국방논단 제1774호(한국국방연구원 발행)

  
김종국
한국국방연구원 전력투자분석센터
jkook@kida.re.kr
  
최근의 급속한 기술발전에 힘입어 레이저 무기에 대한 관심이 높아졌다. 소출력 레이저를 이용하여 계측기기 등에서 활용하던 것에서 벗어나 타격체계에 적용할 수 있는 고에너지 레이저로 눈을 돌린 것이다. 이 글은 가장 앞서 레이저무기를 개발하고 있는 미국의 사례를 살펴보고, 우리가 앞으로 해결해야 할 과제를 짚어본 것이다. 고출력화, 소형화 및 경량화, 최적화된 설계기술, 운용개념 발전이 그것이다. 과학기술자와 군이 머리를 맞대고 같이 고민할 것을 주문했다.
 

레이저는 포인터를 비롯한 사무용품, 정밀 절단, 마킹 등을 위한 산업용 장비에 활용되어 왔다. 국방분야에서는 생화학 작용제 탐지, 거리측정 등에 저출력 레이저를 활용해 왔다. 이후 다양한 표적을 파괴할 수 있는 수단으로 고에너지 레이저를 주목한 것은 당연한 수순이었다. 냉전시대부터 미국이 레이저의 군사적 활용방안을 본격적으로 모색하기 시작했는데, 대표적인 사례가 대륙간 탄도미사일을 방어하기 위한 지상 및 우주배치 레이저 무기 계획이었다. 대륙간 탄도미사일을 요격하기 위해서는 가공할만한 수준의 출력이 필요하기 때문에 핵폭탄을 활용하여 X-선 레이저를 발생시키는 개념으로 출발했지만, 냉전이 종식되면서 계획이 구체화되지 못했다. 이후 군사적 활용을 위한 레이저 연구는 기체 레이저, 고체 레이저, 화학레이저, 자유전자레이저 등으로 다양하게 진행되었다.
 

■ 대표적인 개발 사례

1990년대에 들어서면서 가장 각광을 받으며 가능성을 보인 분야는 화학레이저였다. 화학물질이 반응하면서 발생하는 광 에너지를 집속시킨 것으로서 다른 레이저보다 고출력을 내는 데 가장 적합한 것으로 알려졌기 때문이었다. 그러나 화학반응의 부산물로 발생하는 유독기체 문제 그리고 집속시키는 장치, 전송장치, 거울 등의 거대화 문제로 인하여 많은 사업이 중단되거나 취소되기도 했다. 대표적인 예가 보잉 747 항공기에 탑재하여 상승단계 탄도미사일을 요격하고자 개발한 메가와트급 COIL 레이저와 항공기, RAM(Rocket, Artillery, Mortar), 무인항공기 등에 대응하고자 개발된 DFTHEL(Tactical High Energy Laser)이다.

레이저의 국방분야 활용은 그렇게 속도를 내지 못했던 것이 사실이다. 레이저 유도장치 또는 레이저 거리측정기와 같은 계측기기에 활용하는 정도였다. 고에너지 레이저 무기와 같은 전술용 무기는 과거 기술수준으로는 출력, 발사횟수, 체적 및 중량, 가격 등의 측면에서 재래식 화포를 대체할 수 없었다.

2000년대 중후반부터는 고체레이저와 광섬유 레이저의 개발이 활발해졌다. 이 중 광섬유 레이저는 상용기술의 발전에 힘입어 단기간에 괄목할만한 진전을 이루어 내고 있다. 향후 전술무기로의 활용을 위한 연구개발 및 전력화가 가장 활발한 레이저 형태가 될 것으로 예상된다. 이처럼 2000년대에 들어서 실용 레이저 무기를 개발하고자 하는 노력이 본격화하면서 기술의 정체상황이 변화하기 시작했다. 배경으로는 세 가지를 꼽을 수 있다. 첫째는, 레이저 기술의 성숙이다. 이는 군사 강대국들은 화포를 대체할 수 있는 꿈의 무기로 레이저를 바라보게 했다. 레이저가 전쟁의 판도를 바꿀수 있는 게임체인저 또는 현대 무기의 대표주자로 여겨지기도 했다. 둘째, 저가의 고성능 민수용품이 이미 널리 퍼져있어서 그 가능성을 눈으로 직접 확인할 수 있었다는 점이다. 레이저가 갖고 있는 강력한 초정밀 절단력은 다양한 가공을 가능케 했다. 상용기반 레이저를 활용할 수 있게 됨에 따라 저렴한 가격으로 조달이 가능하게 되었다. 셋째, 레이저 무기의 실용화를 필요로 하는 전술적 전략적 군사환경이 도래했다는 점이다. 대테러전이 촉발된 2000년대는 핵 미사일 위협뿐 아니라 비정규무력집단에 의한 대규모 테러공격(급조 폭탄 및 박격포탄에 의한 무차별 공격) 등의 위협이 커진 시기였다. 이 두 가지 위협은 매우 다른 것이지만, 동시 다발적으로 발생할 수 있고 전통적인 지대공 미사일로 방어가 곤란하다는 점에서는 비슷한 것이었다. 레이저 무기가 이러한 상이한 위협에 대하여 효과적으로 대응할 수 있을 것이란 기대가 커졌고, 실용화를 촉진시킨 배경이 되었다.

개발사례 중 먼저 언급할 것은 미 육군의 MTHEL(Mobile Tactical High Energy Laser)이다. 미국은 이스라엘과 마찬가지로 이라크전이나 아프카니스탄의 대테러 전쟁에 있어서 RAM, 급조 폭탄, 자동차 폭탄에 의한 공격의 위협을 받고 있었다. 최근에는 저가의 시판용 드론에 의한 공격위협도 증가했다. 이에 대응하여 레이저무기의 효용성이 주목받기 시작했다. 미 육군 우주미사일방어사령부(SMDC)가 중심이 되어 다양한 방공 레이저 무기 개발을 추진했는데, 그중 대표적인 것이 MTHEL이다. 이 체계는 중량 18톤의 스트라이커 8륜 장갑차 차체에 Mobile ExpeditionaryHigh Energy Laser 2.0이라 불리는 출력 5kw 레이저포를 탑재한 것이다. 탑재되는 레이저는 보잉사가 무인기 요격용으로 제작한 것인데, 레이저 발생장치, 빔조사장치, 냉각장치, 축전지장치 등 4가지 모듈로 구성되었다. 이 레이저 무기는 센서(적외선 카메라 및 거리측정기)와 결합되어 있다.

원격조작식 12.7밀리 중기관총, 전자재머 장치도 장갑차에 함께 탑재되어 있다. 미 육군이 발표한 영상자료에 따르면 스트라이커 좌측차체에 드론격추 마크가 표시되어 있다. 4개의 로터를 장착한 쿼드콥터가 52기, 단발 고정익무인기가 12기 표시되어 있다. 실제로 그만큼을 격추했는지는 확인할 수 없지만 어느 정도 성능을 입증한 것 만큼은 틀림없는 것으로 보인다. 레이저는 비행 중에 있는 드론의 취약부인 모터와 후미익을 레이저로 수초간 조사하여 드론을 태워서 요격시킬 수 있다. 미 육군의 계획에 의하면 빠른 시기 안에 최소한 10kw, 그리고 다음 단계에는 18kw의 레이저를 탑재할 것이라고 한바 있다. 2021년까지는 50kw급 레이저 무기를 탑재하는 것을 목표로 하고 있다. 미 육군의 소형 레이저 무기가 이정도 수준까지 도달하면 전방관측부대 및 방공부대에 배치될 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 종류의 소형 레이저는 전차 및 장갑차에 탑재하여 적의 대전차 미사일 및 포탄 공격으로부터 방호할 수 있는 신형 방호시스템(APS: Active Protection System)이 될 것이다.

다음으로는 광섬유 레이저를 활용하는 HELMTT(High Energy Laser Mobile Test Truck) 개발사업이다. 이 사업은 앞서 말한 MEHEL을 개발하기 이전인 2005년경 착수한 것으로 알려져 있다. 보잉사는 오쉬코쉬사의 8륜 중기동 트럭을 기반차체로 활용한 체계를 2011년에 미 육군에 인도했다. 2013년 11월에는 뉴멕시코주 화이트샌드 사격장에서 각종 표적에 대한 레이저 발사시험을 수행했다. 격추되어 떨어진 목표물은 박격포 90여발과 몇 대의 무인기였고, 격추거리는 1.8∼2.7km 정도였다고 알려졌다. 레이저 무기의 출력은 10kw로서 미국 IPG사 제품이었다. 조기에 시험을 수행하기 위하여 민수품 레이저 용접기의 빔 조사부를 개조하고 조준센서, 안정장치, 구동장치 등을 레이저 포가부에 조합한 것이라고 한다. 레이저 무기가 탑재된 기동시험 트럭은 최대중량이 50톤이나 되고 전장은 7.3m 정도였다. 구성품들은 모두 컨테이너에 탑재되어 기동시험 트럭의 외관은 상당히 단순하다. 컨테이너 외부의 벽에는 교류발전기가 탑재되어 있고 컨테이너 내부의 2/3는 레이저 광선을 조사하기 위한 빔 조사부(BD: Beam Director Assembly), 제어장치, 격납기구(MRS:Mechanical Retraction System)의 제어장치가 탑재되어 있으며, 내부 우측에는 축전기가 탑재되어 있다. 사각형 모양의 빔조사부는 360도 선회할 수 있으며 고저로 움직일 수 있는 포가가 위치해 있다. 컨테이너의 중앙에는 레이저 발생장치, 목표지시 레이저(TILL), 레이저 냉각탱크 등이 위치하고 있다. 전자기기는 트럭의 뒷부분에 위치해 있다. 컨테이너 외부의 벽에는 냉난방 공조설비, 열관리 시스템이 부착되어 있다. 트럭의 운전석에는 운전자와 레이저 무기 운용자 2명이 탑승할 수 있다. 우측에 위치하는 운용자는 컴퓨터와 조작기를 통하여 혼자서 레이저 무기 사격조작을 하도록 되어 있다.

이러한 레이저 무기를 실제로 운용할 때는 TPQ-53 기동 레이더(탐지거리 20∼60km) 및 전투관리지휘소(BMC4I)와 연동을 한다. 사격 시에는 랩탑 모니터에 센서가 포착한 목표물의 영상 및 조준 십자형선에 포착된 목표물의 적외선 영상 등 다양한 정보가 표시된다. 미 육군이 추구하는 실용형 레이저 무기의 능력은 다음 <표 1>과 같다.
  

 
문제는 이러한 능력을 실현하려면 100kw급의 고출력 레이저 장치가 필요하다는 점이다. IPG 10kw 레이저를 활용하는 보잉사는 자체개발한 50kw 레이저 무기를 HELMTT에 탑재하려 하고 있다. 한편, 미 육군과 250만 달러(2014년)에 개발계약을 한 경쟁업체인 록히드마틴사는 2017년 3월 개략 60kw급 광섬유 레이저 개발에 성공했다고 알려졌다. 고품질 고출력 58kw의 레이저를 200초간 조사했다는 것이다. 록히드마틴사가 개발한 광섬유 레이저는 육군의 RELI(Robust Electric Laser Initiative) 프로그램의 연구 성과물이다. 이 광섬유 레이저 무기는 독자적인 빔 스텍트럴 빔결합 프로세스 기술을 이용한 것으로, 소형이고 내구성이 높은 다수의 광섬유 레이저를 하나로 통합한 것이라고 한다. 이 레이저의 소요전력에 대비한 에너지 효율은 43% 이상으로 종래의 33%에 비해 크게 향상되었다. 이에 따라 동일 레이저 무기에 있는 축전 및 냉각장치 등도 소형화가 가능할 것으로 예상하고 있다.

다음으로 미 육군 여단용으로 개발하고 있는 100kw급 기동 레이저 무기이다. 현재 미 육군 전방부대의 병사가 보유한 대공무기는 험비 차량에 탑재한 사정거리 5km 스팅거 미사일이 전부이다.

미 육군은 다련장 지대공 미사일 발사기와 다층 방공망을 조합하고자 하는데, 여기에 레이저 무기를 포함하겠다는 것이다. 레이저 무기의 탑재체로 보병여단전투단에는 6륜형 트럭, 여단전투단에는 장륜 장갑차, 기갑여단전투단에는 브래들리 장갑차를 고려하고 있다. 100kw급 레이저 무기를 탑재하면 무장무인기(중량 600kg 이상)뿐만 아니라 저고도로 비행하는 순항미사일의 취약부분을 정밀하게 조준하여 격추시키는 것이 가능할 것으로 판단하고 있다. 300kw급이 되면 대형 순항미사일, 초음속미사일 및 공격헬기를 원거리에서 격추시킬 것으로 본다. 메가와트급이라면 탄도미사일의 격추가 가능하다.

30kw급 레이저무기로는 해병대가 무인기 격추 전용으로 개발하고 있는 차량탑재형 GBAD과 록히드마틴사의 아테나가 있는데, 25∼599kg의 무인기를 격추시킬 수 있을 것으로 기대하고 있다. 시험에서 아테나는 조사시간은 불명확하지만 1.6km 거리에서 자동차의 엔진부를 파괴하는 위력을 보여주었다. 50kw급의 레이저 무기에는 독일 라인메탈사의 HEL(2기)가 있는데, 240밀리급의 로켓탄이나 무인항공기군을 요격할 수 있다고 보고 있다.
 

■ 해결해야 할 과제들

앞서 기술한 바와 같이 지난 10년 동안 레이저 분야는 상용기술 발전의 덕을 많이 봤다. 고에너지 레이저분야에서는 2000년대 초반까지 탄도미사일 요격용 레이저, 우주배치 레이저 등 고출력 레이저에 치중 했으나, 2010년대 이후 수십에서 수백KW급의 전술레이저로 활용분야가 바뀌었다.

고에너지 레이저는 주로 방어용 무기에 활용될 것으로 보인다. 아직까지는 공대공, 지대지 혹은 공대지 교전을 지원하는 역할에 필요한 출력을 갖추지 못했기 때문이다. 탄도미사일이나 초음속 순항미사일에 대응하려면 고품질의 빔과 상당히 향상된 출력이 요구된다. 수백 킬로와트급 고에너지 레이저 무기를 단기간에 운용할 수 있는 수준으로 내놓기는 어려울 것이다. 그럼에도 불구하고 일단 배치되면 사격시간과 교전거리를 확대시켜 전투능력을 향상시킬 것이다. 물론 이것이 비용을 고려할 때 효율적인 것이 될지는 장담하기 어렵다. 미래전장위협의 양상을 전망한 후 사용목적에 따라 요구출력을 명확히 설정하고 경량화 및 소형화를 추구하는 것이 우선 과제이다.

미래 전장환경에서는 소형무인기, 중형 무인기, 무장무인기, RAM, 순항미사일, 항공기, 탄도미사일, 위성 등이 지금보다 더 많은 주목을 받게 될 것으로 예상한다. 앞서 언급한 것처럼 현재의 출력 수준인 50∼60kw 정도로는 소형무인기 정도를 격추할 수 있다. RAM, 무장무인기, 대전차 미사일을 수 초안에 요격시키기 위해서는 100kw급이 되어야 하고 공격헬기, 순항 미사일을 요격하려면 300kw급으로 출력이 높아져야 한다. 그러나 출력을 높이는 것이 전부는 아니다. 고정시설을 방어하는 무기체계의 경우에는 중량이나 체적이 큰 문제가 아닐 수 있으나, 기동하는 부대를 방호하기 위해서는 기동속도를 맞출 수 있는 차량에 탑재가 가능해야 한다. 함정에 탑재하기 위해서는 함정의 주어진 여유 공간에 놓을 수 있는 정도의 크기라야 한다. 장기적으로 헬기, 수송기, 전투기 등의 플랫폼에 탑재하려면 크기와 무게를 더욱 줄여야 한다.

소형화 및 경량화 대상은 레이저 발진기, 냉각장치, 광전송장치, 망원경이다. 먼저 레이저 발진기효율을 높여야 한다. 이는 공급된 전원 대비 레이저로 전환된 비율을 말하는데, 현재까지는 43%(록히드마틴사 기준)가 최고 수준이다. 최근에 연구되고 있는 고효율 희토류 레이저, 알카리 레이저 등의 새로운 고효율 레이저가 개발된다면 상당한 진전이 있을 것으로 예상된다. 냉각장치를 소형화하기 위해서는 고온 동작 광학구성품 개발, 냉각방식 및 냉매의 변화가 필요하다. 고온동작 광학구성품이 개발되면 냉각부담이 줄어들어 자연스럽게 소형화가 가능해진다. 레이저 발생장치를 냉매매질에 직접 가두어 냉각 효율을 높이는 방식도 가능할 것이다. 광전송 및 집적장치, 망원경 등은 구조를 변형하여 체적을 최대한 분산시키는 방법을 생각해 볼 수 있다. 예를 들어 항공기 탑재가 가능하도록 기체를 따라 광전송장치와 거울을 변형하고 차지하는 공간을 최소화하는 것이다.

출력을 높이는 것은 소형화를 전제로 단계적으로 접근하는 것이 무난한 방법이지만, 미 육군이 지향하는 것처럼 목표 출력(100kw급)을 정해 놓고 접근하는 것도 고려할 수 있는 대안이다. 시범체계를 운용하여 레이저의 기술적, 운용적 측면에서의 경험을 축적하면서, 출력을 향상시키기 위한 핵심기술을 발전시켜 범용 방공체계로 전력화하는 것이 바람직할 것으로 생각된다. 운용측면에서는 방어무기로 제한된 목표개념을 공격용으로 확장하는 노력도 필요하다. 이를 위해서는 먼저 지상 및 해상, 공중에서의 정밀 타격개념 발전이 필요하다. 다음 순서는 탄도미사일 상승단계 요격(BPI), 위성체계 요격 등의 개념발전이 될 것이다. 물론 방어용이든 공격용이든 장거리 사정권을 염두에 둘 경우에는 변형거울과 같은 또 다른 기술이 적용되어야 하는데, 기술적으로 어렵기도 하지만 파

괴 또는 요격 성공률이 낮아지는 문제가 생길 수 있다. 요구출력은 파괴 또는 요격을 목표로 하는 대상과 거리에 따라 적절하게 설정해야 한다. 레이저 무기에서 발사된 레이저가 전파상의 문제를 야기하지 않는 범위의 거리와 목표로 하는 표적을 대상으로 산정되어야 한다는 의미이다.

기술적 진보를 달성하기 위해서는 고에너지 레이저 무기 개발을 위한 인프라 구축이 필수적이란 점은 두말할 필요가 없다. 고에너지 레이저 무기 개발을 위한 핵심기술에 지속적인 투자를 해야 한다. 핵심기술 개발을 바탕으로 고출력화, 경량화 및 소형화, 플랫폼별 설계기술 등 체계개발을 위한 저변을 확대해야 한다.

고에너지 레이저 무기의 활용 가능성은 높지만 조급해하거나 지나친 기대를 하는 것은 지양해야 한다. 기술적 미진함을 극복하는 것이 먼저다. 이는 개발을 담당하는 과학기술자의 몫이다. 군이 해야 할 일은 이를 전장에서 어떻게 활용할 것인지를 고민하는 것이다. 하지만 이 둘은 별개가 아니다. 양측이 정보를 주고받으면서 서로에게 자극을 주어야 한다. 성과는 자연스럽게 나올 것이다.

   
※ 본지에 실린 내용은 집필자의 개인적 의견이며, 본 연구원의 공식적 견해가 아님을 밝힙니다.

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