[주간국방논문] 탄도미사일 다층방어체계 구축을 위한 고려사항

[주간국방논문] 탄도미사일 다층방어체계 구축을 위한 고려사항

요약

북한은 탄도미사일 발사 능력을 지속 발전시키고 있으며 탄두의 발전도 병행하고 있는데, 핵?생화학?전자기펄스?자탄형탄두 등 대량살상이 가능한 다양한 탄두가 위협으로 부상하고 있다.

이러한 위협들에 보다 효과적인 대응을 위해서는 탄도미사일을 고고도에서 조기 요격 가능한 상층방어체계를 기존의 하층방어체계와 복합 운용하는 다층방어체계를 구축할 필요가 있다.

다층방어체계 구축 시에는 다양한 위협에 대해 배척고도를 달성할 수 있고, 요격기회 증가로 방어율을 제고할 수 있으며, 방어영역이 확대되어 지역방어가 가능한 장점이 있다.

그러나 방어영역의 다층화 및 중첩화에 따라 교전통제가 복잡해지고, 소요 비용 증가에 대한 비용 대 효과 검토가 필요할 것이다.

다층방어체계 구축을 위해 고려할 사항으로는, 첫째, 하층?상층방어체계의 특성을 잘 고려하여 교전통제 개념을 발전시키고,

둘째, 적 위협에 대한 선별적 방어와 이를 위한 정보 획득 및 분석 능력의 확충이 필요하다.

셋째, 방어체계 배치구조 최적화 및 이를 위한 기준을 구체화해야 하고, 넷째, 발사-격추평가-발사(Shoot-Look-Shoot)를 구현하기 위한 작전운용성능 설정과 격추평가 능력 향상도 필요하다.

진화를 지속하고 있는 북한의 위협 양상을 고려할 때, 우리도 이에 대비하기 위한 다층방어체계 구축을 보다 면밀하게 검토하고 체계적으로 발전시켜야 할 시점이다.

본문

북한은 2014년에만 수십여 발의 탄도미사일을 시험발사하였고, 이는 과거에 비해 그 빈도와 발사량이 급격히 증가한 수치다.

최근에는 잠수함에서 미사일을 발사할 수 있는 능력을 갖기 위한 실험이 美 정보당국에 의해 포착1)되는 등 탄도미사일 공격 능력 구비에 더욱 박차를 가하는 모습을 볼 수 있다.

탄도미사일은 대표적인 비대칭위협의 하나로 월등한 위력에 비해 적은 비용이 소요되기 때문에, 북한은 앞으로도 탄도미사일 공격 능력강화를 지속할 것으로 예상된다.

북한은 탄도미사일 발사 능력의 발전과 더불어 탄두의 발전도 병행하고 있는데, 핵?생화학?전자기펄스?자탄형탄두 등 대량살상이 가능한 다양한 탄두가 위협으로 부상하고 있다.

이러한 위협들에 보다 효과적으로 대응하기 위해서는 탄도미사일을 높은 고도에서 조기에 요격할 수 있는 상층방어체계를 기존의 하층방어체계와 복합 운용할 필요가 있다.

일본은 최근 기존의 패트리어트(Patriot)와 SM-3에 추가로 THAAD 도입을 검토2)하고, 이스라엘은 기존의 Arrow-2에 추가로 Arrow-3를 개발3)하는 등 미국 외에도 여러 나라에서 탄도미사일 다층방어를 지향하고 있음을 확인할 수 있다.

우리 군도 2015년부터 장거리 지대공 유도무기 L-SAM의 연구개발에 착수4)하는 등 다층방어체계 구축을 시작하였지만, 종말단계 하층방어 위주로 발전되어 온 한국형 미사일방어체계 KAMD5) 정책 기조에 따라 다층방어체계 개념 발전은 미흡한 실정이다.

이에 본고에서는 현용 하층방어체계에 부가하여 상층방어체계가 필요한지, 장단점은 무엇인지 살펴본 후, 다층방어체계 구축을 위한 고려사항을 제시하고자 한다.

● 탄도미사일의 요격고도

탄도미사일의 요격고도를 구분하는 기준은 크게 두 가지이다.

하나는 대기권 내부와 외부로 구분하는 것이며, 다른 하나는 대기권 안에서 하층과 상층을 구분하는 것이다.

이러한 구분은 대기층의 밀도와 밀접한 관련이 있으며, 일례로 하층방어체계인 패트리어트의 경우 고도 30km 이하라는 공기의 밀도가 높은 환경에서 운용되므로, 마찰열로 인해 적외선 탐색기 적용이 어려우며 초고주파 탐색기를 채택하고 있다.

또한 하층에서 운용되므로 연료 탑재량 및 요격탄 크기도 작은 편이다.

반면에, 공기의 밀도가 낮은 상층에서 운용되는 THAAD의 경우 상대적으로 높은 해상도를 얻을 수 있는 적외선 탐색기를 적용하고 있으며, 많은 연료를 탑재하고 요격탄도 큰 편이다.

이와 같이 하층, 상층, 외대기권별로 각각 최적의 방어체계가 발전되고 있으며 대표적인 체계로는 각각 Patriot, THAAD, SM-3가 있다.

<그림 1> 탄도미사일 요격고도 구분

● 상층방어체계의 필요성

○ 북한 미사일 위협 발전 양상

전술한 바와 같이 북한은 핵?생화학?전자기펄스?자탄형탄두 등 대량살상이 가능한 다양한 탄두를 발전시키고 있는 것으로 알려져 있다.

연구에 따르면 소형 핵탄두를 전자기펄스탄 형태로 활용할 수 있으며, 동해 상공 40~60km에서 20kt의 핵무기가 터지면 한반도 전역의 전자장비 탑재 무기를 무력화할 수 있다고 한다.6)

또한 북한은 탄도미사일을 고도 50km 부근에서 자탄으로 분리시켜 넓은 영역에 피해를 주는 기술을 보유한 것으로 보고되고 있다.7)

이러한 내용들이 사실이라면 일정 고도 이상에서 탄도미사일을 요격해야 하며, 기존의 하층방어체계로는 대응이 제한적이다.

따라서 다양한 위협에 보다 효과적으로 대응하기 위해서는 고고도에서 추가적인 요격기회를 제공할 수 있는 상층방어체계에 대해 검토할 필요가 있다.

○ 지역방어 능력 요구

하층방어체계는 방어영역이 좁아 핵심 시설 방호위주의 점방어(Point defense)를 제공한다.

이에 따라 하층방어체계로 한반도의 전 국토를 방어하고자 한다면 무수히 많은 포대를 배치해야 하는데, 이는 무기체계 획득비용 및 운영을 위한 인력과 부지 확보 등 여러 가지 현실적인 어려움이 많다.

따라서 지역방어(Area defense) 능력을 보유한 방어체계 운용이 필요한데, 이는 넓은 방어영역 및 긴 사거리를 가진 방어체계를 의미한다. 유사한 예로, 항공기 방어의 경우에도 단거리 방어체계는 핵심 시설 위주의 국지방공을 담당하고 장거리 무기체계는 넓은 영역에 대한 지역방공을 담당한다.

탄도미사일 방어에 있어서도 이러한 점방어와 지역방어를 복합한 개념의 방어가 필요하며, 이를 위해서는 하층방어 체계와 상층방어체계의 복합 운용이 필요하다.

○ 주요국 다층방어체계 구축 현황

외국의 경우에도 탄도미사일 방어체계는 다층방어를 지향하는 추세임을 확인할 수 있다.

먼저 미국의 경우를 살펴보면 SM-3, THAAD, Patriot로 이어지는 다층방어구조를 가지고 있다.

적의 탄도미사일이 발사되면 해상에서 SM-3를 발사하여 요격을 시도하고, 이것이 실패하면 THAAD로 요격, 다시 실패하면 Patriot로 요격하는 것이다.

일본의 경우에는 현재는 SM-3, Patriot로 이어지는 2층의 방어구조를 구축해 놓고 있는데, SM-3와 Patriot의 사이에서 추가적인 요격기회를 가지기 위해 THAAD 도입을 검토하고 있다.

그렇게 되면 미국과 유사하게 SM-3, THAAD, Patriot로 이어지는 3층의 다층방어를 하게 될 것이다.

이스라엘의 경우 Arrow-3 개발이 완료되면 Arrow-3, Arrow-2, David’s sling으로 이어지는 다층방어구조가 구축될 예정이다.

이와 같이 각국은 탄도미사일 방어를 위해 다층방어체계를 구축하려는 목표를 가지고 있으며, 이러한 추세는 탄도미사일 방어에는 다층방어가 필요하다는 점을 간접적으로 시사한다고 볼 수 있다.

뒤따르는 절에서 다층방어체계 구축 시의 장단점에 대해 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.

● 다층방어체계 구축 시 장단점

○ 배척고도 달성 가능

앞서 전자기펄스탄이 고도 40~60km에서 폭발하면 한반도 전역에 영향을 줄 가능성이 있음을 언급하였다.

이를 막기 위해서는 해당 고도에서 폭발을 하기 전에 탄도미사일을 요격해야 하며 기준 고도는 60km 이상이 될 것이다.

이와 같이 위협의 효과를 최소화하기 위해 요구되는 요격고도를 배척고도(keepout altitude)라고 하며, 앞서 제시한 내용에 따르면 자탄형탄두에 대한 배척고도는 50km가 될 것이다.

이와 같이 탄두의 종류에 따라 각기 다른 배척고도가 요구되며, 다층방어체계를 운용할 경우 다양한 탄두에 대응하여 배척고도를 달성할 수 있는 장점이 있다.

○ 요격기회 증가

다층방어체계의 또 다른 장점 중 하나는 요격기회의 증가이다.

하층방어체계만 운용 시에는 조기경보레이더가 탄도미사일을 조기에 탐지한다 하더라도 방어체계의 사거리가 짧기 때문에 탄도미사일이 탄착하기 직전까지 요격하지 못하고 보고만 있어야 한다.

또한 하층방어체계가 요격에 실패한다면 바로 탄착하기 때문에 피해로 직결된다.

그러나 상층방어체계를 함께 운용하면 1차로 상층방어체계가 조기에 원거리 요격을 시도하고, 실패 시 2차로 하층방어체계가 한 번 더 요격기회를 가지게 되므로 방어율을 한층 더 제고할 수 있다.

○ 넓은 방어영역

상층방어체계 운용에 따라 방어영역이 확대되는 효과가 있다.

여기서 방어영역(defended area)이란 방어체계가 지면상의 어디에 탄착될 탄도미사일을 교전해 낸 것인지를 지면상에 표시한 것을 말한다.

필자는 이를 <그림 2>와 같이 각도기 원리를 통해 설명하고자 한다.

그림과 같이 탄도미사일의 하강 각도가 똑같이 10° 차이라 하더라도, 하강하는 거리가 더 길수록 지면상의 거리 편차, 즉 방어영역편차도 더 커지는 것을 볼 수 있다.

따라서 상층에서 요격을 할 경우 기하학적 원리에 의해 방어영역이 넓을 수밖에 없는 것이다.

이것이 하층방어체계는 점방어, 상층방어체계는 지역방어를 제공할 수 있는 이유이기도 하다.

<그림 2> 탄도미사일 요격고도와 방어영역의 관계

○ 단위 포대당 비용 증가

상층방어체계 운용에 따른 가장 큰 문제는 소요비용이다.

요격탄을 상층까지 올리기 위해서는 연료도 많이 소모될 것이고 무기체계의 구조도 복잡해지게 된다.

또한 원거리 고고도에서 비행하는 탄도미사일을 탐지 및 추적하기 위해서는 능력이 우수한 레이더를 필요로 하는데 여기에도 많은 비용이 소요된다.

언론에 따르면 THAAD 1개 포대의 구매비용은 2조 원(2014년)8)으로, Patriot 3개 포대의 구매비용인 15억 달러(2006년)9)와 유사한 것을 볼 수 있다.

하지만 1개 포대당 방어영역이 넓어 하층방어체계 여러 포대를 대체할 수 있다면 어느 쪽이 유리한지는 사안별로 면밀한 검토가 필요할 것이다.

○ 교전통제의 복잡성 증가

하층방어체계만 운용 시에는 방어영역이 좁아서 서로 겹치는 경우가 적었지만, 하층방어체계와 상층방어체계를 복합 운용할 때에는 교전통제가 복잡해지게 된다.

하층방어체계와 상층방어체계 간 방어영역이 다층화되고, 상층방어체계 간에도 방어영역이 중첩될 수 있기 때문이다.

따라서 하나의 탄도미사일에 대해 복수의 방어체계로 교전 가능할 경우 중복교전을 방지(deconfliction)하고 어떤 방어체계를 선정하여 어떻게 대응할지에 대한 계획 수립 및 통제가 중요해진다.

● 다층방어체계 구축을 위한 고려사항

○ 교전통제 개념 발전

<그림 3>과 같은 상황을 가정할 경우 하층방어체계만 있을 때에는 방어영역이 겹치지 않아 독립적으로 교전을 수행하면 되지만, 상층방어체계가 함께 운용된다면 방어영역이 다층화되고 중첩되므로 상황별로 최적 교전통제가 필요하다.

예를 들어, 방호대상 1은 다층방어가 가능하므로 상층 1발, 하층 2발을 할당하고, 방호대상 2는 하층방어체계가 없으므로 상층 2발을 할당해 볼 수 있다.

방호대상 3이 핵탄두 공격을 받고 있다면 요격률을 좀 더 높이기 위해 상층 2발, 하층 3발을 할당해 볼 수도 있을 것이다.

이때 TBM 1과 2의 방어를 이미 담당하고 있는 상층방어체계 1의 탄 소모량 및 임무 부담을 고려하여 TBM 3의 방어는 상층방어체계 2에 할당하는 것이 합리적일 것이다.

방어체계를 선정할 때에는 이외에도 해당 위협을 가장 빨리 요격할 수 있는지, 가장 높은 살상률을 갖고 있는지, 동시대응능력은 충분한지 등을 고려할 수 있으며, 이러한 요소들을 종합적으로 점수화하여 선정할 수도 있을 것이다.

이와 같이 다층방어체계 운용 시에는 방어체계 간 방어영역이 겹치는 경우 중복교전을 방지하고, 각 위협에 대한 최적 방어체계를 선정하고, 각 방어체계가 몇 발씩 발사할지에 대한 사격교리 등 교전통제에 대한 논리 및 기준을 상황별로 구체화하여 정립하는 것이 중요하다.

<그림 3> 방어체계 다층화에 따른 교전통제 예시

○ 위협에 대한 선별적 방어

상층방어체계는 원거리 고고도 요격이 가능하므로 하층방어체계보다 앞서 교전하게 된다.

그러나 날아오는 모든 탄도미사일에 대해 상층방어체계로 교전한다면 요격탄이 금세 소진되어 정작 전자기펄스탄 등 상층방어가 필요한 상황에서 대응하지 못할 수도 있다.

전술한 바와 같이 상층방어체계의 요격탄은 상대적으로 비싸기 때문에 무한정 구비해 놓기에는 어려운 점이 있다.

따라서 위협에 대한 선별적 방어가 필요하며, 이를 위해서는 다양한 수단으로 정보를 획득하고 분석할 수 있는 능력을 발전시켜야 한다.

어디에서 어떤 의도로 어떤 탄이 발사되었는지 정확히 파악되어야 선별적 방어 개념을 적용할 수 있기 때문이다.

또한 분석된 정보를 바탕으로 어떠한 선별적 방어개념을 적용할 것인지에 대해서도 상황별로 구체화가 필요하다.

예를 들어, 핵탄두로 추정되는 탄도미사일에 대해서만 상층과 하층 모두 대응한다든지, 상층탄 재고량이 10발 이하가 되면 핵탄두 추정 탄도미사일에만 대응한다든지, 해당 위협의 탄두 및 궤적 등 특성 및 포대별 탄 재고량을 고려할 때 더 유리한 방어체계가 있다면 전방의 방어체계가 교전하지 않고 후방으로 교전권을 넘기는 등의 다양한 구체화 및 최적화가 필요하다.

○ 방어체계 배치구조 최적화

하층방어체계는 방어영역이 넓지 않으므로, 단순화하여 얘기하자면 방어하고자 하는 중요 방호대상 별로 각 1개 포대씩 배치하면 된다.

그러나 상층방어체계를 함께 운용한다면 어디를 다층방어할 것인지, 어디를 중첩방어할 것인지, 하층방어공백은 어디인지 등에 따라 방어체계 배치구조가 달라질 수 있다.

여기서 배치구조라 함은 어떤 방어체계를 얼마나 어디에 배치할지를 의미한다.

예를 들면 같은 하층방어체계지만 패트리어트가 M-SAM보다 능력이 상대 우위에 있다고 생각한다면, 우선순위가 높은 방호대상에 패트리어트를 먼저 배치하고 우선순위가 낮은 방호대상에는 MSAM을 배치할 수도 있을 것이다.

보유한 하층방어체계의 수보다 방호대상의 수가 더 많다면 방어공백이 발생하게 되는데, 상층방어체계로 하층방어의 공백을 보완하는 방안을 생각할 수 있다.

이때에도 새 방호대상의 개수만을 중요시할 것인지, 방호대상별 가중치를 주어 점수화할 것인지, 전체 방호면적을 중요시할 것인지, 즉 기준을 어떻게 정립하느냐에 따라 방어체계의 배치 위치가 달리 선정되고 방어효과도 달라진다.

즉, 방호대상의 개수 기준으로 위치를 선정하면 방호면적에서는 효율이 낮아질 수 있고, 반대로 방호면적 기준을 적용한다면 방호대상의 개수가 줄어들 수도 있다.

방어공백을 상층방어체계로 보완할지, 하층방어체계로 보완할지도 생각해 볼 문제다.

다수의 방어공백이 밀집해 있다면 다수의 하층방어체계를 추가배치하는 것보다 소수의 상층방어체계를 추가 배치하는 것이 비용 대 효과 측면에서 유리할 수 있다.

방어공백이 산재해 있다면 다수의 상층방어체계가 소요되어 비용이 상승하지만 효과 측면에서는 넓은 면적을 지역방어, 중첩방어할 수 있으므로 종합적인 판단이 필요하다.

이외에도 기종별 대응가능탄종, 요격가능고도, 동시대응능력, 방호대상의 중요도 등을 면밀히 고려하여 기준 정립 및 분석을 수행할 필요가 있다.

● 발사-격추평가-발사 능력

상층방어체계가 발사(shoot)된 후 격추평가(look)를 할 시간이 충분하지 않다면, 상층에서 요격이 성공했더라도 하층방어체계는 이를 인지하지 못하고 요격탄을 발사(shoot)해야 하므로 비효율적이며 요격탄 소진도 빨라진다.

발사-격추평가-발사(Shoot-Look-Shoot) 능력의 구현에는 하층방어체계의 교전고도, 탄도미사일의 비행속도, 격추평가 소요시간, 상층방어체계의 교전고도 등이 연관되어 있다.

여기에서 하층방어체계는 기획득하였고, 탄도미사일 속도는 우리가 바꿀 수 있는 사항이 아니므로, 우리는 상층방어체계의 작전요구성능 중 최고 교전고도를 충분히 높게 설정하여 하층방어체계의 발사 이전에 격추평가가 완료되도록 시간적 여유를 확보할 필요가 있다.

또한 격추평가 자체에 소요되는 시간도 단축할 필요가 있는데, 이를 위해서는 레이더 능력, 격추평가 알고리즘, 운용자 능력 등의 향상이 필요하다.

만약 여러 발의 탄도미사일이 동시에 날아오는 경우까지 고려한다면 추가적으로 동시대응능력, 발사 간 시간 간격, 최저 요격고도 등도 함께 고려해야 한다.

동시 대응 및 발사 시간 간격에 따라 상층방어의 요격고도가 점점 낮아질 수 있으므로 상층방어체계의 최저 요격고도도 중요해지며, 그러한 상황에서도 격추평가 시간이 충분히 확보되어야 한다.

결언

살펴본 바와 같이 하층방어체계와 상층방어체계는 각각의 장단점을 가지고 있어 상호 보완적인 운용이 필요하다.

하층방어체계는 핵심 지역 위주의 점방어 제공에 유리하고, 상층방어체계는 한반도 전역에 대한 지역방어 제공에 유리한 측면이 있다.

하층방어체계와 상층방어체계를 복합하여 다층방어체계를 구축·운용할 때에는 추가적인 요격기회로 방어율을 제고할 수 있고, 다양한 위협 탄두에 대한 배척고도를 달성할 수 있을 것이다.

핵?생화학·전자기펄스·자탄형탄두 등 북한의 미사일 위협은 다양한 형태로 진화하고 있다.

진화를 지속하고 있는 이러한 위협 양상을 고려할 때, 우리도 이에 대비하기 위한 다층방어체계 구축을 보다 면밀하게 검토하고 체계적으로 발전시켜야 할 시점이다.

1)『조선일보』. (2014.11.22.). “美 정보당국 ‘북한, 잠수함 발사 탄도미사일 사출 실험한 듯.’”
2)『한국일보』. (2014.11.20.). “美 국방전문지 ‘일본, 사드 도입 검토 고려.’”
3)『뉴시스』. (2014.1.3.). “이스라엘 국방부 ‘미사일방어망 성공적 시험.’”
4)『뉴시스』. (2014.6.11.). “北 탄도미사일 요격용 L-SAM, 2015년 국산 개발.”
5) KAMD: Korean Air and Missile Defense system.
6)『동아일보』. (2011.6.25.). “北, 전자장비 무력화 슈퍼EMP폭탄 실험 의혹.”
7)『내일신문』. (2014.6.12.). “핵EMP?자탄형 탄도탄 요격미사일 개발 추진.”
8)『동아일보』. (2014.9.5.). “THAAD 1개 포대 평택에 배치한다.”
9)『연합뉴스』. (2006.9.30.). “韓, 패트리어트 미사일 내년부터 도입.”

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

[한국국방연구원] 2015.10.12.