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안보특집Ⅰ | 사드 한국行

“대구 배치하면 서울 핵 공격 못 막는다”

최초 분석 사드의 군사적 효용 시뮬레이션

  • 장영근 | 한국항공대 항공우주기계공학부 교수

“대구 배치하면 서울 핵 공격 못 막는다”

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  • ● 한반도 종심거리 짧아 요격가능고도 제한적
  • ● 대구 배치하면 평택 미군기지는 방어 가능
  • ● 수도권 방어엔 원주, 동해안 원전 방어엔 대구가 유리
  • ● 원주-대구 2개 포대 배치하면 비용 대비 효용 up
북한이 1월 6일 기습적으로 4차 핵실험을 감행한 데 이어 2월 7일 장거리 로켓 광명성호를 발사해 광명성 4호 위성을 우주 궤도에 올렸다. 우리 정부는 로켓 발사 직후 증대하는 북한의 위협에 대응하기 위해 한미동맹의 미사일 방어 태세를 강화하는 조치로서 미국과 주한미군의 사드(THAAD, 고고도미사일방어체계) 한반도 배치와 관련한 공식 협의를 시작한다고 발표했다.
고고도에서 미사일을 방어하는 사드는 과연 북한의 핵미사일을 어느 정도 막아낼 수 있을까. 군사적 실용성은 있는 것일까. 국가 안보에 실질적 도움이 얼마나 되는지 판단하고자 사드의 성능에 대한 정량적 분석을 시도했다. 한반도 상황에서 사드의 효용에 대한 기술적 분석은 이번이 처음이다. 이 분석을 통해 한반도 전장 환경에서 핵탄두 탑재 가능성이 높은 노동미사일로 북한이 한국의 인구 밀집지역, 주요 군사시설, 국가 기간시설 등을 공격할 때 사드 배치 위치에 따른 미사일의 요격 성공 가능성을 살펴볼 수 있다.
언론 보도에 따르면 경기 평택, 강원 원주, 대구(경북 칠곡군 왜관) 등지 중 1곳에 1개 포대를 배치하는 것을 고려하는 것으로 알려졌다. 대구를 유력한 후보지로 꼽고 있다는 설이 나돌았으나 미국이 평택을 최적의 후보지로 고려해왔다는 보도도 나왔다. 사드 레이더의 전자파 위험 반경이 최대 5.5㎞라는 주장이 있는데, 평택은 도시 지역이 대부분이라 포대를 배치할 공간을 찾기가 어렵다는 지적도 있다. 1개 포대 배치 비용은 1조~1조5000억 원으로 전해지며, 한국이 부지를 제공하고 미국이 전개비용을 부담하는 방식이 고려된다고 한다.
사드의 레이더 및 요격 미사일에 대한 세부 성능 데이터를 얻기 힘든 터라 제한된 가용 데이터를 기준으로 성능 및 제원을 역산출해 요격 성능 분석 자료로 사용했다는 점을 밝혀둔다.



평택·원주·대구(왜관) 거론

한국에 가장 위협이 되는 북한의 잠재적 핵탄두 미사일은 사거리가 1300~1500㎞에 달하는 중거리 미사일 노동이다. 노동미사일의 길이 및 직경은 각각 16m와 1.35m, 추진제(劑) 중량은 13t, 건조 중량은 2t으로 예측된다. 또한 비추력 226초, 연소시간 110초, 추력 260kN으로 추정해 분석을 수행했다.
북한이 인구 밀집지역인 서울, 국군 지휘본부가 위치한 충남 계룡대, 국가 핵심시설인 경남 고리원전을 표적 삼아 공격할 때로 사례를 나눠 노동미사일의 이 같은 제원 및 성능을 기반으로 궤적을 분석했다. 노동미사일은 적은 양의 추진제를 탑재하는 방식으로 최장 사거리에 못 미치는 558㎞로 발사되며 비행궤적의 최고 고도는 147㎞에 머물 것으로 보인다.
이 분석에선 노동미사일을 기본적인 형태의 단일 탄두를 가지는 탄도미사일로 가정했으며 다탄두 형태나 미사일의 회피기동은 고려하지 않았다. 노동미사일을 요격할 사드의 제원 및 특성은 미국이 공개한 내용을 참조했으며, 특성 및 성능은 공개된 제원을 기반으로 도출했다. 〈그림 1〉이 사드 요격 미사일의 제원 및 형상이다. 사드 미사일의 성능은 공개된 것보다 발전했을 것으로 보인다.
공개된 사드 미사일의 중량은 900㎏인데, 추진제 질량, 건조 질량, 비추력 등 비행궤도 분석에 필요한 세부 정보는 알 수 없다. 이 분석에서는 일반적인 고체 로켓 추진제를 고려해 성능을 나타내는 비추력은 270초, 연소시간은 17초, 이륙 가속도는 11.2g로 가정했으며 비추력과 미사일의 제원을 바탕으로 사드 미사일이 최고 요격고도인 150㎞ 이상까지 상승하는 데 요구되는 추력(140kN)과 추진제 중량(630㎏)의 조합을 추정했다.
사드 미사일은 발사 준비 전에 적의 미사일을 탐지하고 식별해야 한다. 탐지와 식별에 소요되는 시간은 2012년 북한이 은하 로켓을 발사했을 때 국군 세종대왕함 레이더의 탐지 및 식별 사례를 기준으로 산출했다. 사드 발사 준비 소요시간은 총 110초로 가정했으며, 〈그림 2〉와 같이 미사일 발사 절차를 구분해 단계별로 소요되는 시간을 더했다. 미사일 탐지 및 식별부터 발사 준비까지 사드 미사일 발사를 위해 소요되는 총 시간은 203초로 예측된다. 탐지, 식별을 마치고 타격 결심을 하기까지 결코 길지 않은 시간이다.
북한이 후방의 미사일 운용지역(영저리 기지)에서 핵탄두를 장착한 노동미사일로 서울, 충남 계룡대, 경남 고리원전에 대한 공격을 감행한다는 가정 아래 평택, 원주, 대구 등에 배치가 고려되는 사드 미사일을 통해 적의 미사일을 요격할 수 있는 발사가능시간, 요격가능시간, 요격가능고도, 사거리 등을 분석했다. 서울을 공격하는 경우를 [Case 1], 계룡대를 공격하는 경우를 [Case 2], 고리원전을 공격하는 경우를 [Case 3]로 표기했다.


[Case 1] 서울 공격
〈그림 3〉은 노동미사일이 서울을 공격할 때 평택에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 1-1)와 관련해 사드 미사일의 궤적 및 최장 사거리를 보여준다. 사드 요격가능 최저고도(40㎞), 사드 체계의 발사 준비시간을 고려한 요격가능 최고 고도, 사드미사일 성능만을 고려한 요격 가능 최고 고도 등을 고려해 요격고도를 분석했다. 이는 해당 사드 배치 지역에서 미사일 성능만을 고려할 때 요격이 가능한 고도라도 사드 발사 준비가 완료되지 못하면 시간 내에 발사를 못해 요격이 불가능한 상황이 발생할 수 있기 때문이다.
A는 평택에 배치된 사드를 통해 서울을 목표로 날아오는 노동미사일을 요격할 수 있는 최고 고도 및 최장 사거리(고도 94.4㎞ 및 사거리 144.5㎞)다. 이는 사드 미사일의 성능만을 고려할 때 도달할 수 있는 고도와 사거리로서 노동미사일의 탐지 및 식별, 사드 발사준비에 요구되는 총 시간인 203초 이전에 사드 미사일을 발사해야 요격이 가능한 고도라 실제 요격은 불가능하다고 할 수 있다.
B는 탐지, 식별 및 사드 발사준비시간 등을 모두 고려한 후 요격이 가능한 최고 고도 73.4㎞ 및 사거리 115.0㎞를 나타낸다. C는 사드의 요격이 가능한 최소 운용고도 40㎞를 기준으로 분석한 최저 고도 41.3㎞ 및 사거리 79.6㎞를 보여준다. 
〈그림 3〉에서 보는 바와 같이 노동미사일의 서울 공격 시 평택에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 1-1)에 요격이 가능한 고도는 41.3~73.4㎞(B와 C) 범위로 한정됨을 알 수 있다.


〈그림 4〉는 평택에서 사드 미사일로 노동미사일을 요격하는 경우 노동미사일의 비행시간에 따른 고도 및 사거리 그래프를 나타내며, 시간 진행에 따른 사드 발사준비 소요시간, 발사가능시간, 요격가능고도 진입시간, 요격가능시간 등을 보여준다.
요격가능고도 진입시간은 노동미사일의 하강고도가 사드의 운용고도로 알려진 40~150㎞를 지나는 시간을 의미한다. 발사가능시간은 요격 미사일 발사준비가 완료된 후부터 해당 사드 미사일 발사지점에서 노동미사일이 하강고도 40㎞ 이하를 지나기 전까지 요격할 수 있는 시간을 의미한다. 이 시간은 사드 미사일의 비행시간까지 고려한 것이며, 이 시간 내에 요격 미사일을 발사해야 노동미사일을 요격할 수 있음을 의미한다. 요격가능시간은 발사가능시간 동안 발사된 사드 미사일이 실제 노동미사일을 요격할 수 있는 시간대를 의미한다. 서울을 향해 발사된 노동미사일을 평택에서 사드 미사일을 쏘아 요격하는 경우 발사할 수 있는 시간은 총 70초임을 알 수 있다.




〈그림 5〉는 노동미사일이 서울을 공격할 때 원주에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 1-2)다. Case 1-1처럼 A는 실제 요격이 불가능한 고도이며, B는 탐지, 식별 및 사드 발사준비시간 등을 모두 고려한 후 요격이 가능한 최고 고도 84.8㎞ 및 사거리 113.2㎞를 나타낸다. C는 사드의 요격이 가능한 최소 운용고도 40㎞를 기준으로 분석한 최저 고도 41.3㎞ 및 사거리 80.7㎞를 보여준다. 따라서 노동미사일의 서울 공격 시 원주에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우[Case 1-2]에 요격이 가능한 고도는 41.3~84.8㎞(B와 C) 범위로 한정됨을 알 수 있다.


〈그림 6〉은 원주에서 사드 미사일로 서울을 향하는 노동미사일을 요격하는 경우(Case 1-2), 노동미사일의 비행시간에 따른 고도 및 사거리 변화와 이에 따른 사드 미사일 관련 타임라인을 나타낸다. 서울을 향해 발사된 노동미사일을 원주에서 요격 미사일로 요격하는 경우 사드 미사일을 발사할 수 있는 시간은 총 84초임을 알 수 있다. 평택의 경우보다 14초가량 여유가 있다.

[Case 2] 계룡대 공격
〈그림 7〉은 노동미사일의 계룡대 공격 시 평택에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 2-1)에 대해 사드 미사일의 궤적 및 최장 사거리를 보여준다. Case 1과 동일한 방법으로 분석했다. Case 1처럼 A는 실제 요격이 불가능한 고도이며, B는 요격할 수 있는 최고 고도 110.1㎞ 및 사거리 46.2㎞를 나타낸다. C는 사드의 요격이 가능한 최소 운용고도 40㎞를 기준으로 분석한 최저 고도 40.2㎞ 및 사거리 57.1㎞를 보여준다. 따라서 노동미사일의 계룡대 공격 시 평택에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 2-1)에 요격이 가능한 고도는 40.2~110.1㎞ 범위(B와 C)로 한정된다. 


〈그림 8〉은 계룡대로 향하는 노동미사일을 평택에서 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 2-1) 사드 미사일 관련 타임라인이다. 계룡대를 향해 발사된 노동미사일을 평택에서 사드 미사일로 요격하는 경우 미사일을 발사할 수 있는 시간은 총 115초 정도다. 


〈그림 9〉는 노동미사일의 계룡대 공격 시 원주에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 2-2) 사드미사일의 궤적 및 최장 사거리를 보여준다. Case 2-1처럼 A는 실제 요격이 불가능한 고도이며, B는 탐지, 식별 및 사드 발사준비시간 등을 모두 고려한 후에 요격할 수 있는 최고 고도 116.2㎞ 및 사거리 63.8㎞를 나타낸다. C는 사드의 요격이 가능한 최소 운용고도 40㎞를 기준으로 분석한 최저 고도 40.3㎞ 및 사거리 110.3㎞를 보여준다. 따라서 노동미사일의 계룡대 공격 시 원주에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 2-2)에 요격이 가능한 고도는 40.3~116.2㎞ 범위로 한정됨을 알 수 있다.  


〈그림 10〉은 원주에서 요격 미사일로 계룡대로 향하는 노동미사일을 요격하는 경우, 노동미사일의 비행시간에 따른 고도 및 사거리 변화와 이에 따른 사드 미사일 관련 타임라인을 나타낸다. 계룡대를 향해 발사된 노동미사일을 원주에서 요격 미사일로 요격하는 경우 사드 미사일을 발사할 수 있는 시간은 총 99초임을 알 수 있다.  
노동미사일의 계룡대 공격 시 대구에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 2-3)에 대해서도 Case 2-1과 동일한 방법으로 분석했으나, 지면 관계상 그림은 생략하기로 한다. Case 2-1과 유사하게 A는 실제 요격이 불가능한 고도이며, B는 이들 탐지, 식별 및 사드 발사준비시간 등을 모두 고려한 후에 요격할 수 있는 최고 고도 70.1㎞ 및 사거리 174.7㎞를 나타낸다. C는 사드의 요격이 가능한 최소 운용고도 40㎞를 기준으로 분석한 최저 고도 40.1㎞ 및 사거리 152.8㎞를 보여준다. 따라서 노동미사일의 계룡대 공격 시 대구에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 2-3)에 요격이 가능한 고도는 40.1~70.1㎞ 범위로 한정됨을 알 수 있다. 대구에서 사드 미사일을 이용해 요격하는 경우 발사할 수 있는 시간은 총 68초다. 

[Case 3] 고리원전 공격
〈그림 11〉은 노동미사일의 고리원전 공격 시 대구에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 3) 사드 미사일의 궤적 및 최장 사거리를 보여준다. Case 2처럼 A는 실제 요격이 불가능한 고도이며, B는 이들 탐지, 식별 및 사드 발사준비시간 등을 모두 고려한 후에 요격할 수 있는 최고 고도 121.1㎞ 및 사거리 91.7㎞를 나타낸다. C는 사드의 요격이 가능한 최소 운용고도 40㎞를 기준으로 분석한 최저 고도 40.8㎞ 및 사거리 48.2㎞를 보여준다. 따라서 노동미사일의 고리원전 공격 시 대구에 배치된 사드 미사일로 요격하는 경우(Case 3)에 요격이 가능한 고도는 40.8~121.1㎞ 범위로 한정됨을 알 수 있다. 


〈그림 12〉는 대구에서 사드 미사일로 고리 원전을 향하는 노동미사일을 요격하는 경우의 타임라인이다. 고리원전을 향해 발사된 노동미사일을 대구에서 요격 미사일로 요격하는 경우 사드 미사일을 발사할 수 있는 시간은 총 153초임을 알 수 있다.


제한된 시간에 요격해야

앞서 노동 핵미사일의 주요 표적인 서울, 충남 계룡대 및 고리원전 공격에 대해 평택, 원주, 대구 등 각 사드 배치 지역별 요격 능력을 분석한 결과를 종합하면 〈표 1〉과 같다. 대구에 1개 포대를 배치할 경우 서울을 공격하는 핵미사일은 요격하지 못한다. 대구에 배치하면 평택의 주한미군 기지를 공격하는 북한의 핵미사일은 요격할 수 있지만, 수도권 인구 밀집 지역을 공격하는 핵미사일은 요격이 불가능하다. ‘요격이 가능하다’는 것은 무조건 요격한다는 뜻은 아니다. 식별, 감지, 결심 등이 제한된 시간 내에 이뤄져야 한다. 
다시 말해, 노동미사일이 서울을 향하는 경우 위치상 평택과 원주에서 사드 미사일을 이용해 요격이 가능하며, 대구에서는 사거리와 고도가 불충분해 요격이 불가능하다. 계룡대를 목표로 하는 경우엔 평택, 원주, 대구 세 지점에서 모두 요격이 가능하다. 고리원전을 목표로 하는 경우 대구에서 사드 요격이 가능하고, 원주에서는 고도가 불충분하며, 평택에서는 사거리와 고도가 불충분해 요격 불가능하다.
노동미사일이 서울을 공격하는 경우 평택과 원주에서 사드 미사일로 요격이 가능하며 요격범위(요격가능고도)는 원주가 평택보다 넓은 것을 확인할 수 있다. 원주 배치 사드 미사일의 요격고도는 41.6~84.8㎞, 평택 배치 사드미사일의 요격고도는 41.3~73.4㎞다. 발사가능시간과 요격가능시간도 원주가 평택보다 길다. 
결론적으로 노동미사일로 서울을 공격하는 경우 원주에 사드를 배치할 때 요격 미사일 발사 및 요격 가능시간과 요격 범위 측면에서 유리하다. 이 때문에 서울·경기 수도권의 인구 밀집 지역을 보호하려면 사드의 배치 장소로 원주가 가장 좋다. 


비용 대비 효용 낮아

서울 공격 시 북한 탄도미사일의 최고 고도 및 종심거리가 짧아 요격할 수 있는 고도도 제한적이므로 150㎞ 고도에서 하강하는 적의 미사일을 요격할 수 있는 고고도미사일방어체계인 사드의 효용성은 다른 지역 공격 때보다 상대적으로 낮다. 또한 사드는 종심이 짧은 한반도 상황에서는 비용 대비 효용이 낮은 무기다. 미국의 비용으로 주한미군 기지에 사드를 설치하는 것을 마다할 까닭은 없을 듯하나 대구에만 1개 포대를 배치할 때 수도권 인구 밀집 지역을 방어하지 못한다는 점을 상기해야 한다.
또한 노동미사일이 계룡대를 공격하는 경우 평택, 원주 모두에서 요격이 가능하며, 요격범위(요격가능고도)는 원주가 평택과 대구보다 넓은 것을 알 수 있다. 원주 배치 사드 미사일의 요격고도는 40.3~116.2㎞, 평택 배치 사드 미사일의 요격고도는 40.2~110.1㎞다. 한편 대구 배치 사드 미사일의 요격고도는 40.7~70.1㎞로 대구기지로부터 요격지점까지의 거리가 길어 요격능력은 상당히 제한적일 것으로 예측된다. 즉 발사가능시간과 요격가능시간 또한 원주-평택-대구 순으로 나타나며, 이는 계룡대 인근 군 지휘부나 핵심 군사시설을 보호하는 데도 원주 배치 사드가 가장 적합하다는 것을 의미한다. 
계룡대 공격 시 북한 탄도미사일의 최고 고도 및 종심거리는 서울 공격 경우에 비해 증가하며, 요격할 수 있는 고도 범위도 넓어지기에 고고도미사일방어체계인 사드의 효용성은 서울을 공격할 때보다 높아진다. 
노동미사일이 고리원전을 공격하는 경우엔 오직 대구에서만 요격이 가능하며 고리원전이 북한으로부터 멀어 노동미사일의 비행시간이 길어짐에 따라 발사가능시간 및 요격가능시간이 상대적으로 여유로운 것을 알 수 있다. 대구 배치 사드 미사일의 요격고도는 40.8~121.1㎞이나, 평택과 원주에 배치되는 사드 미사일은 고리원전 공격 시 요격이 불가능함을 알 수 있다.
앞선 분석을 통해 노동 핵미사일 표적이 될 수 있는 서울, 계룡대, 고리원전 지역에 대해 가장 높은 수준의 요격 환경을 제공하는 사드 배치 예상 지역을 확인했다. 즉 서울과 계룡대의 경우 원주에 배치된 사드 미사일을 발사해 노동미사일을 요격하는 것이 가장 유리하며, 고리원전의 경우 대구에서만 사드 미사일로 노동미사일을 요격할 수 있다.



원주-대구 조합이 이상적

사드 포대 배치를 통해 보호 가능한 표적들과 상황별 효용가치도 분석해봤다. 효용가치는 각 표적에 중요도 및 파괴 후 위험성에 따른 가중치를 부여한 후 요격범위 내 표적의 수를 곱해 도출했다. 표적 가중치 중 인구 밀집지역은 도시별 인구수에 비례해 책정했다. 원자력발전소는 공격당할 경우 전력 생산에 차질이 생기는 것뿐만 아니라, 방사능 누출 등 심각한 2차 피해를 야기할 수 있으므로 다른 목표대상에 비해 높은 가중치를 부여했다.
그 결과 2개의 포대를 설치하는 경우가 비용 대비 가장 높은 효용성을 가지며, 인구 밀집지역과 핵심 군사시설, 핵발전 시설 등을 보호할 수 있음을 확인했다. 2개의 포대를 배치할 경우 평택-대구, 원주-대구, 평택-원주 등 3가지 방안을 예상할 수 있다. 〈그림 13〉에서 ‘방안 1’은 평택과 대구에 사드를 1개 포대씩 배치하는 경우이며, ‘방안 2’는 원주와 대구에 1개 포대씩 배치하는 경우의 조합이다.
‘방안 1’과 ‘방안 2’의 요격범위는 실질적으로 큰 차이가 없으나, 요격범위 내에 보호되는 유효 지역은 ‘방안 2’가 더 많다. ‘방안 1’의 경우 강원 지역 및 동해안 보호가 불가능하다. 특히 울진원자력발전소가 동해안에 위치한 점을 감안하면 ‘방안 1’에서 동해안 지역을 보호할 수 없는 상황은 국가 안보에 또 다른 취약점이 될 수 있다. 반면 ‘방안 2’의 경우 원주를 기준으로 수도권 핵심지역 보호와 함께 동해안과 강원지역에 대해 폭넓은 보호가 가능하다. 결국 이는 비슷한 요격범위를 갖는 ‘방안 1’과 ‘방안 2’에서 ‘방안 2’가 ‘방안 1’보다 미사일 공격을 효과적으로 방어할 수 있음을 의미한다. 
결론적으로 사드 배치 후보지로 알려진 평택, 원주, 대구에 총 2개의 포대를 배치한다고 가정할 경우 원주와 대구에 1개 포대씩 배치하는 ‘방안 2’ 조합이 가장 효율적이며 요격가능 범위를 극대화할 것으로 판단된다.




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장영근 | 한국항공대 항공우주기계공학부 교수
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