MBDA의 미티어(Meteor) 공대공 미사일

 F-35A에 통합이 진행 중인 미티어 미사일

 MBDA의 미티어(Meteor) 램제트 공대공 미사일은 F-35A에 통합 작업이 진행 중이며 2020년대 초반에 완성될 Block 4 소프트웨어에 미티어의 OFP(Operational Flight Program)이 포함되어 전 세계에 인증, 배포될 예정이다.

따라서 한국 공군도 2018년부터 도입하기 시작한 F-35A의 Block 3F에 Block 4 소프트웨어의 요소를 추가하여 Block 4 소프트웨어를 갖추는 작업을 거쳐 장차 미티어 공대공 미사일 운용 능력을 갖게 될 것이다.

KFX 개발과 미티어

 미티어는 F-35A뿐만 아니라 F-15K와 KFX에도 도입될 가능성이 높은 미사일이라고 할 수 있다.
이미 KFX에 미티어 미사일을 인티그레이션하기 위한 설계 자료가 KAI에 제공되었으며, 여기에는 미티어를 탑재할 무장 발사대를 설계하기 위한 자료 등이 포함된 것으로 보인다.

KFX의 비행고도, 하중배수, 속력 등에 따라 KFX의 IWB(Internal Weapon Bay) 내부의 무장 발사대와 외부 무장 스테이션의 유동을 예측, 해석하고 미티어를 발사할 수 있는 조건을 만들기 위해서는 미티어의 공력데이터가 필요하다.

따라서 KAI에 제공된 설계 자료에는 해당 정보가 핵심 정보로 포함되어 있을 것으로 짐작된다.

 F-15K의 공대공 전투능력의 획기적인 향상

 아울러 F-15K의 업그레이드에도 미티어 미사일 운용능력을 부여할 필요가 있다. 이는 미티어 공대공 미사일이 AESA 레이더와 함께 F-15K의 공대공 교전 능력을 획기적으로 향상시킬 수 있는 무기체계이기 때문이다. 실제로 F-15K 업그레이드와 관련하여 보잉의 F-15 프로그램 담당자들도 모두 이구동성으로 F-15K 업그레이드에 반드시 포함시켜야 할 무장으로 미티어 공대공 미사일을 언급하였다.

 기존 공대공 미사일의 한계

 AESA 레이더를 탑재한 플랫폼(F-35A, KFX, 개량형 F-15K)의 장점 중 하나는 레이더의 동시 스캔 체적이 크고, 큰 스캔 체적 내에서 효과적으로 표적을 추적할 수 있다는 점이다.
특히 F-15E 개량형에 통합되는 AN/APG-82 레이더는 탐지거리가 길고, 다중 채널 위상 변조를 이용하여 스캔 공간 전체를 Time loss 없이 스캔할 수 있기 때문에 이를 탑재한 F-15들이 편대 구성원들의 공간을 크게 이격하여 작전을 하게 되면 편대 구성원 간격 이격으로 인한 사각이 거의 없이 방대한 공간을 커버할 수 있게 되어 적대 전술기가 이를 회피하기 어려워진다.

 표적이 되는 적대 항공기는 이를 빠져나가기 위한 빔 기동을 시도할 수 있으나, AESA 레이더는 중간 PRF의 신호를 사용하여 교차각이 90도에 가까운 표적의 낮은 상대 속력에도 표적을 추적할 수 있도록 속력 민감성을 확보하면서 그와 동시에 HPRF 신호 사용 모드의 좁은 빔폭을 구현하도록 하는 추적 모드를 보유하고 있기 때문에 빔 기동을 시도하는 표적도 탐지, 추적할 수 있다.

 문제는 기존의 로켓모터만을 이용하는 공대공 미사일이 이러한 상황에서 AESA 레이더의 성능을 따라가지 못한다는 것이다. 현재 한국 공군 주력 공대공 미사일인 AIM-120 암람(AMRAAM)은 초기 부스터 단계에서 고체연료 로켓모터로 가속하여 마하 4.0의 속력에 도달한 후에는 자체적인 추진력 없이 관성으로 비행하기 때문에 이와 같은 상황에서 표적 추적과 명중에 제한이 많다.

교차각이 90도 혹은 그에 가까운 교차각으로 이탈하는 표적을 향해 추적 비행을 하게 되면 높은 선회율을 필요로 하기 때문에 높은 하중배수로 선회해야 한다. 미사일이 마하 4까지 가속되었기 때문에 높은 선회율을 확보하려면(선회율은 속력에 반비례한다) 하중배수도 매우 높아야 하기 때문이다.

 높은 하중배수로 선회를 하기 때문에 미사일의 공력 핀(fin)에서 높은 양력과 함께 항력도 크게 발생하는 반면, 미사일의 로켓모터는 고체연료를 모두 소모하여 작동이 중단되었기 때문에 추진력은 전혀 없는 상태가 되어 결국 미사일은 에너지를 크게 잃게 된다.

미사일의 속력 저하는 미사일의 핀의 받음각 한계와 맞물려서 미사일의 하중배수한계를 크게 떨어뜨리고(미사일의 구조강도상의 하중배수한계 저하가 아니라 공력핀이 만드는 선회구심가속력 한계가 더 떨어진다는 의미) 이는 미사일의 기동성을 떨어뜨려 고기동 표적을 추적하기 어렵게 한다. 

무엇보다 이와 같이 속력이 크게 떨어진 상태에서 미사일의 표적 명중이 가능한 공간(envelope) 자체가 크게 축소되어 표적이 암람과 같이 로켓모터로 제한된 시간 동안에만 추력을 유지할 수 있는 미사일은 큰 교차각으로 회피를 시도하는 표적을 요격 가능 공간 내부에 두지 못하는 상황도 발생할 수 있다.

AESA 레이더는 교차각이 큰 표적을 탐지, 추적하지만 미사일은 이러한 AESA 레이더의 표적 추적을 따라가지 못하는 것이다. 더욱이 표적이 교차각만 큰 것이 아니라 아예 고도까지 더욱 높은 상황이라면 더욱 말할 것도 없을 것이다.

 앞서 언급한 로켓모터 연소 완료 이후의 고기동으로 인한 에너지 소모는 발사 플랫폼의 무장 컴퓨터에 통합된 암람의 OFP(Operational Flight Program)이 암람을 표적보다 높은 고도에서 돌입시키는 코스를 작성하여 이를 바탕으로 암람의 비행을 제어(지령유도)하는 방식으로 어느 정도 보완할 수는 있을 것이다. 그러나 이 역시 미사일의 사거리를 크게 감소시킨다는 문제점이 있다.

 AESA 레이더를 탑재한 전투기는 AESA 레이더에 맞는 장거리 공대공 미사일을 필요로 한다는 것이다. 특히 한국 공군은 장래의 주력 전투기들이(F-35A, F-15K, KFX, 개량형 KF-16) 모두 AESA 레이더를 탑재하기 때문에 AESA 레이더에 걸맞는 새로운 공대공 미사일의 도입이 필요하다.

 

 AESA 탑재 플랫폼과 미티어(Meteor) 공대공 미사일

 미티어의 가장 큰 장점은 이 미사일이 로켓모터의 연소가 종료된 후에도 덕티드 로켓을 사용하여 지속적으로 추진력을 유지할 수 있다는 점이다. 이는 로켓모터에만 의존하는 기존의 공대공 미사일과 전술적으로 근본적인 차이를 만들어낸다.

 전술한 것과 같은 상황에서 로켓모터에 의한 1차 추력만을 보유한 미사일은 표적 추적이 어렵다.

 반면 미티어의 경우에는 로켓모터에 의한 부스터 단계에서 초음속으로 가속하여 내부 덕트로 유입되는 초음속 기류를 여러 단계의 경사 충격파(oblique shock)를 이용하여 압축하고 이를 연소시켜 추력을 확보함으로써 부스터 단계 이후의 고기동으로 항력이 크게 증가하는 상황에서도 높은 추력이 이를 상쇄하여 에너지를 유지할 수 있다.

이 때 여러 단계에 걸쳐서 경사 충격파를 형성하여 기류를 압축할 때 기류의 전체 압력(동압 + 정압) 손실을 최소화해야 한다. 미티어의 덕트는 유체역학적으로 효율적인 형상으로 설계되어 단계별 기류 압축 시의 기류의 에너지 보존 수준이 높다.

 램제트 엔진이 만드는 추력이 항력보다 더 큰 경우에는 기동 중에 오히려 미사일의 에너지가 증가하게 된다. 이 경우 미티어 미사일은 고도가 높은 표적에도 여유있게 대응할 수 있게 된다.

 이와 같은 메커니즘으로 미티어 미사일은 교차각과 고도가 큰 표적에 대해서도 큰 체적의 교전 envelope를 갖게 되어 표적이 빔 기동, 또는 급격한 브레이크 기동으로 회피를 하는 상황에서도  표적을 미사일의 교전 공간 이내에 잡아두고 요격할 수 있다.

 단순히 최대 사거리와 교전 가능한 공간의 체적만 기존의 공대공 미사일보다 커지는 것이 아니다. 로켓모터 연소 종료 이후에도 지속적으로 추진력을 가지고 비행함으로써 항력을 추력으로 상쇄할 수 있기 때문에 미사일의 E-pole(에너지 절대영역) 거리와 NEZ(No Escape Zone) 체적이 로켓모터 연소 시간동안의 비행 거리와 체적 바깥으로 크게 확장된다.

 다시 말해서 표적에 명중할 때까지 비행하는 거리 전체가 미티어의 NEZ 안에 포함되는 것이다. 부스터 단계 이후에도 미티어 미사일의 최대하중배수와 속력을 유지하면서 선회를 할 수 있기 때문에 미티어 미사일의 교전 공간 내에서는 전투기가 기동성으로 미티어를 회피하는 것이 사실상 불가능한 것이다.

전투기의 최대 하증배수는 9G 이하이며, 특히 미사일을 피하기 위한 회피 기동은 최대하중배수 선회가 가능한 최저속력 근처에서 시도하기 때문에 9G를 지속적으로 유지할 수 없다.

반면 미티어 미사일은 전투기 최대하중배수의 3배가 넘는 30G 이상의 하중배수를 부스터 단계 이후에도 지속적으로 유지하며 기동할 수 있다. 이러니 전투기의 기동성으로 미티어를 회피하는 것은 어렵다.

 기존의 공대공 미사일은 표적이 전자적인 대응 수단 등과 병행하는 회피 기동 시의 깊은 마이너스 잉여파워(SEP : Specific Excess Power)로 인하여 속력이 크게 감소하여 가속하기 전에는 하중배수 한계가 크게 낮아지거나 혹은 속력을 유지하기 위해 고도를 떨어뜨리기 때문에 후속 미사일은 피하기 어렵다는 점을 이용하여 2기 정도의 미사일을 시차를 두고 동일 표적에 발사하는 그라인더(grinder) 전술로 운용하고 있다.

 이와 대조적으로 램제트 엔진이 도입된 미티어 공대공 미사일은 E-pole이 대폭 확대되어 부스터 단계 이후의 비행 거리까지 NEZ 안에 들어가기 때문에 표적이 미티어를 회피하는 것이 어렵다는 점에 근거하여 표적의 종류와 숫자, 전술 상황 등이 동일할 때 더욱 적은 수의 미사일로 교전할 수 있다. 즉, 로켓모터에 의존하는 기존의 공대공 미사일보다 더욱 효율적인 무기체계이다.

 

 네트워크 중심작전과 미티어 미사일

 미티어의 OFP에 포함된 미티어 미사일의 효율적인 비행제어 알고리즘과 양방향 데이터 링크는 지금까지 기술한 미티어 미사일의 특장점을 극대화하는 요소들이다.

 램제트 추진 공대공 미사일의 장점은 덕트의 흡입구로 유입되는 기류의 속력(초음속)과 유량이 안정적으로 유지된다는 전제 하에 가능한 것이다.

이를 위해 미티어의 비행제어 알고리즘은 비행 중인 미티어 미사일의 데이터 링크로 실시간으로 전송받은 미티어의 좌표와 고도, 속도, 헤딩, 하중배수 등의 데이터와 전투기의 레이더로 추적하는 표적 데이터를 통합하여 미티어 미사일이 표적으로 진입할 수 있는 최적의 비행제어자료를 산출하여 지령유도 데이터 링크로 미티어에 산출한다.

이 때 미티어가 안정적으로 초음속 기류를 흡입할 수 있으며, 덕티드 엔진 작동이 안정적으로 이루어지는 속력을 유지할 수 있도록 비행제어자료를 산출하게 된다.

 이와 같은 미티어 미사일의 양방향(two-way) 데이터링크는 전투기에서 미사일로 일방적인 데이터 링크만 가능한 공대공 미사일보다 더욱 효율적인 비행제어데이터 산출이 이루어진다. 미사일의 비행정보와 표적 정보를 동시에 실시간으로 획득하여 통합할 수 있기 때문이다.

그리고 기존의 일방향(one-way) 지령유도데이터링크는 미사일의 발사 시점부터 경과 시간만으로 미사일의 RF 시커 활성화 시점을 판단하지만, 미티어 공대공 미사일의 양방향 데이터 링크는 미사일이 RF 시커 활성화 시점에 직접 데이터 링크로 종말유도단계 돌입을 전투기에 알리기 때문에 발사 플랫폼의 조종사가 미티어 미사일의 능동 시커 개방 시점을 정확하게 파악할 수 있다.

 미티어의 양방향 데이터 링크는 특히 F-35와 인터페이스가 이루어질 때 그 빛을 발한다. 이는 F-35가 네트워크를 통해 유통, 공유하는 데이터에 화력통제데이터까지 포함되기 때문이다. F-35의 광대역 위상배열 데이터 링크의 가용 대역에는 X 밴드뿐만 아니라 Ku 밴드, K 밴드, Ka 밴드까지 포함되어 있다.

 따라서 다수의 F-35가 동일한 표적을 추적하면서 획득한 정보를 화력 통제가 가능한 품질을 유지하면서 융합하여 단일 항공기가 추적하며 획득한 데이터보다 더욱 신뢰성이 높은 데이터를 산출하게 된다.

이를 미티어 미사일의 데이터 링크로부터 전송받은 미티어의 비행정보와 통합함으로써 미티어의 비행제어 데이터를 산츨할 때 더욱 품질이 우수한 데이터를 산출하여 미티어 전용 데이터 링크로 미티어 미사일에 전송하는 것이다.

 

 

미티어 미사일의 종말표적추적과 ECCM 성능

 미티어 미사일의 종말유도 RF 시커는 12GHz에서 18GHz의 주파수를 사용하며 이는 Ku 밴드에 해당된다. 미티어의 RF 시커는 모노펄스 송출 신호 지향 방위를 신속하게 이동시킬 수 있도록 설계되어 미티어의 종말 유도 신호를 레이더 수신 경보기로 탐지하고 회피를 시도하는 고기동 표적에 대한 추적을 끝까지 유지할 수 있다.

특히 미티어 미사일의 RF 시커는 ECCM을 위해 Home on Jam 기능을 보유하고 있으며, 이 중 RF 시커가 고밀도의 ECM 환경에서 표적을 탐지하기 위한 침묵 모드를 사용하여 적기가 송출하는 ECM 신호를 수신하여 ECM 신호를 따라 적기로 유도된다.

이 때문에 강력한 ECM 환경에서 교란을 당하지 않고 오히려 적기의 ECM을 역으로 이용, 밀도 높은 ECM 환경을 극복할 수 있다.

 미티어의 능동 RF 시커의 또다른 장점은 RCS(Radar Cross Section)이 작은 표적에 대한 탐지능력이 우수하다는 점이다. 미티어 미사일의 능동 시커는 높은 안테나 이득과 출력을 갖도록 설계되어 공대공 미사일의 Ku 밴드 RF 시커 중 가장 큰 탐지 체적을 갖는 시스템이다. 이 때문에 소형 UAV와 같은 RCS가 작은 표적도 요격할 수 있다.

 여기에 그치지 않고 추후 Ku 밴드 AESA 레이더가 미티어의 새로운 RF 시커로 도입될 예정이다. 질화갈륨(GaN) 송수신 모듈이 다수 배열된 소형 AESA 레이더가 종말유도 센서로 채용되면서 미티어 미사일은 ECCM 성능과 종말유도거리, 순항미사일 요격능력 등이 대폭 향상될 예정이다.

 한국 공군의 미래와 미티어

 이미 10개국에서 미티어 미사일을 채용하였으며, 일본 역시 지금까지 기술한 것과 같은 미티어의 혁신적인 성능에 주목하여 미티어 도입을 추진하고 있다. 몇년 후에 그들의 F-35A가 나고야에 있는 FACO에서 Block 4로 업그레이드 되면 미티어 미사일을 탑재하게 될 것이다.

 중국 역시 미티어와 같은 덕티드 로켓 공대공 미사일에 주목하여 독자적인 덕티드 엔진 공대공 미사일인 PL-21을 개발하고 있다.

 적어도 보유하고 있는 무기체계의 기술 수준에서는 이들에게 뒤쳐지지 않아야 하는 한국도 주변국의 미티어 도입과 미티어급 미사일 개발에 발맞추어 장차 주력 전투기들에 미티어 미사일 운용능력을 부여해야 할 것이다.

[디펜스투데이]