물속의 토마호크, 초공동 어뢰(하) [밀리터리 동서남북]
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초공동 기술은 어뢰, 잠수함뿐 아니라 초공동 탄환과 같은 특수전 분야, 고속 수송체에 적용한 전투지원 분야 등 다양한 분야에 활용이 시도되고 있다.
캘리포니아 공과대학의 2001년 보고서엔 초공동 선박은 이론적으로 수중에서 시속 5천800㎞까지 속도를 낼 수 있어 대서양과 태평양을 각각 약 60분과 100분에 횡단할 수 있다고 밝혔다.
초공동 기술을 적용, 잠수함도 물속에서 초음속 기동이 가능하다는 이론을 응용해 잠수함 선단의 형상을 특수하게 설계해 이동시 기포를 만드는 방법과 선단에 직접 공기 또는 가스를 분사하는 장치를 탑재해 기포를 발생시키는 방법으로 개발이 가능한 것으로 알려졌다.
이러한 21세기 들어 비약적으로 발전한 과학기술은 어뢰를 넘어 잠수함에도 초공동 기술의 적용을 꾀하고 있는 것으로 알려졌다. 보이지 않는 바닷속에서 가상적국을 향해 기동 하는 탐지가 어려운 초음속 잠수함 개발의 물밑 전쟁은 이미 시작됐다.
2019년 4월 23일 러시아에서 수중 드론 ‘포세이돈(Poseidon)’을 탑재한 특수목적 핵추진 잠수함 ‘벨고로드(Belgorod)’함을 진수했다. 탑재한 드론 포세이돈은 직경 1.8m 이상, 길이 약 24m로 스텔스 모드로 기동 하다가, 타격지점 2~3km 떨어진 위치에서 타격모드로 전환해 시속 180km로 급가속해 타격하는 식의 설계가 되어있다.
3km 밖에선 추적이 곤란하며, 추적범위 안에선 타격까지 1분 남짓이면 도달할 수 있는 거리이기 때문에 미사일 요격자체가 극히 어렵다.
사실상 스텔스 기능의 미사일이라고 할 수 있다. 항속거리 약 1만km의 핵추진 수중 드론으로, 약 2메가t 위력의 핵 무장 탑재가 가능한 것으로 알려져 있다. 어뢰와 비교해 대형 기체로 기존 어뢰의 능력을 뛰어넘는 무기다. 하지만 군사전문가들은 위협적인 전략무기로 판단하면서도 공개 정보의 제한으로 정확한 분석은 어렵다는 평가다.
미 해군의 특수부대원들이 사용하는 기존의 수중 총의 '유효사거리는 15m 수준'이며 기존의 일반 총기로 수중 발사한 총알은 저항으로 인해 '최대사거리가 15m 정도'로 위력도 현저히 저하된다는 얘기다. 일반 권총탄의 수중 사거리는 3∼5m에 불과하다. 그런데 이 초공동 탄환은 수중에서 전진하며 탄환의 앞쪽 끝에 있는 작은 구멍이 공동 현상을 발생시킨다. 공동에 덮인 탄환은 60m 거리까지 파괴력을 유지한 상태에서 정확한 타격이 가능하다.
■초공동 어뢰, 두가지의 핵심, 공동발생기와 금속분말고체로켓추진기
초공동 어뢰 설계에 있어 가장 핵심적인 요소는 어뢰의 수중체 앞쪽에 장착된 공동발생기(Cavitator)다. 공동발생기에서 발생시키는 기포로 공동(Cavitation)을 얼마나 안정적으로 일정하게 유지시키는지가 관건이다.
따라서 수중에서 이동하는 물체의 속도가 높아지면서 압력이 낮아져 형성되는 자연 초공동(natural supercavitation)을 가속화 하기 위해 상대적으로 낮은 속도에서 캐비테이터 후방에서 압축가스를 분사해 발생시키는 인공 초공동(artificial supercavitation) 또는 환기 초공동(ventilated supercavitation) 발생 기술이 초공동어뢰의 핵심인 것이다. 이를 이용하면 자연 초공동이 발생되기 전까지 마찰 저항을 줄여 추진효율을 높이고 불균일한 유체력을 감쇠, 주행 안정성을 높일 수 있다.
나노화된 금속(산화제)분말을 연료로 이용하는 이유는 반응열이 매우 크기 때문이다. 금속의 표면적을 넓혀 쉽게 연소되도록 만드는 것이다. 큰 에너지를 얻을 수 있는 장점 때문에 금속 연료는 국방이나 무기 등 특정 분야에서 널리 쓰여 왔다.
이러한 원리는 로켓이 생성하는 에너지가 커질수록 화염이 불안정해지는데, 금속 분말이 이를 안정시키는 역할을 하며 주 연료나 산화제보다 금속 분말이 무겁기 때문에, 화염의 관성력이 커지면서 화염이 쉽게 흔들리지 않는다는 것이다.
이 과정에서 발생하는 연소가스는 별도로 이용해 공동발생기의 기포를 가속화함으로써 공동현상을 강하게 유지할 수 있는 것이다.
한국의 고체로켓 금속산화제를 나노수준으로 분말화하는 기술은 최고 수준이며 1세대 350km/h의 시크발보다는 보다 이상적인 독일의 800km/h의 '바라쿠다'에 근접하게 연구 중으로 추정된다.
초공동 기술은 거의 반세기 넘게 관련기술 개발과 완성을 위한 도전이 계속되고 있다. 결코 개발을 포기할 수 없는 이유는 작전운용능력이 확보되면 기존의 수상, 수중전뿐 아니라 전쟁의 판도를 바꾸게 될 가능성 때문이다.
수십 수백년을 앞서간 실현 불가능해 보였던 혁신적인 아이디어·과학·기술은 당대에 몽상가라고 폄하되기도 하지만, 후대에 시대를 앞서간 개척자로 평가된다. 혁신적인 성장을 가능하게 하는 것은 불굴의 시도에서 비롯된다.
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