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긴급특집 | 김정은, 공포를 쏘아 올리다

한반도, 주일 미군기지 사정권 남해에선 괌 기지도 때린다

최초 시뮬레이션 | 북한 SLBM 핵타격 능력

  • 분석·장영근 | 항공대 항공우주기계공학부 교수, 정리·송홍근 기자 | carrot@donga.com

한반도, 주일 미군기지 사정권 남해에선 괌 기지도 때린다

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  • ● 북극성 최장 사거리 1470~1960㎞
  • ● 남해 해저에서 괌 타격 가능 사거리
  • ● 구식 기술 아닌 ‘그리드 핀’ 장착
  • ● SLBM 탑재할 ‘신포급’ 잠수함 확보
북한이 정권 수립 기념일인 9월 9일 5차 핵실험을 감행했다. 현재까지 벌인 핵실험 중 가장 큰 규모인 10kt 안팎의 위력을 가진 것으로 분석됐다. 핵탄두의 소형화, 경량화를 통해 핵무기를 사용한 대량 살상 능력을 더욱 고도화할 것으로 보인다.   

6월, 8월에는 각각 무수단 중거리탄도미사일과 ‘북극성’이라고 이름 붙인 잠수함발사탄도미사일(SLBM, Submarine Launched Ballistic Missile) 발사 시험에 성공했다. 핵무기를 투발할 여러 종류의 수단도 확보했거나 확보 단계에 도달한 것이다.

주목할 만한 점은 김정일이 미국의 공격을 막는 전쟁 억제에 방점을 찍고 비대칭 전력을 개발했다면, 김정은은 전쟁 억제뿐 아니라 유사 시 미군의 증원을 막는 등 실전 능력을 확충하는 수단을 강조한다는 점이다.



사거리 성능 특성 첫 분석

김정은은 현재 수준의 능력으로도 한국의 항구를 언제든 핵타격할 수 있다고 과시한다. 부산항 등은 전시 미군이 증원되는 통로다. SLBM 능력을 더욱 진화시키면 미국에 대한 제2격(second strike) 능력도 갖게 된다. 다만 아직까지는 SLBM을 핵추진 잠수함이 아닌 디젤 잠수함에 장착하는 수준에 머물러 미국 본토에는 위협이 되지 않는다.  



그렇다면 8월 24일 김정은이 쏘아 올린 SLBM 북극성의 능력은 어느 정도인가. 북극성의 사거리 등의 성능 및 특성을 분석하는 시뮬레이션을 최초로 수행했다. 북한이 개발 중인 SLBM에 미국은 KN-11이라는 이름을 붙였으나 이 글에서는 북극성이라고 표기한다.  

SLBM은 잠수함이 바닷속에 잠수한 상태에서 발사하는 탄도미사일이다. 군사 강국이 보유한 SLBM 대부분은 수심 50m 정도로 잠수한 상태에서 탄도미사일을 발사하는 것으로 알려졌다.

잠수함이 수면으로 부상해 탄도미사일을 점화시키는 것을 핫 론치(hot launch)라고 한다. 핫 론치는 상대국의 정찰 자산에 의해 탐지, 식별되기에 은밀한 작전이 불가능하다. 은밀성을 유지하려면 수중에서 발사해야 하는데 이를 콜드 론치(cold launch)라고 한다. 콜드 론치로 SLBM이 발사될 때 케이스에 담긴 상태로 사출된다. 사출된 케이스가 수면으로 솟구치는 순간 폭발 볼트에 의해 분리되면서 SLBM이 점화된다.

콜드 론치의 핵심 기술은 탄도미사일을 내장한 케이스가 잠수함에서 사출돼 수면으로 부상할 때 폭발 볼트의 의해 정확하게 분리되는 것, 그리고 점화된 뒤 정상적으로 가속하는 것으로 기술적 난도가 매우 높다.   

수중 사출에는 수직 또는 사선 사출 방식이 있다. 중국의 SLBM 쥐랑(JL)-2나 미국의 트라이던트는 사선으로 사출된다. 미사일 발사에 실패할 경우 잠수함이 피해를 입지 않도록 하기 위해서다. 북한도 초기에는 사선으로 시험 발사했으나 최근에는 수직에 가깝게 발사한 것으로 추정된다.



‘그리드 핀’ 쓴 까닭

8월 24일 성공적으로 발사된 북극성의 경우 고각 발사를 위해 수직으로 사출해 포물선의 각도를 올림으로써 사거리를 최소화하고, 이를 통해 일본과의 외교적 마찰을 최소화하려 한 것으로 추정된다.

북한은 6월 성공적으로 발사한 무수단 하단에 8개의 격자형 날개(그리드 핀)를 장착했다. 8월 24일 발사한 북극성 하단에도 8개의 그리드 핀을 장착했다. 일부 언론과 군에서는 그리드 핀을 옛 소련의 미사일에서나 볼 수 있던 퇴물 기술로 언급했는데, 이는 사실이 아니다. 그리드 핀은 유도미사일 기술 가운데 상대적으로 최근에 개발된 것이다.

대부분의 유도 무기는 동체에 평행하게 장착되는 평면형의 제어 핀을 사용해왔다. 이들 핀은 미사일이 표적을 향해 기동함에 따라 미사일 동체를 좌우(요, yaw) 방향, 상하(피치, pitch) 방향, 회전(롤, roll)하는 방향으로 움직이도록 수평 및 수직면에서 힘을 생성하기 위해 앞뒤로 회전한다.

반면 그리드 핀은 꼬리 부분에 장착돼 미사일을 제어한다. 와플을 굽는 틀과 유사한 격자형 구조로 채워진 사각형 상자 형태다. 상자 모양의 구조는 격자형 벽을 얇게 함으로써 무게를 줄이고 재료의 단가를 낮추며 강도를 높일 수 있다. 또한 핀의 형상 및 코드 길이 덕분에 발사 전에 쉽게 접을 수 있으며, 발사 후 쉽게 전개할 수 있다는 장점이 있다. 요컨대 북한이 6월에 발사한 무수단과 8월에 발사한 북극성에 장착된 그리드 핀은 퇴물 기술이 결코 아니다.

북한은 왜 SLBM에 그리드 핀을 장착했을까. 거의 수직으로 상승하는 고각 발사에서는 미사일의 자세를 안정시키는 게 쉽지 않다. 북한도 초기엔 자세 안정화를 위해 평면 제어핀이나 소형 추력기 또는 로켓을 사용하는 기술 등을 검토했을 것으로 추정되지만, SLBM의 경우 잠수함의 수직발사관에 장착해야 하기에 평면 제어 핀 대신 그리드 핀을 적용한 것으로 보인다.

북한이 8월 24일 발사한 북극성은 약 500㎞를 비행해 일본의 방공식별구역(JADIZ, Japan Air Defense Identification Zone)에 떨어졌다. SLBM 발사에 실질적으로 성공한 것으로 평가된다. 2단의 고체추진제 로켓으로 구성된 북한의 신형 SLBM은 사거리가 2000여㎞에 달할 것으로 우리 군은 추정했다. 500㎞의 비행 거리는 고각 발사를 통해 사거리를 최소로 줄인 것이다. 또한 대기권 재진입 기술을 확보한 것으로 추정된다.


지상 무수단, 수중 북극성

요컨대 북한의 SLBM은 ‘신뢰성’을 제외한 핵심 기술을 모두 확보했다. 북한의 행태를 보면 당장 실전 배치해도 이상할 것이 없는 수준이다. 북한이 북극성을 전력화하면 세계에서 7번째로 SLBM을 개발한 국가가 된다.

북한의 SLBM 개발 역사는 20여 년 전으로 거슬러 올라간다. 1990년대 SS-N-6(R-27) 미사일을 옛 소련에서 구매할 때부터 지상발사용 무수단과 수중발사용 북극성 개발을 염두에 둔 것으로 추정된다.

SS-N-6는 1968년부터 1980년대까지 옛 소련에서 사용한 미사일로 골프급(2000t급) 잠수함에서 발사가 가능했다. 북한은 1990년대에 골프급 잠수함을 러시아로부터 수입해 역설계 방식으로 신형 ‘신포급’ 잠수함을 건조한 것으로 알려졌다. 북한이 골프급 잠수함의 수중발사장치 설계를 확보했다는 것은 SLBM 개발을 위한 잠수함과 탄도미사일 등 필수요건을 모두 갖췄다는 의미다. SS-N-6 미사일은 사거리가 2500㎞, 골프급 잠수함의 최대 잠항지속능력은 70일에 달하는 것으로 알려졌다.

SLBM을 장착하는 수직발사 시스템(VLS)은 외관상으로는 단순해 보이지만 잠수함의 수중자세 교정기술, 유압 및 공압 통제기술, 정밀 용접기술 등 고도의 능력이 필요하다. 북한보다 기술력이 앞서는 중국도 쥐랑-2 수중발사 시험에서 여러 차례 실패한 바 있다. SLBM이 미국, 영국, 프랑스, 러시아, 중국, 인도 등 강대국에 국한돼 운용 중인 것도 이렇듯 기술적 난도가 높아서다. 강대국의 SLBM은 대부분 디젤잠수함이 아닌 핵추진 전략잠수함에 탑재돼 있다.

북한이 개발한 VLS는 신형 신포급 잠수함에 장착한 것으로 추정된다. 옛 소련의 골프급 잠수함은 함교 부분에 3기의 VLS를 설치한 것으로 알려졌다. 북한은 함교 부분에 한 발의 SLBM을 싣는 VLS를 장착한 것으로 분석된다. 북한이 제작한 VLS의 높이는 12m 정도일 것으로 추정된다.



무기엔 고체추진제가 유리

북한은 원래 SS-N-6 미사일을 기반으로 북극성을 개발하려 한 듯하지만 지난해 실패한 액체추진제 로켓 대신 고체추진제 로켓을 사용해 성공적으로 발사했다. 고(高)에너지 액체추진제 엔진을 사용하는 SS-N-6의 모방 개발에 실패했거나, 액체추진제 로켓을 사용할 때 발생하는 운용상의 문제를 극복하고자 고체추진제 로켓을 새로 개발해 탑재한 것으로 볼 수 있다.

고체추진제로 SLBM 발사에 성공한 것도 주목할 대목이다. 추진제는 연료 및 산화제를 가리키는 말이다. 액체추진제는 높은 추력을 내는 동시에 추력 제어가 용이하지만 보관이 까다롭다. 주입하는 데 긴 시간이 소요되기에 무기로 사용되는 데 큰 약점으로 작용한다. 고체추진제는 로켓의 구조물에 부어서 고체로 경화시키기에 미사일이 제작된 후 추진제 주입과 같은 발사 준비가 불필요하다.

따라서 고체추진제 로켓을 사용하는 미사일은 필요할 때 곧바로 발사할 수 있어 액체추진제 미사일보다 은밀성과 신속성이 뛰어나다. 미국을 포함한 대부분의 서방 국가는 고체추진제 미사일을 사용한다. 특히 고체추진제 미사일은 SLBM의 수중 운용에 훨씬 유리한 환경을 제공할 수 있다.

북한이 8월 시험 발사에 성공한 신형 고체추진제 SLBM은 신뢰성 측면에서 아직은 안정화 단계에 이르지 못한 것으로 보이며, 신뢰성 있는 로켓모터를 개발하려면 더 많은 연구와 시행착오를 거쳐야 할 것이다. 북극성의 크기를 기준으로 할 때 고체추진제 미사일은 액체추진제 미사일보다 비행 성능이 낮아 사거리 측면에서는 불리하지만, 한반도와 일본을 위협하는 데는 충분한 효과를 발휘한다.

북극성 모니터가 액체추진제에서 고체추진제로 교체되면서 외관상으로는 유사하더라도 전적으로 새로운 SLBM이 개발된 것이다. 또한 3월 24일 북한이 지상연소 시험을 한 고체추진제 모터는 8월 24일 발사된, 2단으로 구성된 북극성 SLBM의 한 단이었음이 명확해졌다.



괌 미군기지도 타격 가능

중국의 쥐랑-1, 미국의 폴라리스-A1 등을 고려하면 북극성의 사거리는 1500~2000㎞ 수준일 것으로 추정됐다. 이 정도의 사거리라면 유사시 일본 주둔 미군기지 전체를 포함해 일본 전역을 타격할 수 있다. 동해 또는 남해의 해저로 진출해 발사하면 괌 미군기지를 타격할 수도 있을 것이다. 결국 북극성의 최대 능력은 사거리가 아니라 북한의 잠수함 능력에 의존할 것이다.

단거리 전술탄도미사일 KN-02를 제외하면 북한은 지금껏 거의 모든 미사일에 액체추진제를 사용했다. 액체추진제 엔진은 다른 어떤 엔진보다 훨씬 강력하고 효율적이다. 인류를 달에 착륙시킨 이동수단도 액체추진제 로켓시스템이다. 그러나 앞서 설명했듯 무기체계로서는 약점이 많다. 무기로서는 고체추진제 모터가 더 선호될 수밖에 없다.

고체로켓의 성능은 액체로켓만큼 좋진 않지만 전장(戰場) 환경에서 작동하는 데 훨씬 유리하다. 유지, 보수가 거의 필요하지 않고 조작 및 이동 시 생존율도 높다. 독성 물질의 누수 경향도 약하다. 무엇보다 대형 고체추진제 미사일도 마음만 먹으면 곧바로 발사할 수 있다는 게 장점이다.

북한은 이 대목을 특히 중요하게 여겼을 것이다. 일례로 한국의 고체추진제 미사일은 15분 이내에 북한의 어떤 목표물에도 도달할 수 있다. 다시 말해 북극성 발사 성공에 담긴 또 다른 위협은 북한이 전술무기에 적절한 소형의 고체추진제 미사일을 언제든 만들 수 있게 됐다는 것이다.  

지난 3월 북한이 지상연소 시험을 한 고체추진제 로켓모터는 얼마나 멀리 날 수 있을까. 2단으로 구성된 미사일의 한 부분이라면 미국은 아니지만 일본까지는 타격이 가능할 것이다. 북한은 지상연소 시험 성공을 과시하면서 로켓의 제원은 밝히지 않았으나 몇 장의 연소 이전 로켓 장면과 연소가 종료된 로켓의 후면(노즐 포함)을 사진으로 공개했다. 사진으로만 보면 고체추진제 로켓모터는 지상연소 시험을 성공적으로 수행한 듯하다.     


최장 1960㎞ 날아간다

새로운 고체모터의 직경(1.2~ 1.3m)을 감안하면 북한이 노동미사일의 제원과 조합하기를 원하는 것으로도 해석할 수 있다. 대륙간탄도미사일(ICBM)의 로켓을 고체추진제로 바꿈으로써 신속성과 은밀성을 더욱 증강시키려 할 수도 있다. 북한이 이러한 대형 고체로켓 모터 시험을 시작했다는 증거는 아직 없다.     

그렇다면 핵탄두 혹은 재래식 탄두를 수중에서 투발하는 북한의 현재 능력은 어느 정도일까. 8월 24일 발사한 북극성의 외형 및 형상을 기반으로 미사일의 사거리, 최고 고도, 고각 발사의 특성 등에 대해 수행한   시뮬레이션 결과를 공개한다.

북극성은 2단 및 페어링을 포함한 형상 측면에서는 중국의 쥐랑-1과 유사하나, 제원에서는 미국이 최초로 개발한 폴라리스-A1과 매우 유사하다. 상당 부분에서 폴라리스-A1을 모방해 개발한 것으로 추정된다.



북극성과 크기가 비슷한 폴라리스-A1의 건조 질량, 북극성이 대기권 재진입 시 100~150㎞ 지점에서 마하 10 정도의 낙하 속도를 얻었다는 우리 군의 발표 등을 적용해 시뮬레이션을 수행했다. 분석을 위한 가정 사항 및 구체적인 데이터, 기술적인 내용 등은 지면 사정으로 이 글에서는 밝히지 않고 결과만 공개하기로 한다.   

〈표1>은 북극성을 최소 에너지의 정상적인 궤적으로 발사할 때 Case 1, Case 2, Case 3의 각 경우에 대한 최장 사거리 및 최고 고도를 분석한 결과다. 추정된 추진제 중량에 따라 1470~1960㎞를 비행하는 것으로 분석됐다. 각 경우의 궤적에서 최고 고도는 357~420㎞다. 〈그림1>은 Case 2의 최장 사거리 및 최고 고도를 그래프로 나타낸 것이다.



북한은 9월 북극성 발사를 최대 발사심도에서 고각 발사체제로 진행했다고 발표했다. 고각 발사를 수행한 SLBM의 궤적 분석 결과는 〈표2>와 같다. 〈그림 2>는 Case 2의 고각 발사 궤적 분석 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 경우별로 사거리가 500㎞일 때 최고 고도는 820~920㎞인 것으로 추정되며, 발사 고각도 85도에 육박한 것으로 파악됐다. 최고 고도 도달시간은 9~10분이다.

SLBM을 고각 발사해 사거리 500㎞ 내 목표물을 타격하는 것(Case 2)을 가정했을 때, 고도 150㎞에서 낙하 시점의 속도가 약 3.5㎞/s로 마하 10에 가장 근접한 것으로 확인된다. 이때 발사 고각은 약 85.3도이고, 도달 최고 고도는 900㎞ 정도다.



Case 2에서 최장 사거리는 1733㎞로 추정됐으며, 이때 미사일의 최고 고도는 384㎞다. 3500㎞의 사거리를 나타내는 준(準)장거리탄도미사일의 최고 고도가 600㎞ 이상이고, 1300㎞ 사거리의 중거리탄도미사일 최고 고도가 300㎞ 중반이다.



〈그림3>은 Case 2에서 북한 SLBM의 고각 발사 및 정상 발사 시 비교 궤적 그래프다.

결론적으로 8월 24일 발사된 북한의 고체추진제 SLBM이 정상적으로 발사됐을 때 최장 사거리는 추정되는 추진제 중량에 따라 1470㎞에서 1960㎞에 달하는 것으로 분석됐으며 최고 고도는 357㎞에서 420㎞ 수준일 것으로 추정된다. 서울에서 괌 앤더슨 기지까지의 거리는 3200㎞다. 시뮬레이션 결과대로라면 북한 잠수함이 남해 등으로 내려와 북극성을 발사할 경우 타격이 가능한 것이다.





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