소련이 지난 1957년 세계 최초의 인공위성 스푸트니크 1호를 쏘아올렸을 때 미국을 비롯한 자유진영 국가들은 놀라움과 공포를 느꼈다. 소련 등 공산진영이 우주공간을 선점해 군사적으로 이용할 수 있다는 우려였다. 하지만 무게 83.6kg의 스푸트니크 1호가 할 수 있는 기능은 너무도 단순했다. 96분 주기로 지구궤도를 돌면서 내장된 전파송신기로 고작 ‘삑! 삐익!’하는 전파음을 지구로 쏘아내는 수준이었다. 소련이 우주공간에 세계 최초로 진출했다는 것을 입증하고 이를 전세계에 정치적으로 선전하기 위해 위성을 띄워 지상에서 수신할 수 있는 전파를 쏘는 것이었을 뿐이었다. 그러다 보니 위성 자체의 전략적 실용성은 전혀 고려되지 않았다.
우주공간에 먼저 진출해 위성을 띄운 것은 소련이었지만 안보적 차원에서 위성의 실용화에 선수를 친 것은 미국이었다. 1959년 세계 최초의 정찰위성인 ‘키홀-1(KH-1) 코로나’를 성공적으로 발사했다. 소련이 고작 ‘삐익’ 소리나 내는 깡통위성을 쏘고 체제선전에나 몰두하고 있을 때 미국은 불과 2년여 뒤 지상으로부터 3만6500km나 떨어진 지구 정지궤도 상에서 전세계를 지상을 손바닥 보듯 훤히 살펴보는 우주기반 지상감시 기술을 구현한 것이다.
이후 미국의 위성기술은 소련 등의 대륙간탄도미사일(ICBM) 공격을 방어하기 위한 ‘미사일조기경보위성 체계’로 진화했다. 1960년대 세계 최초의 미사일조기경보위성인 ‘미다스’시리즈를 12기 발사한데 이어 1970년부터는 후속 조기경보위성 ‘DSP’시리즈를 총 23기 지상 3만6500km 높이의 정지궤도로 쏘아 올렸다. 2000년대부터는 정지궤도와 저궤도에 총 28기의 신형 조기경보위성체계 SBRIS를 배치했다. 이들 위성들은 탄도미사일 발사화염 등을 우주공간에서 적외선 카메라 등을 통해 즉시 탐지한다.
우리나라도 미사일경보위성체계 보유국으로 발돋음하게 된다. 23일 주요 소식 통에 따르면 우리 공군이 이르면 북한의 탄도미사일 발사를 실시간으로 정밀포착할 수 있는 ‘조기경보위성’을 2030년대초반까지 개발해 전력화하는 방안을 추진한다. 최근 빠르게 고도화되는 북한의 핵-미사일 위협을 적기에 방어하기 위한 차원으로 풀이된다.
이번 ‘군사이야기’는 현실화된 북한의 핵미사일 위협에 대응하기 위한 ‘한국형 미사일조기경보위성체계’ 구축의 방향을 진단한다. 특히 연세대 항공우주전략연구원(ASTI)이 공군의 후원을 받아 지난 19일 열린 ‘제 24회 항공우주력 국제학술회의’ 발제 내용 등의 기반으로 해외 선도국들의 추세도 다뤄본다. 방효충 한국과학기술원(KAIST) 항공우주학과 교수는 해당 학술회의에서 미국이 소련의 스프트니크 발사후 각각 불과 2년 및 13년 사이에 우주감시위성과 미사일조기경보위성 체계를 개발한 것은 현재 대한민국의 안보상황에서도 많은 시사점을 준다고 지적했다. 북한이 핵-미사일 위협을 고도화해 최근에는 선제핵공격 원칙을 법제화한데다가 5년내 극초음속 미사일도 개발하겠다고 벼르고 있기 때문이다.
◆韓 위성감시 역량은...실시간 정찰 목표로 사업 추진
대한민국은 선진국보다 우주분야에서 후발국이지만 위성, 발사체 분야에서 빠르게 선도국들과의 격차를 좁히고 있다. 특히 소형~중형위성 분야에선 소프트웨어 및 하드웨어 기술 모두 선진국 수준에 거의 육박했으며 7~8년 전부터는 초소형위성 개발에도 박차를 가하고 있다.
우리 군은 이 같은 국산 위성기술을 기반으로 우주기반 지상감시체계 구축을 본격화하고 있다. 우선 2025년까지 총 5대의 군 정찰위성을 전력화하는 ‘425사업’이 추진 중이다. 이는 국방과학연구소(ADD) 주관으로 1대의 ‘전자광학/적외선(EO/IR) 위성’과 4대의 ‘합성개구레이더(SAR) 위성’을 개발해 2025년까지 전력화하는 프로젝트다. SAR는 레이더 전자파를 쏴서 관측목표 지점의 상황을 일종의 흑백 영상처럼 보여준다. 컬러가 아닌 흑백영상이라는 단점이 있지만 상공에 구름이 끼는 악천후 상황이나 밤 시간대와 같이 어두운 상황에서 관측 촬영에 어려움을 겪는 광학식 센서와 달리 구름 등을 뚫고 주야간 전천후로 지상을 관측할 수 있어서 야음 등을 틈탄 북한의 군사 행동을 식별하는데 유리하다. 425위성중 SAR위성의 플랫폼 개발, 조립, 시스템 종합과 시험 등은 한국항공우주산업(KAI)이 맡아 진행 중이다. SAR레이더는 KAI와 한화시스템, 탈레스 계열사 TASI가 공동 개발하고 있다.
이와 병행해 공군은 초소형위성사업도 추진 중이다. 2030년대 초반까지 초소형위성들을 지구 저궤도(LEO)로 쏘아올려 북한의 이동식미사일발사대(TEL)을 비롯한 주요 안보위협들을 감시할 예정이다. 당초 공군의 초소형위성사업은 총 20~30여기 쏘아 올려 한반도를 30분 주기로 감시하는 계획으로 언론에 보도돼 왔다. 그러나 실제로는 40여기의 초소형위성이 발사될 예정이다. 이렇게 되면 초소형위성들의 한반도 상공 방문주기가 훨씬 짧아져 실시간에 가깝게 북한을 감시할 수 있게 될 것으로 기대된다.
◆공군, 미사일조기경보위성 조기 확보 시동
독자적인 우주기반 지상감시 역량이 완성되려면 아직 더 많은 도전을 극복해야 한다. 특히 미국의 위성에 전적으로 의존하고 있는 ‘미사일 조기경보위성’체계의 독자적 확보가 시급하다. 북한이 다양한 종류의 탄도미사일을 개발해 지난해부터 시험발사도발을 지속해오고 있고, 근래에는 극초음속미사일 개발에도 속도를 내고 있기 때문이다.
일반적으로 미사일 조기경보위성이란 적의 미사일 발사 화염을 적외선 장비로 포착해 아군 방공부대에 알려주는 기능을 하는 위성을 뜻한다. 미국은 이를 한층 발전시켜 미사일 발사 후 비행경로를 추적해 아군의 요격 성공률을 높이고 있다.
그동안 한미는 북한의 미사일 위협에 대응해 주로 지상에 미사일 조기경보레이더들을 구축해왔지만 지상레이더는 산악지형이나 지구 지표면의 굴곡 등으로 인해 일정 고도 이하에 대해선 탐지에 제한을 받는 한계를 갖고 있다. 이를 보완하려면 우주공간에서 한반도 주변 지상을 실시간으로 감시하는 조기경보위성이 반드시 확보돼야 한다고 군 관계자들은 지적하고 있다.
우리 공군도 조기경보위성 확보에 가속 패달을 밟고 있다. 23일 주요 소식통에 따르면 공군은 조기경보위성 도입을 골자로 하는 중기 사업 소요 제기를 올해 말 무렵 실시할 예정이다. 해당 소요 제기가 합동참모본부의 검토를 통과하면 향후 방위산업추진위원회의 심의를 거친 뒤 이르면 2024년도 정부 예산안에 반영될 것으로 전망된다. 그대로 사업이 순항할 경우 2030년초까지는 우리 군이 국산 조기경보위성을 보유할 수 있다고 예상된다.
사실 공군이 과거 설정했던 조기경보위성 도입 목표시한은 ‘2050년까지’였다. 이에 따라 공군은 2019년도에 해당 프로젝트를 ‘장기신규사업’으로 소요제기한 상태였다. 그러나 최근 윤석열 정부가 ‘한국형 3축 체계(킬체인, 한국형미사일방어, 대량응징보복)’를 한층 보강하기로 하자 공군도 이에 호응해 조기경보위성 도입시한을 당초 구상보다 약 20년 앞당기게 된 것이다.
◆기존 위성으로는 왜 조기경보 못할까
그동안 일각에선 우리나라가 운용 중인 천리안 위성 시리즈로도 북한에 대한 미사일 조기경보가 가능하지 않겠느냐는 지적이 나오기도 했다. 천리안 위성들은 정지궤도에 떠있기 때문에 운용하기에 따라선 한반도 일대 상공을 24시간 관측하면서 북한 감시에 활용할 수도 있다는 것이다.
천리안 시리즈는 1호, 2A호, 3B호의 위성 3기로 구성돼 있다. 이중 1호는 10년간의 임무를 마치고 2020년 은퇴했다. 따라서 현재 가용할 수 있는 것은 2기인데 그중 2018년 발사된 2A호는 적외선 영역의 관측촬영도 가능하다. 그러나 적외선 영상의 해상도는 2km급인 것으로 알려져 있다. 이 정도로는 산불 정도를 파악할 수 있지만 미사일 화염과 같은 보다 규모가 작은 열신호를 식별하고 위치를 특정하기는 어렵다. 방 교수는 최근 국제학술회의에서 “(정지궤도에서 위성이 IR장비로) 미사일 발사 화염을 식별하려면 영상의 해상도가 500m이하는 돼야 한다”고 설명했다.
우리 군이 ‘425사업’을 통해 2025년까지 전력화하려는 5기(EO/IR 위성 1기, SAR위성 5기)를 제한적으로나마 활용해볼 여지는 있다. EO/IR위성의 적외선 영상을 활용하면 정지궤도에서 지상의 열신호를 포착해 영상으로 촬영할 수 있기 때문이다. 다만 해당 ‘EO/IR 위성’에 탑재된 적외선 탐지장치의 관측 범위가 넓지 않아 북한 전역에 최소 200대(추정)가량 배치돼 있는 이동식미사일발사대(TEL)들을 실시간으로 추적해 발사 여부를 포착하기는 현실적으로 어렵다는 게 군사전문가들의 견해다.
◆한국형 조기경보위성의 개발 윤곽은
향후 방추위 의결을 거쳐 한국형 조기경보위성 도입 사업이 확정될 경우 국방과학연구소(ADD)가 주관해 국내개발 방식으로 추진할 가능성이 높은 것으로 관측된다. 항공우주연구원이 개발한 천리안위성을 비롯해 기존의 국산 중형위성의 몸체(위성체)를 기본으로 하되 내부에 탑재될 임무장비(EO/IR) 등은 한층 더 고성능화된 것으로 개발될 가능성이 있다. 특히 적외선(IR) 관측장비는 고도 3만6500km의 정지궤도에서 500m이하의 열신호를 식별할 수 있을 정도로 영상 해상도가 높으면서도 한 번에 넓은 지역을 감시할 수 있도록 관측범위도 넓어져야 한다.
가시광선 등의 영역에서 지상을 관측할 수 있는 전자광학(EO)장비도 극한의 고해상도를 구현할 수 있어야 한다. 이미 항우연 등은 우주공간에서 30~50cm급의 물체를 식별할 수 있는 전자광학(EO) 기술을 확보한 상태인 것으로 알려져 있다. 이는 10cm급의 물체를 식별할 수 있는 미국에 버금가는 수준이다.
다만 10cm이하급으로 관측 영상의 해상도를 높이려면 적지 않은 기술적 한계점을 돌파해야 한다. 관측장비(반사용 미러 등)의 구경을 키우면 해상도가 향상될 수 있지만 부피와 중량이 극도로 제한된 인공위성의 특성상 단순히 미러 등의 크기를 키우는 방식을 적용하는 것은 쉽지 않다. 특히 우주관측에 쓰이는 미러(mirror) 등의 표면은 극도로 매끄럽게 가공돼야 하는데 수미터 크기의 광학계용으로 이를 제작할 수 있는 기술은 미국, 유럽연합(EU) 등 극소수의 국가만이 갖고 있다.
이와 관련해 제임스웹 우주망원경에 적용된 ‘세그먼트 기법’에서 착안할 필요가 있다는 의견도 학계에서 제기된다. 세그먼트 방식은 하나의 미러 등을 작은 단위로 나눠서 제작하는 것이다. 여기에는 구동장치가 달려 있어 각도를 정교하게 조절할 수 있다. 방 교수는 “전세계주요 우주개발기관이 제임스웹 우주망원경과 같은 개념의 장비를 지구 정지궤도에 올려서 EO장비를 기준으로 약 7m급의 해상도로 지상을 관측하는 것을 추구하고 있는데 이를 구현하려면 3.5m정도 크기의 광학계가 필요하며 이를 통짜로 1개로 가공해 제작하는 것은 어렵다”고 설명했다. 이어서 “다만 해당 광학계를 세그먼트 방식으로 나누어 가공해 만들면 1.2m정도의 광학계로도 약 7m급의 해상도를 구현할 수 있을 것”이라고 내다봤다.
◆탄도탄 경보 넘어 극초음속 미사일 추적으로
우리 군이 향후 미사일조기경보위성 확보에 성공할 경우 후속으로 극초음속 미사일 등을 추적할 수 있도록 우주기반 감시체계를 진화시킬 필요가 있다. 기존의 미사일조기경보위성 체계는 주로 비행경로 등이 정형화된 탄도미사일 탐지에 최적화돼 있다. 반면 러시아의 전력화를 필두로, 중국, 북한 등이 개발에 박차를 가하고 극초음속미사일은 속도가 탄도미사일 못지 않게 빠르면서도 전형적인 탄도궤적을 벗어난 변칙기동을 하거나 순항미사일과 같은 경로변경 특성도 보일 수 있어서 기존의 조기경보체계의 사각지대로 파고들 여지가 있다.
미국은 이미 극초음속 미사일의 발사를 포착하고 이후 비행경로를 추적해 탄착할 때까지 감시하는 방향으로 조기경보위성체계를 업그레이드 중이다. 이른바 ‘HBTSS’프로젝트다. 저궤도에 20여기의 중형위성들을 추가 배치해 적의 극초음속미사일 비행시 뿜어져나오는 고열을 적외선 센서 등으로 포착해 추적하는 것이다.
방 교수는 “미국이 유사시 적의 극초음속 미사일을 추적하기 위해 2022~2025년에 엄청난 속도로 HBTSS사업을 추진하고 있다”며 “이를 위해 극초음속 미사일을 추적하는 시험까지 이미 마친 상태로 알고 있다”고 전했다.
다만 우리 군이 ‘한국형 HBTSS’를 구현하려면 미국 방식을 그대로 준용하기 어렵다. 중형위성은 제작 단가가 높아서 오로지 미사일 조기경보용으로만 수십기를 배치하는 것은 대한민국의 재정 규모로 볼 때 거의 불가능하다.
따라서 대안은 국방부와 과학기술정보통신부, 산업통상자원부가 향후 우주사업계획 수립시 민간과 군용으로 복합활용이 가능한 다목적 중형위성 사업을 추진하는 것이다. 민간부문의 임무를 위해 인공위성을 띄울 때 미사일화염 포착을 위한 적외선 센서 등도 첨부해 탑재한다면 비용을 최소화하면서도 민수용 임무 뿐 아니라 미사일조기경보 임무를 수행할 수 있다. 이를 위해선 적외선 센서 등의 부피와 중량은 한층 소형화, 경량화하면서도 소모전력을 줄이고, 해상도와 관측면적은 기존과 동급이거나 향상된 수준으로 구현할 수 있도록 적극적인 연구개발(R&D)이 산학연 및 군 차원에서 함께 병행돼야 할 것으로 보인다.
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