공기밀도가 낮아 비행체·탄두 유도 제어에 유리하다.
美 패트리엇 시스템 무력화한 ‘이스칸데르’와 닮은꼴
이스칸데르 미사일(왼쪽)과 북한 신형 탄도미사일의 발사 형상 및 밴드 분리 모습.
이스칸데르 단거리미사일은 1950년대부터 전력화한 저성능의 액체추진제 미사일인 스커드를 대체하고자 러시아가 개발한 ‘고체추진제 신형 전술탄도미사일’이다.
이스칸데르의 추진시스템은 50㎞ 이하의 고도를 유지하면서 500㎞ 정도의 사거리를 가지며 낮은 유사 탄도궤적을 활용할 수 있을 만큼의 충분한 동력을 제공한다.
이스칸데르는 현대의 미사일방어(MD)체계, 특히 미국의 패트리엇 시스템을 무력화하고 목표에 대한 정밀한 타격을 위해 설계된 고정밀 전술탄도미사일이다.
이스칸데르는 탄두 분리 없이 종말단계에서 마하 6~7 정도의 극초음속으로 비행한다. 이 속도는 요격미사일체계인 패트리엇 시스템보다 빠르기에 요격이 쉽지 않다. 또한 비행의 종말단계에서 회피기동을 수행할 수 있으며 이는 요격미사일에 의한 요격 성공 확률을 최소화한다. 러시아는 2006년부터 이스칸데르 미사일을 실전배치하고 있으며 현재도 전력화를 진행 중인 것으로 알려졌다.
2014년부터 단거리미사일 20발 넘게 발사
북한은 2014년부터 비행거리 200㎞, 정점고도 50㎞ 수준의 단거리미사일을 20발 넘게 지속적으로 시험발사해왔다. 최근 5년간 여러 차례의 지상연소시험 및 시험비행을 통해 고성능의 신형 단거리미사일 기술 및 성능을 증진하고 검증해온 것으로 추정된다.시험비행을 계속하던 중 2018년 2월 ‘북한군 건군 70주년 기념 열병식’에서 갑작스럽게 올해 5월 발사한 단거리미사일과 크기 및 형상이 유사한 단거리탄도미사일을 처음으로 선보였다.
남북 및 북·미 정상회담 등으로 미사일 시험발사를 중단하다가, 2019년 2월 하노이 북·미 정상회담이 노딜(No Deal)로 끝나면서 5월 신형 단거리미사일 시험발사를 수행한 것으로 보인다.
지상시험 및 사전의 비공개 비행시험을 통해 신뢰성을 확보한 후 탄도미사일 시험발사를 공개적으로 수행하는 게 북한의 패턴이었다. 특히 5월 9일 발사한 탄도미사일은 평북 구성시에서 동쪽으로 발사해 내륙을 관통했기에 상당한 수준의 자신감 없이는 시험발사를 하기 어려웠을 것이다.
북한의 신형 단거리미사일과 유사한 저각의 비행궤적 및 종말단계에서 회피기동이 가능한 탄도미사일로는 인도의 프리트비 단거리 지대지탄도미사일이 있다.
인도는 1980년대 프리트비Ⅰ을 개발했다. 1990년대부터 실전배치된 프리트비는 Ⅱ 및 Ⅲ까지 파생형 미사일이 개발됐다. 프리트비Ⅱ는 미사일방어체계를 회피할 능력을 보유한 것으로 알려졌다. 사거리 250㎞로 분석되나 2011년 350㎞로 시험발사한 전례가 있다. 탑재 가능한 탄두중량은 500~1000㎏ 범위이며, 핵탄두 고폭탄 집속탄을 장착할 수 있다.
5월 4일, 9일 발사된 북한의 신형 단거리탄도미사일에서 두 가지 비행궤적을 특정할 수 있다.
①저각궤적 일반적인 탄도미사일과 다르게 사거리에 비해 매우 낮은 50㎞의 정점고도에 도달한 후 지표면에 탄착했다. 탄도미사일을 저각으로 발사하면 정점고도가 낮아져 레이저 탐지가 어렵다. 요격을 위한 대응 시간이 매우 짧아지는 것이다.
②회피기동 북한 조선중앙TV가 언급한 ‘특수한 비행유도방식’은 회피기동이 가능하다는 의미로 해석된다. 또한 이스칸데르 탄도미사일을 모방해 개발했을 가능성이 높은 점 등을 고려할 때 신형 탄도미사일은 회피기동 능력을 보유하고 있다고 볼 수 있다. 한국의 미사일방어체계 구축에 대응한 방안으로서 회피기동을 고려했을 것이다.
‘전혀 다른’ 탄도미사일
5월 9일 발사된 신형 단거리탄도미사일은 정점고도 50㎞에 사거리 270㎞ 및 420㎞의 결과를 보여줬다. 이는 일반적인 탄도미사일을 정상궤적으로 발사했을 때보다 낮은 고도를 유지하면서 저각발사를 수행했음을 나타낸다.
<그림3>을 살펴보면 이해가 쉽다. <그림3>에서 (a)는 정점고도 50㎞, 사거리 270㎞의 비행궤적에서 회피기동을 한 경우와 회피기동을 수행하지 않는 경우, 정상궤적으로 발사한 경우를 가정해 동일한 사거리의 최소에너지궤적과 비교한 것이다.
(b)는 정점고도 50㎞, 사거리 420㎞의 비행궤적에서 회피기동을 한 경우와 회피기동을 수행하지 않는 경우, 정상궤적으로 발사한 경우를 가정해 최소에너지궤적과 비교한 것이다. 사거리가 고정됐을 때 탄두중량이 가벼워지면 정점고도는 더욱 상승할 것이다.
<그림3>의 모든 비행궤적은 정상적인 탄도궤적이 아닌 정점고도를 50㎞ 수준 이하로 유지하도록 한 저각궤적의 ‘유사 탄도궤적’ 또는 ‘준탄도궤적’을 보여준다. 회피기동 시에는 정점고도에 도달한 후 탄도미사일 하단의 조종면 제어 또는 소형 구동기를 통한 추력편향으로 급상승(Pull-up) 또는 급하강(Pull-down) 기동을 수행해 활주 구간을 일부 가지면서 사거리를 늘리는 것으로 추정된다.
북한 신형 단거리탄도미사일이 요격회피 기동을 하면서 고도를 높이는 팝업(Pop-up) 기동 능력을 보유했는지는 현재로서 알 수 없다. 탄도미사일이 비행고도를 높이는 이유는 종말속도의 증가와 밀접한 관련이 있으나, 팝업 기동 과정에서 오히려 요격미사일에 타격 기회를 제공할 수 있다는 단점이 있다. 이와 유사한 개념인 급상승은 고도를 높이기 위한 목적보다는 수평비행(활공)의 전 단계 또는 불규칙한 궤적 패턴을 위한 용도로 쓰일 가능성이 클 것으로 추정된다.
결국 이번에 북한이 발사한 신형 단거리탄도미사일은 고체추진제를 사용하며 이동식 발사대(TEL)에 탑재돼 발사되기에 발사 준비시간이 짧으며 저각으로 발사해 레이더가 조기 탐지하기가 어렵다는 것은 확실하다. 다만 공개된 데이터만으로는 급상승, 급하강, 수직낙하(Dive) 등의 요격회피 기동능력을 보유했는지 판단하기 어렵다.
낮은 정점고도와 초보적인 회피기동 능력을 가졌다고 할지라도 현재 한국이 보유한 요격미사일로 대응하기에는 상당히 까다로운 탄도미사일로 추정된다. 기존의 스커드와 같은 단거리미사일과는 전혀 다른 새로운 기종의 탄도미사일로 우리에게는 새로운 위협이 등장한 것이다.
성능 분석을 위한 제원 추정 및 시뮬레이션
러시아 이스칸데르 탄도미사일을 모방해 북한이 새로 개발한 신형탄도미사일의 비행 특성 및 성능을 본격적으로 분석해보자.현재까지 공개된 미사일의 특성 데이터는 정점고도, 사거리, 미사일의 외형 및 추정 제원(미사일 형상을 통해 1단 로켓모터의 크기 추정 가능), 추력편향을 위한 제트 베인(Jet Vanes) 및 자세제어용 날개(공력을 이용해 방향 제어), 고체추진제 로켓모터(연소가스 형상 및 색깔로 추정), 이동발사대를 이용한 발사 등이다.
분석이 요구되는 특성 데이터는 비행시간(발사에서 탄착까지), 종말단계에서의 속도, 비행궤적, 고체로켓모터의 성능 데이터(추력, 연소시간) 등이며, 현재까지 공개된 데이터로는 회피기동에 의한 종말단계의 비행궤적 특성을 확인할 수 없기에 탄도미사일의 정확한 비행궤적을 결정하기는 어렵다. 다만, 종말단계의 회피기동 프로파일을 제외한 전체적 탄도궤적의 형상은 해석적으로 분석이 가능하다.
1단 추진제로켓 모터가 분리되고 탄두만 탄착하는지, 아니면 스커드미사일과 같이 1단 로켓의 분리 없이 미사일 동체가 탄착하는지도 불분명하다. 하지만 이스칸데르 탄도미사일이 탄두가 분리되지 않은 채 일체형으로 탄착한다는 사실과 북한 언론 매체에서 단 분리에 대한 언급이 없는 것으로 볼 때 탄두 분리 없이 일체형으로 비행하고 탄착하는 것으로 추정할 수 있다.
지금부터 누인 글씨체로 서술하는 부분은 성능 분석 시뮬레이션을 위한 제원 추정 및 가정을 정리한 것으로 내용이 어렵게 느껴지는 독자는 읽지 않고 건너뛰어도 무방하다.
고체추진제의 직경 및 길이는 로켓모터 케이스 및 절연층(Insulation Layer)의 두께를 제외하고, 로켓모터 상하부의 반구형 돔 형상 등을 고려해 직경 0.9m, 길이 3m의 실린더 모터 케이스로 가정해 분석했다. 고체추진제의 점화를 위한 점화장치 및 그레인(Grain)의 비율은 별(Star) 형상의 그레인을 가정하고 이상적인 추진제 두께 비가 0.3~0.4 정도인 것을 감안해 추진제의 벽 두께와 그레인 최대 반경의 비를 0.3으로 가정했다. 북한 신형 단거리미사일의 로켓모터는 북극성 1호의 고체추진제 로켓 및 추진제 제원과 비교해 1단 고체추진제의 연소시간을 40초로 가정했다.
로켓의 고체추진제로 사용되는 탈수산화부타디엔(HTPB)의 밀도는 약 1750㎏/㎡, 이중기저 추진제(Double-based Propellant)의 밀도는 1500~1600㎏/m3으로 알려져 있다. 북한의 고체추진제 기술능력 및 개발 수준을 고려해 기존 북극성-1 SLBM(잠수함발사탄도미사일)과 유사하게 신형탄도미사일의 추진제 HTPB의 밀도는 1600㎏/m3으로 가정했다. 고체추진제 모터의 길이, 직경 및 밀도를 기준으로 신형 탄도미사일의 추진제 질량을 계산했다.
통상적으로 핵탄두는 직경 90㎝, 무게 1000㎏ 이내이나 북한이 핵탄두 소형화 및 경량화를 통해 직경 60㎝, 무게 500㎏ 이내의 핵탄두를 제작해 탄도미사일에 탑재가 가능하다고 가정한다. 북한 신형 탄도미사일의 직경은 최대 0.95m며 탄도미사일 상단부 직경(0.5~0.65m)에 핵탄두 탑재를 위해서는 소형화가 필수적이다. 북한은 2016년 3월과 2017년 9월 핵탄두를 공개한 바 있으며 그로부터 수년이 지났으므로 핵탄두 소형화에 성공했을 가능성을 배제할 수 없다. 따라서 신형 탄도미사일에 핵탄두를 탑재한다는 가정하에 시뮬레이션을 수행했다.
사거리 270㎞, 420㎞ 시뮬레이션
5월 9일 북한이 평안북도 구성시 인근에서 발사한 탄도미사일 2발은 각각 270㎞, 420㎞를 비행한 것으로 추정됐다. 270㎞는 서울, 420㎞는 미군기지가 있는 오산, 평택과 육·해·공군본부가 있는 계룡대를 겨냥했다고 볼 수 있다. 각각 270㎞, 420㎞를 비행한 신형 탄도미사일에 대해 다음과 같은 비행 시나리오를 가정할 수 있다.[시나리오 1-1] 저각발사를 통해 50㎞의 정점고도 및 270㎞의 사거리를 갖는 유사 탄도궤적을 형성하며, 하강단계에서 조종면(또는 소형추진시스템)을 이용해 회피기동(Pop-up)을 수행하며 탄착하는 경우.
[시나리오 1-2] 저각발사를 통해 50㎞의 정점고도 및 420㎞의 사거리를 갖는 유사 탄도궤적을 형성하며, 하강단계에서 소형추진시스템(또는 조종면)을 이용해 회피기동을 수행하며 탄착하는 경우.
[시나리오 2-1] 50㎞의 정점고도 및 270㎞의 사거리를 갖는 유사 탄도궤적을 형성하면서 회피기동 없이 지표면에 탄착하는 경우.
[시나리오 2-2] 50㎞의 정점고도 및 420㎞의 사거리를 갖는 유사 탄도궤적을 형성하면서 회피기동 없이 지표면에 탄착하는 경우.
[시나리오 1]은 정점고도 50㎞의 저각궤적으로 비행하면서 하강단계에서 조종면(또는 소형추진시스템)을 이용해 회피기동(Pop-up)을 수행하며 사거리를 늘려 지표면에 탄착하는 경우이고, [시나리오 2]는 정점고도 50㎞의 저각궤적을 그리면서 회피기동 없이 유사 탄도궤적으로 지표면에 탄착하는 경우다.
[시나리오 1]의 회피기동은 중간단계 이후 하강단계에서 조종면(또는 소형추진시스템)을 이용한 요격회피 기동의 궤적을 묘사한다. 정점고도 이후 급상승(Pull-up)-급하강(Pull-Down) 기동을 수행한다고 가정했으며, 탄도미사일의 실제 궤적은 더욱 더 불규칙하고 복잡한 특성을 보일 것으로 추측된다.
북한의 신형 단거리탄도미사일에 대해 현재까지 공개된 데이터가 상당히 제한적이기 때문에 분석 결과에 오차가 존재할 수 있음을 미리 밝혀둔다.
북한 신형 탄도미사일 성능 분석 결과
현재까지 [시나리오 1]의 회피기동에 대해 공개된 데이터가 존재하지 않는다. 다만 신형 탄도미사일의 형상으로 추측할 때 조종면 기동 또는 소형추진시스템을 이용한 회피기동이 예상된다. 따라서 [시나리오 1]의 시뮬레이션 상에서 회피기동 시 약간의 추력을 제공하도록 설정했다.
<표1>이 [시나리오 1] 및 [시나리오 2]의 시뮬레이션 분석 결과를 보여준다. 시뮬레이션 결과 신형 탄도미사일은 핵탄두 질량이 450~1250㎏으로 변화함에 따라 사거리 범위는 하강단계에서 회피기동이 있는 [시나리오 1]의 경우 정점고도 50㎞를 고정해 사거리 284~535㎞로 분석됐으며, 회피기동이 없는 [시나리오 2]의 경우에도 정점고도 50㎞를 고정해 265~472㎞의 사거리를 얻었다.
북한 핵탄두 무게를 750㎏로 가정하면 [시나리오 1]의 경우 사거리 428㎞, [시나리오 2]의 경우 사거리 374㎞의 결과를 나타냈다. 5월 9일 발사된 사거리 420㎞의 탄도미사일이 이에 해당한다. 만일 회피기동을 하지 않을 경우 420㎞의 사거리를 얻기 위해서는 핵탄두 무게가 550㎏이어야 할 것으로 추정된다. 핵탄두 무게를 1250㎏으로 늘렸을 때는 [시나리오 1]의 경우 사거리 284㎞, [시나리오 2]의 경우 사거리 265㎞ 결과를 얻었다. 이 사거리는 5월 발사된 사거리 270㎞의 경우와 유사하다. 따라서 1250㎏의 핵탄두를 탑재하는 경우에는 회피기동 여부와 상관없이 사거리 270㎞를 획득할 수 있을 것으로 분석됐다.
또한 신형 탄도미사일의 탄착까지의 비행시간 및 낙하속도를 도출한 결과는 다음과 같다. 신형 탄도미사일의 비행시간은 비행 데이터 기준(사거리 270㎞/정점고도 50㎞) 시 회피기동을 하는 [시나리오 1]에서 233초, 회피기동을 하지 않는 [시나리오 2]에서 231초로 모두 약 4분의 결과를 나타났다.
낙하속도는 평균적으로 [시나리오 1]의 경우 2.45㎞/s(마하 7.2), [시나리오 2]의 경우 1.92㎞/s(마하 5.64)로 차이를 보였다. 이는 [시나리오 1]에서 요격회피 기동 구현을 위한 약간의 추력이 제공되면서 기존 [시나리오 2] 탄도미사일보다 가속돼 속도가 빨라진 것으로 판단된다. 일반적으로 알려진 이스칸데르-M의 비행 특성과 관련해 요격회피 기동을 통해 종말단계에서의 속도가 마하 10까지 도달한다는 평가도 존재한다.
탄두질량을 변화시켜 [시나리오 1-1] 및 [시나리오 1-2]를 분석한 결과 탄두중량 750㎏ 이하일 경우 회피기동 궤적이 크게 변화하는 것을 볼 수 있으며, 이는 사거리 420㎞의 회피기동을 기준으로 1단 로켓모터 제원을 적용했기 때문에 같은 추력 제공 시 탄두질량을 줄인 경우가 궤적에 영향을 많이 받아 이와 같은 결과가 나온 것으로 보인다.
‘스커드’와는 비교할 수 없는 ‘새로운 위협’
저각궤적으로 발사해 정점고도가 상대적으로 낮고 만일 회피기동을 해 종말단계에서의 궤적이 불규칙적이라고 해도, 기본적으로 탄도궤적에 기반을 둔 유사탄도궤적(Quasi Ballistic Trajectory)을 나타내기에 신형 단거리미사일은 탄도미사일로 정의하는 것이 타당하다.
결국 신형 단거리탄도미사일은 550~1250㎏의 핵 또는 재래식 탄두를 탑재하고 270~550㎞의 사거리에 위치한 목표를 정확도 10m 수준에서 타격할 수 있을 것으로 추정되며, 이는 비무장지대(DMZ) 인근의 이동발사대에서 발사할 때 주요 군사시설인 계룡대, 평택 미군기지, 사드 배치 지역, 탄도탄 조기경보 레이더 배치 지역 등을 공격할 수 있음을 의미한다.
문제는 저각궤적으로 비행하기에 지상이나 함정에 배치된 레이더에 의한 탐지 및 추적이 어렵다는 점이다. 특히 종말단계에서 빠른 속도로 낙하하므로 한국이 보유한 요격미사일의 제한된 속도로는 요격이 더욱 어렵다. 확인된 것은 아니지만 이스칸데르 미사일과 같이 하강단계에서 회피기동이 가능하다면 엄청난 국방비를 투입해 개발 중인 한국의 미사일방어체계 자체가 무력화될 수도 있다.
북한의 신형 단거리탄도미사일은 기존 단거리탄도미사일인 저성능의 구형 스커드를 빠른 속도로 대체할 것이다. 또한 미사일 공격의 신속성, 즉응성, 타격 정확도, 미사일방어체계 무력화 측면에서 스커드 미사일과는 비교도 안 되는 새로운 차원의 위협이 될 것이다. 새로운 탄도미사일에 대한 정보 획득 및 상세 분석을 통해 조속히 대응 전략을 구축해야 한다.
장영근 | 북한의 신형 단거리탄도미사일에 대한 시뮬레이션을 한국에서 최초로 수행한 장영근 항공대 항공우주기계공학부 교수는 미국 버지니아텍과 테네시대에서 항공우주공학 석·박사학위를 취득한 항공우주공학자다. 한국항공우주연구원 위성사업부 책임연구원으로도 일했다.
