단거리 대공미사일 생존대응장비 IR - DIRCM

CH-47 과 UH-60 헬기 개량사업의 후보인 IR기반 DIRCM

현재 양산중인 기동헬기의 UV 기반 DIRCM은 평상시 빈번한 오작동으로 SWITCH OUT을 하며 비행하는게 흔하다고 전해진다.

이러한 이유 때문에 향후 진행될 CH-47D 업 그레이드 사업과 UH-60 기동헬기 사업에서는 IR 기반의 DIRCM 도입에 관심이 모아지고 있다.

여기서는 후보장비별로 특장점을 소개한다.

IR 기반 DIRCM

이스라엘 방산업체가 한국의 CH-47 헬기 업그레이드 프로그램을 위해 제안하는 mini-MUSIC DIRCM(Directed IR Countermeasures)는 동남아국가의 치누크(Chinook) 헬기 업그레이드 프로그램에도 채택된 시스템이다.

동 시스템이 다른 DIRCM과 구별되는 가장 큰 장점은 DIRCM에 통합되는 MWS(Missile Warning System) 센서가 UV(Ultra Violet) 기반 센서가 아니라 IR(Infra Red) 기반 센서라는 점이다.

UV 기반 DIRCM의 한계

UV 센서 MWS는 제작비용이 적고 수명주기비용이 더욱 적으며, 기계적인 신뢰성이 검증되어 있기 때문에 신뢰성을 중시하는 보수적인 군대에서 선호하는 경향이 있다. 그러나 문제는 UV 센서 기반의 MWS와 연동된 DIRCM은 최근의 발전된 공대공 미사일, MANPADS에 대항함에 있어서 한계가 분명하다는 것이다.

미 육군이 현재 아파치 헬기에 통합되어 있는 UV 기반 MWS를 중장기 계획으로 IR 기반 MWS로 대체하는 마스터 플랜을 수립한 것도 UV 기반 센서로 미사일을 탐지해야 하는 체계의 한계 때문이다.

2017년 12월에 미 육군의 UH-60M 생존성 향상을 위한 Limited Inrerim Missile Warning System(LIMWS) Quick Reaction Capability(QRC) 개발 프로그램 계약을 체결한 것도 UV 기반 DIRCM/MWS에서 IR 기반 DIRCM/MWS로 이행하는 과정의 일부라고 할 수 있다.

미사일의 센서와 로켓모터, 비행제어 알고리즘의 발전으로 인하여 현대적인 대공 미사일을 플레어와 UV 대역 기반 미사일 탐지 센서를 사용하는 DIRCM으로 기만, 마비시키고 회피하는 것이 더욱 어려워지고 있다.

IR 센서의 발전으로 인하여 현대적인 공대공 미사일의 IR 시커는 표적을 적외선 신호로만 인식하는 것이 아니라 적외선 영상으로 인식함으로써 표적과 플레어를 구별할 수 있게 되었다.

그리고 센서의 수신 감도 향상과 로켓 모터 성능의 향상, 심지어는 듀얼 펄스 로켓과 향상된 비행제어 알고리즘이 도입되면서 더욱 원거리에서 표적을 탐지하고 타격할 수 있게 되었다.

미사일과 항공기의 위치 관계와 항공기의 기동 상황에 따른 회피불능구역도 기존의 구형 공대공 미사일의 그것보다 대폭 증가하였으며, 일부 대공 미사일은 듀얼 펄스 로켓의 도입으로 종말 단계에서도 에너지를 회복하여 높은 하중배수(G) 기동 시에도(현대적인 단거리 공대공 미사일들은 50G 이상 기동 가능하며 심지어는 최대 하중배수가 100G에 달하는 공대공 미사일도 있다) 에너지를 유지할 수 있는 높은 속력을 확보하여 기동할 수 있다.

그러므로 DIRCM으로 적대적인 IR 유도 대공 미사일에 대응하려면 DIRCM에 연동되는 MWS가 미사일을 원거리에서 탐지함으로써 항공기로 하여금 대응, 회피 전술을 구사할 수 있는 충분한 시간 여유를 확보해야 하는 것이다.

중거리 공대공 미사일의 경우에도 종말돌입단계에서 이미 에너지가 크게 소모된 미사일이라도 이를 종말단계에서 인지하고 회피하는 것은 매우 어렵다. 그러므로 RWR(Radar Warning Receiver)이 해당 미사일의 RF(Radio Frequency) 시커가 송출하는 신호를 탐지하는 시점 전후에서야 MWS의 UV 센서가 미사일을 탐지하게 되면 이미 항공기 자체의 기동 성능과 전자적인 방어수단(채프, ECM 등)으로 회피하는 것이 어려워진다.

DIRCM은 IR 센서를 기만, 마비시키기 위한 체계이기 때문에 RF 시커를 사용하는 공대공 미사일과 직접적인 관련은 없다. 그러나 DIRCM과 연동된 MWS가 접근하는 미사일을 원거리에서 탐지할 수 있으면 중거리 공대공 미사일에 대한 대응 전술 구사 여지가 증가하고 생존성이 향상된다.

UV 센서 MWS로는 이와 같은 요구에 부응하는 것이 어렵다. DIRCM에 연동되는 MWS 센서들은 항공기 자체의 센서 수용 공간의 한계 등으로 인하여 센서 개구면이 극히 제한되어 있다.

개구면 크기가 제한되어 있기 때문에 센서의 수신 감도를 획기적으로 향상시키려면 다수의 화소로 구성된 센서를 사용해야 한다.

그리고 원거리 전파에 유리한 파장이 긴 대역의 신호를 탐지해야 한다. 그러나 UV 센서는 자외선 신호 파장이 IR 센서의 적외선의 그것보다 짧으며, 단일 화소를 사용하기 때문에 장거리에서 위협적인 미사일을 탐지하여 접근 경보하기에 적합하지 않다.

DIRCM의 장거리 대응능력 개발에서 앞서 있는 이스라엘

DIRCM의 장거리 대응 능력 확보를 위해 UV 센서 대신 IR 센서를 MWS의 센서로 채용하는 솔루션을 채택, 개발하였다. IR 센서는 UV 센서가 탐지하는 자외선보다 더욱 파장이 긴 적외선 신호를 탐지하여 장거리 탐지에 더욱 적합하기 때문이다.

이스라엘 방산업체인 엘빗 시스템즈가 장거리 대응 DIRCM 개발을 선도할 수 있게 된 것은 이스라엘의 안보 환경과 밀접한 관련이 있다. 주지하는 바와 같이 이스라엘은 다양한 테러 세력의 위협에 노출되어 있으며, 다양한 러시아제 혹은 중국제 MANPADS가 이러한 테러 단체들에 널리 확산되어 있다.

이는 이스라엘군의 항공기뿐만 아니라 이스라엘 민간 항공사의 항공기들 역시 테러 위협에 노출되어 있음을 의미한다. 특히 이러한 대형 항공기들은 엔진에서 방출하는 IR 신호가 크고(비록 대형 여객기들의 제트 엔진은 비이패스가 크긴 하지만) 동체가 대형이며, 둔하기 때문에 MANPADS에 원거리에서 조준(lock-on)될 수 있다.

이러한 테러 위협에 대처하기 위해 이스라엘의 민항기에도 DIRCM이 통합되어 있다. 둔중한 민항기는 접근하는 미사일을 근거리에서 탐지하면 이를 회피하는 것이 불가능하게 된다. 그러므로 엘빗 시스템즈는 DIRCM을 설계하면서 미사일의 접근을 충분한 거리에서 탐지, 경보할 수 있는 시스템으로 설계하였다.

그러므로 C-MUSIC DIRCM은 접근하는 미사일을 장거리에서 탐지할 수 있는 다초점 배열 IR 센서를 MWS 센서로 보유한 시스템으로 개발되었다.

IR 센서 기반 DIRCM의 장점들

한국의 치누크 헬기 업그레이드에 제안된 mini-MUSIC에도 IR 기반 미사일 탐지, 접근경보체계가 통합되었다.

IR 센서 기반 DIRCM이 갖는 강점은 다음과 같다. 우선 지금까지 서술한 것과 같이 IR 기반 DIRCM은 접근하는 공대공 미사일을 UV 센서 기반 DIRCM보다 더욱 원거리에서 탐지하여 대응할 수 있다는 것이다. 이와 같은 대응 가능 거리의 차이는 항공기의 생존성과 직결된다.

위협을 탐지, 식별할 수 있는 거리가 더욱 길다는 것이 mini-MUSIC의 유일한 장점은 아니다. 오히려 mini-MUSIC의 다양한 장점 중의 하나일 뿐이다.

탐지한 표적의 접근 방위 추적 정밀도가 UV 기반 DIRCM보다 우수하다는 것도 IR 기반 DIRCM의 장점이다.

IR 신호는 가시시광선, 자외선보다 파장이 길다. IR 센서 DIRCM은 상대적으로 긴 파장을 사용하기 때문에 장거리 탐지에 더욱 적합하며, 이를 다수의 IR 화소로 구성된 센서가 서로 미세한 시점 차이로 수신하고 이를 신호처리함으로써 단일 화소의 UV 센서보다 더욱 정밀한 각도 분해능을 갖도록 설계되었다.

각도 분해능이 우수하기 때문에 밀집표적 분해가 가능하다는 것도 IR 기반 mini-MUSIC 시스템의 장점이다. UV 센서 기반 DIRCM은 MWS의 각도 분해능 한계로 원거리의 밀집 표적들을 단일 표적으로 인식하며, 이들이 근거리로 접근할 때까지 개별 표적 분해가 어렵다.

이 때문에 개별 표적에 DIRCM으로 대응하기 위해 필요한 시간이 길어서 신속한 대응이 어렵다.

반면 IR 기반 DIRCM인 mini-MUSIC은 상술한 이유로 각도 분해능이 더욱 우수하여 밀집표적들을 원거리에서 분리하여 신속하게 대응하는 것이 가능하다. 이는 DIRCM으로 대응할 수 있는 시간을 충분히 확보하여 항공기의 생존성을 더욱 향상시키며, 아울러 다수의 대공 미사일에 DIRCM이 대응할 수 있도록 한다.

mini-MUSIC은 다수의 IR 소자들의 초점을 표적에 일치시켜서 표적을 추적하기 때문에 UV 센서와 달리 표적의 접근 각도뿐만 아니라 개별 소자들의 동일 적외선 신호 수신 위상 차이를 이용한 표적 접근율 산출이 가능하다는 점도 장점이다.

소자간의 동일 IR 신호 수신 위상 차이를 이용한 접근율 산출 알고리즘을 사용하여 대공 미사일의 명중 예상 시간을 산출함으로써 다수의 대공 미사일에 대응할 때 접근하는 대공 미사일들의 대응 우선순위를 결정하고 이 순서에 맞추어 DIRCM으로 대응함으로써 다수 표적 대응 시에 DIRCM 사용 효율을 극대화할 수 있다.

오경보율이 더욱 낮다는 것도 IR 기반 DIRCM의 장점이다. UV 기반 DIRCM도 신호처리 알고리즘의 향상으로 오경보율이 과거보다 많이 줄어들기는 했지만, 단일 화소 센서이기 때문에 대역 범위가 협소하며 무엇보다 자연적인 UV 노이즈 발생 요소들이 많다는 점 때문에 근본적인 문제 해결은 어렵다.

가령 예를 들어서 태양광의 자외선이 지면에 반사되어 발생하는 노이즈가 UV 기반 DIRCM의 오경보를 야기할 수 있다. 특히 복잡한 지형에서는 태양광 반사로 인한 자외선 노이즈가 복잡하게 발생한다. 할로겐 램프 역시 UV 노이즈로 인한 오경보를 발생시키는 요인이다.

반면 IR 기반 DIRCM은 다수의 화소들이 각기 서로 다른 위상으로 신호를 수신하는 것뿐만 아니라 다수의 소자들이 더욱 주파수가 낮은 대역을 탐지하도록 하는 방법으로 장파장 IR 신호와 중파장 IR 신호를 모두 커버하는 광대역 시스템으로 운용함으로써 노이즈를 필터링할 수 있다.

예를 들어서 태양광 반사로 인하여 지면에서는 중파장 이상의 IR 신호가 발생하며, 특히 태양광이 강한 지역(예 : 중동, 호주)과 계절(예 : 여름)에 장파장 IR 노이즈 발생량이 크다. 반면 항공기를 노리고 고속으로 접근하는 대공 미사일은 대기와의 높은 마찰열로 인하여 중파장 또는 그보다 짧은 대역의 IR 신호를 주로 빌생시키며, 특히 로켓모터가 작동할 때에는 후방에서 중파장 이하의 IR 신호를 주로 발생시킨다.

이를 이용하여 mini-MUSIC DIRCM의 MWS는 탐지한 적외선 신호 중 중파장 이상의 신호는 필터링하고 파장이 짧은 대역 신호를 중심으로 추출하도록 신호 처리를 함으로써 배경 노이즈들을 효과적으로 걸러내어 오경보율을 대폭 낮추는 것이다. 그리고 이와 같은 광대역 신호 처리 기법은 미사일의 발사 직후 작동하는 로켓모터의 신호를 집중적으로 탐지, 추적함으로써 후연이 없는 미사일도 원거리에서 탐지, 식별할 수 있다.