[논문]북한 SLBM의 비행특성 해석

이경행; 서형필; 권용수; 김지원

doi:10.9709/jkss.2015.24.3.009

초록
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본 연구에서는 북한의 잠수함 발사 탄도미사일의 비행궤적을 시뮬레이션하고 발사방법에 따른 특성을 분석하였다. 최근 북한은 잠수함 발사 탄도미사일의 비행시험을 실시하였으며, 이는 국제적인 안보에 상당한 위협이 되고 있다. 북한은 러시아의 퇴역 잠수함을 해체하는 과정에서 잠수함 발사 탄도미사일 관련 기술을 확보하였고, 이와 관련된 실험을 지속적으로 하는 것으로 알려졌다. 북한의 잠수함 발사 탄도미사일 개발이 완료되고 실전 배치된다면, 이는 우리나라에 비대칭적인 위협 요소로 작용하게 될 것이다. 따라서 이러한 위협에 능동적으로 대응하기 위해서는 잠수함 발사 탄도미사일의 위협에 대한 과학적이고 논리적인 분석이 이루어져야 한다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 북한의 잠수함 발사 탄도미사일의 운동 모델을 작성하고 이를 시뮬레이션 하였다. 또한 잠수함 발사 탄도미사일의 자세각을 조절하여 사거리를 조정하였으며 이에 대한 특성변화에 대해 기술하였다. 도출된 SLBM 비행궤적을 고려할 때 중간 단계부터 종말 단계까지의 효과적인 대응을 위해서는 해상기반 탄도미사일 방어체계가 필수적으로 요구되어 진다.

Abstract ▼ AI-Helper

This research focuses on analysis of the flight trajectory characteristics of SLBM (Submarine Launched Ballistic Missile) of North Korea. Recently, North Korea tested launching of SLBM which is threatening international security. Also it is known that North Korea had possessed the technologies about...

This research focuses on analysis of the flight trajectory characteristics of SLBM (Submarine Launched Ballistic Missile) of North Korea. Recently, North Korea tested launching of SLBM which is threatening international security. Also it is known that North Korea had possessed the technologies about SLBM since they disassembled submarines out of commission of the former Soviet Union. If the development of the SLBM of North Korea is completed, it should be affected as asymmetric threat to South Korea. Therefore, for active respondence to these threat, it is essential to analyze the SLBM systematically. In this point of view, this work made a SLBM flight model and simulated. In addition, we controled flight trajectories according to adjusting loft angle and described their characteristics. The sea-based ballistic missile defense system is required for an effective response to the flight trajectory of the SLBM from mid-course to terminal phase.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 새로운 전략적 위협으로 대두되었으나 기존의 탄도미사일에 관한 연구에서 고려되지 못했던 SLBM을 대상으로 비행궤적 특성해석을 통해 새로운 시각을 제시하고 방어체계 제한사항을 논의 했다는 것에 의의를 둘 수 있다.
대기권외곽에서 대부분의 시간을 비행하는 SLBM 위협이 현실화된 안보환경에 능동적으로 대응하기 위해서는 기존의 지상기반 Kill Chain 및 KAMD에서 해상으로 확장된 대응능력이 필요하다. 이러한 관점에서 본 연구는 일반적으로 알려진 탄도미사일제원과 운동방정식을 기반으로 사거리 조절방법에 따른 SLBM의 비행특성을 해석하였다.

가설 설정

⦁대기권의 경계면을 100km로 가정했으며, 진공단계비행은 고도 100km 이상의 구간만 고려한다.
⦁전 비행단계에서 탄도미사일의 양력은 고려하지 않는 것으로 가정한다.
이때 지구는 자전하지 않는 완전한 구의 형태로 간주하였고, 받음각(angle of attack)이 작다고 가정하여 양력은 고려하지 않았다. 또한 추진제의 유효배기속도는 일정하다고 가정하였다.
시뮬레이션을 위한 초기조건으로 미사일의 속도, 가속도 및 고도 값은 0으로 가정하였으며, 지구와 관련된 값은 국제 민간항공 기구(ICAO: International Civil Aviation Organization)에서 정한 국제표준대기(ISA: International Standard Atmosphere) 중 해수면에서 값과 지구의 물리적 특성값을 이용하였다^[10]. Table 2는 시뮬레이션에 사용된 주요 초기 조건값을 나타낸다.
이와 같은 SLBM의 운동은 일반적으로 식 (1)과 같은 미분방정식의 형태로 나타낼 수 있다. 이때 지구는 자전하지 않는 완전한 구의 형태로 간주하였고, 받음각(angle of attack)이 작다고 가정하여 양력은 고려하지 않았다. 또한 추진제의 유효배기속도는 일정하다고 가정하였다.

제안 방법

over-lofted의 경우 1,500km, 1,000km, 500km 및 300km로 사거리를 조절하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각각의 정점고도는 925km, 1,014km, 1,059km 및 1,068km로 자세각(loft angle)을 증가시킬 경우 사거리는 감소되며, 고도가 증가함을 알 수 있다.
이러한 관점에서 본 연구는 SLBM 발사방법으로 가장 유력한 minimum energy, over-lofted, depressed 비행궤적시뮬레이션을 수행하였다. 비행궤적 비교분석을 통해 특성을 도출하고 SLBM 위협을 종합적으로 해석하였다.
비행특성 분석을 위해 사용된 시뮬레이션 주요 입력파라미터는 Table 3^[11]과 같이 일반적으로 공개된 R-27 제원을 기반으로 선정하였으며, 주어진 사거리 구현을 위해일부 값은 특성에 큰 변화가 없는 범위 내에서 의도적으로 조정하였다. 또한, 재진입시 나타날 수 있는 미사일의 비선형적 나선형 운동이나 전복 등과 같은 불안정 현상은 유도조정 기법에 따라 달라질 수 있기 때문에 여기서는 고려하지 않았다.
이러한 관점에서 본 연구는 SLBM 발사방법으로 가장 유력한 minimum energy, over-lofted, depressed 비행궤적시뮬레이션을 수행하였다. 비행궤적 비교분석을 통해 특성을 도출하고 SLBM 위협을 종합적으로 해석하였다.
SLBM은 발사방법에 따라 전 비행시간동안 변화하는 다양한 비행특성을 가지며, 종말단계에서의 변화는 더욱 급격하다. 이러한 관점에서 본 연구에서는 실제 운용자가 발사의도에 따라 운용이 용이한 자세각 조절방법을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. minimum energy 발사의 경우 기존에 알려진 최대사거리 2,400~2,500km보다 다소 적은 2,133km를 비행하였으며, over-lofted로 자세각을 증가시킬수록 사거리는 감소하고 정점고도 및 비행시간 등이 증가하여 종말단계 가속도가 매우 증가하는 비행특성을 가지게 되었다.

대상 데이터

depressed의 경우도 over-lofted와 마찬가지로 1,500km,1,000km, 500km 및 300km로 사거리를 조절하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각각의 정점고도는 168km, 76km,77km 및 22km로 자세각(loft angle)을 감소시킬 경우 사거리는 감소되며, 고도가 감소함을 알 수 있다.

이론/모형

탄도미사일의 비행특성 해석방법으로는 미사일을 6자유도(DOF: Degree of Freedom)로 가정하여 해석하는 강체해석법(rigid body analysis method)과 하나의 질점으로 가정하여 해석하는 질점해석법(point mass analysis method)이 있으며, 본 연구에서는 탄도미사일 해석을 보다 단순화하기 위하여 질점 해석법을 사용하였다.

성능/효과

SLBM의 최대속도는 Fig. 3과 같이 발사방법별로 사거리 조절과 상관없이 거의 일정하였으며, 중력에 의한 영향을 적게 받는 depressed의 최대속도가 4,415m/s(마하 13)로 4,150m/s(마하 12)인 over-lofted보다 약간 높게 나타났다. 또한, 자세각이 증가할수록 속도곡선은 중간단계에서 아래로 처진 형태를 보임을 알 수 있다.
이러한 관점에서 본 연구에서는 실제 운용자가 발사의도에 따라 운용이 용이한 자세각 조절방법을 적용하여 시뮬레이션을 수행하였다. minimum energy 발사의 경우 기존에 알려진 최대사거리 2,400~2,500km보다 다소 적은 2,133km를 비행하였으며, over-lofted로 자세각을 증가시킬수록 사거리는 감소하고 정점고도 및 비행시간 등이 증가하여 종말단계 가속도가 매우 증가하는 비행특성을 가지게 되었다. 이는 초기 표적정보획득이 제한되며, 요격고도가 낮은 하층방어체계에는 더욱 큰 위협이 될 수 있다.
depressed의 경우도 over-lofted와 마찬가지로 1,500km,1,000km, 500km 및 300km로 사거리를 조절하여 시뮬레이션을 수행하였다. 각각의 정점고도는 168km, 76km,77km 및 22km로 자세각(loft angle)을 감소시킬 경우 사거리는 감소되며, 고도가 감소함을 알 수 있다. 또한 1,500km 발사 시는 전체 비행시간의 51%를 대기권 밖에서 비행하지만 1,000km, 500km 및 300km 발사 시는 대기권 내에서 모든 비행이 이루어진다.

후속연구

본 논문에서 제시한 북한의 SLBM 비행궤적 특성은 거리-고도-속도-가속도에 따라 다양한 방어체계 요격능력을 검증할 수 있는 기반 기술파라미터가 될 수 있다. 실질적으로 북한이 활용 가능한 다양한 사거리 조절방법을 적용하여 시뮬레이션 하였으며, 이를 기반으로 도출된 비행궤적은 기존의 Kill Chain 및 KAMD의 발전방향을 제시할 수 있는 타당한 근거로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구의 한계점으로는 탄도미사일 사거리 조절방법으로 자세각 조절방법만을 고려하였으나, 비추력, 탑재중량, 연료차단시점, 연료량 및 중간･종말단계 조절 등의 다양한 방법에 따른 비행 특성을 고찰하지 못한 점이 있다. 향후 연구에서는 SLBM의 다양한 사거리 조절방법에 따른 비행궤적 해석과 방어체계 입장에서 음영구역을 고려한 탐지센서의 요구능력을 식별할 필요가 있다.
본 논문에서 제시한 북한의 SLBM 비행궤적 특성은 거리-고도-속도-가속도에 따라 다양한 방어체계 요격능력을 검증할 수 있는 기반 기술파라미터가 될 수 있다. 실질적으로 북한이 활용 가능한 다양한 사거리 조절방법을 적용하여 시뮬레이션 하였으며, 이를 기반으로 도출된 비행궤적은 기존의 Kill Chain 및 KAMD의 발전방향을 제시할 수 있는 타당한 근거로 활용될 수 있을 것이다. 대기권외곽에서 대부분의 시간을 비행하는 SLBM 위협이 현실화된 안보환경에 능동적으로 대응하기 위해서는 기존의 지상기반 Kill Chain 및 KAMD에서 해상으로 확장된 대응능력이 필요하다.
본 연구의 한계점으로는 탄도미사일 사거리 조절방법으로 자세각 조절방법만을 고려하였으나, 비추력, 탑재중량, 연료차단시점, 연료량 및 중간･종말단계 조절 등의 다양한 방법에 따른 비행 특성을 고찰하지 못한 점이 있다. 향후 연구에서는 SLBM의 다양한 사거리 조절방법에 따른 비행궤적 해석과 방어체계 입장에서 음영구역을 고려한 탐지센서의 요구능력을 식별할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잠수함 발사 탄도미사일에 대한 과학적이고 논리적인 분석이 필요한 이유는?	북한은 러시아의 퇴역 잠수함을 해체하는 과정에서 잠수함 발사 탄도미사일 관련 기술을 확보하였고, 이와 관련된 실험을 지속적으로 하는 것으로 알려졌다. 북한의 잠수함 발사 탄도미사일 개발이 완료되고 실전 배치된다면, 이는 우리나라에 비대칭적인 위협 요소로 작용하게 될 것이다. 따라서 이러한 위협에 능동적으로 대응하기 위해서는 잠수함 발사 탄도미사일의 위협에 대한 과학적이고 논리적인 분석이 이루어져야 한다.
	탄도미사일의 비행궤적을 결정하는 요소는?	탄도미사일의 비행궤적은 연소종료 시점에서의 속도, 에너지 및 자세 등에 의해 결정된다[8]. 일반적으로 가장 많이 사용되는 방법으로 자세각 조절 시 최대사거리는 최소에너지 발사각(minimum energy)에 의해 달성되며, 발사각을 이보다 크거나 작게 하면 사거리가 감소한다.

참고문헌 (11)

Steven A. Hildreth (2009), North Korean Ballistic Missile Threat to the United States, CRS Report for Congress. pp. 4-6.
J.H. Kim, Y.S. Kwon and K.H. Lee (2011), "The Derivation of system required Capabilities for the successful conduct of the Lower Tier BMD", Journal of the Military Operations Research Society of Korea, Vol. 37, No. 2, pp. 101-114.
Y.S. Yoon, Y.S. Kim, Rocket Engineering, Kyungmoonsa, 2004, p. 25.
George P. Sutton, Oscar Biblarz, Rocket Propulsion Elements, John Wiley&Sons, 2001, p. 29.
H.S. Kim, K.T. Kim, G.W. Jeon (2011), "A Requirement Assessment Algorithm for Anti -Ballistic Missile Considering Ballistic Missile's Flight Characteristics", Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology, Vol. 14, No. 6, pp. 1009-1017.

원문보기 상세보기
http://homepage3.nifty.com/kubota01/N_Krea_Ballistic-Missiles/No-Dong/N_Korea_Ballistic-Missile_Nodong_04.html
Jeffrey A. Isaacson, David R. Vaughan (1996), Estimation and Prediction of Ballistic Missile Trajectories, RAND: Santa Monica, pp. 27-40.
J.I. Ahn, Y.S. Kwon (2013), "Analysis of the Flight Trajectory Characteristics of Ballistic Missiles Depending on the Operational Parameters", Journal of Korea Association of Defense Industry Studies, Vol. 20, No. 2, pp. 127-134.
Lisbeth Gronlund, David C. Wright (1992), "depresseded Trajectory SLBM: A Technical Evaluation and Arms Control Possibilities", Journal of Science & Global Security, Vol. 3, pp. 101-159.

상세보기
F. J. Hale (1994), Introduction to Space Flight, North Carolina State University, Prentice Hall, 1994, p. 343.
http://www.globalsecurity.org/wmd/world/russia/r-27-specs.html.

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