해군1함대 광개토대왕함 승조원들이 지난해 5월 동해에서 펼쳐진 기동훈련 중 국내에서 개발한 예인음탐기체계를 운용하고 있다. 해군 제공

●개발 배경

　1980년대 우리나라는 올림픽 유치를 계기로 잠수함·잠수정을 통한 북한 특수공작요원 침투나 주요 항만·해상교통로 봉쇄에 대비한 대잠수함 전력 증강이 필요했다.

　 1980년대 말에서 1990년대 초까지만 해도 한반도 주변에서 우리 해군 수상함의 대잠수함전은 선체 고정형 능동소나(HMS)에 의존할 수밖에 없었다. 항공기용 소나인 소노부이의 지원을 받는다 하더라도 동해 수온 분포의 복잡성으로 인해 대잠수함작전은 잠수함에 비해 절대적인 열세에 있었다.

당시 미국의 경우는 AN/SQR-19로 명명된 예인음탐기체계(TASS)를 운용하면서 수온 구조상 탐지가 양호한 깊이에 센서를 예인할 경우 북한의 잠수함을 스노켈 모드 시 수십㎞ 이상 탐지할 수 있다고 알려졌었다. 이에 따라 당시 기획 중이던 한국형 구축함(KDX)에 이 시스템을 탑재할 필요성이 제기됐지만 미국의 판매 금지로 탑재가 불가능한 상황이었고, 국방과학연구소(ADD)는 항만감시체계 기초연구를 통해 소노부이와 같이 단일 센서로는 잠수함을 탐지하는 것이 제한적이라는 결론을 얻고 다중채널로 배열이득을 얻을 수 있는 광대역 선배열 센서 기술을 연구하고 있었다.

선배열 센서 기술은 1980년대 후반 수상함용 예인형 선배열 소나 핵심 기술 응용연구로 발전했고 지속적인 연구를 통해 선배열 소나가 비교적 소음이 큰 잠수함이나 소형잠수정을 장거리에서 탐지하는 데 효과적인 장비임을 확인했다.

　여기에 더해 해군도 예인음탐기 획득 의지를 보이며 국내 개발에 대한 소요 제기를 함으로써 예인음탐기체계의 개발이 시작될 수 있었다.

　

●개발 당시 국내 기술수준

　 1980년대 국내 소나기술 연구는 한국 해역에서 해상실험을 통한 저주파 수중음향 신호의 음파 전달 특성과 선배열 센서의 배열이득 특성 측정, 저주파 함정소음 스펙트럼 분석 및 식별 기술(LOFAR: Low Frequency Analysis and Recording) 분야에 집중됐다.

　당시 국내 수중음향학 연구는 초보적 수준이었고 관련 산업기반은 미미한 수준이어서 소나 연구에 필수적인 수중 센서와 신호처리장치, 수중음원 등 해상실험 장비를 연구원들이 연구실에서 직접 설계하고 제작해야만 했다.

　선배열 센서는 직경 80㎜, 길이 10m 정도의 폴리우레탄 호스에 수십 개의 음향센서가 내장되는 음향모듈을 수십 개 커넥터로 연결해 30kts로 예인해도 장력에 견디면서 저소음이어야 하는 고난도 기술이다.

　폴리우레탄 호스 제작에서부터 티타늄 센서모듈 커넥터 가공, 고속 디지털 신호처리 보드 제작 등 필요한 국내 산업기반이 없는 상황에서 예인선배열 센서와 신호처리장치를 개발해야만 하는 어려운 상황이었다.

●개발 초기 연구

　 1982년부터 계속된 수중음향탐지기술 연구는 1990년대 초반(1991~1992)에 들어서면서 예인형 및 선체부착형 선배열 소나 핵심기술 종합 및 체계사양 도출이 목표였다. 이 시기에 연구진은 1989년 제작된 124m급 선배열 실험 세트를 가지고 모의표적 및 실표적을 상대로 한 탐지실험을 병행하면서 과연 한반도 근해에서도 장거리 탐지가 가능한지를 파악하는 데 주력했다.

　 선배열 센서의 탐지 성능을 해상에서 확인하려면 잠수함 신호를 모사할 수 있는 예인 표적이 필요했지만, 기초연구 단계에서 고가의 저주파 고출력 음파 생성기를 구입할 예산이 없었다. 그 때문에 번개가 천둥소리를 내는 원리를 이용해 수중에서 고전압을 방전시켜 큰 소리를 내는 음파 송신기 스파크어레이를 직접 만들어야 했다.

　연구진은 서울 청계천 세운상가 고물상을 뒤져서 부품을 구하고 연구실에서 조립해 음파 송신기를 만들어냈다.

　 해군의 지원으로 수심 200m 이하의 천해에서 탐지실험을 한 결과 200~400Hz 대역에서 수중표적에 대한 장거리 탐지가 가능함을 확인했다. 실제 잠수정을 투입한 탐지실험에서도 만족할 만한 결과가 나왔다. 이를 통해 천해로 분류되는 한반도 근해에서도 예인형 선배열 소나의 적용 가능성을 입증했다. 심해인 동해에서는 센서를 100m 이상 깊이로 충분히 내리지 않으면 잠항하는 표적을 탐지하기 어렵다는 것을 확인했다. 이에 따라 TASS를 동해에서 운용할 경우 센서가 최대 300m 깊이까지 내려갈 수 있도록 예인케이블 길이를 설계해야 한다는 결론을 얻었다.

　

●기술 발전 추세

　1·2차 세계대전을 거치면서 잠수함을 탐지하는 가장 효과적인 수단으로 수중음파를 이용하는 소나의 연구개발이 활발하게 진행됐다.

　 초기 단계에는 재래식 잠수함을 2㎞ 거리에서 탐지하는 12채널 예인음탐기(Towed Array Sonar)가 개발됐다. 2차 대전 이후 냉전시대에 접어들자 대륙간탄도탄으로 무장한 원자력잠수함을 원거리에서 탐지하기 위해 수동형 예인음탐기 개발이 본격화됐다.

　러시아 원자력 잠수함은 원자로 냉각펌프와 추진기 소음이 매우 커서 예인음탐기는 선박 통행량이 적은 조용한 대양에서 매우 효과적인 대잠 탐지 체계가 됐다.

　미국은 1970년대 수상함용 예인음탐기체계인 AN/SQR-14를 개발, 구축함에 탑재하기 시작했고 지속적인 성능 개량을 통해 1980년대 초 현대적 전술예인음탐기 AN/SQR-19를 구축함에 전력화했다.

　더불어 미국은 1970년대 장거리 탐지 장비인 해양감시용 선배열 음향시스템(SURTASS: Surveillance Towed Array Sensor System)을 개발했다.

　 1980년대 이후에는 예인음탐기체계기술이 성숙 단계로 접어들어 광통신 예인케이블과 멀티라인(Multi-line) 예인센서를 개발했고 선체고정형 능동소나 신호를 수신해 잠수함을 탐지하는 다기능 예인센서(Multi-function Towed Array) AN/SQR-20을 개발했다.

　원자력잠수함이 정숙화되고 제3국의 재래식 잠수함 세력이 증가하면서 천해에서 비교적 조용한 잠수함을 탐지하는 대잠전에 관한 연구개발이 활발해졌고 예인음탐기도 수동형에서 능동형 예인음탐기로 발전하고 있다.

　 한국도 정숙화되는 재래식 잠수함의 위협에 대비하기 위해 저주파 능동 예인음탐기 기술을 개발하고 있다. 현재 운용 중인 수동형 예인음탐기체계를 다기능 예인음탐기로 성능개량하고 차세대 대잠전 체계로 분산센서망 탐지 체계인 멀티스태틱(Multistatic) 소나 체계로 발전시킬 계획이다.

 

국방과학기술지식대백과사전 수상함용 통합 음탐기

수상함용 통합 음탐기는 미래대잠전 환경에서 저소음화되는 잠수함을 효과적으로 탐지·추적·식별하고, 공격하는 어뢰를 탐지·경보하기 위한 장비다.

　현재 미국은 수상함용 통합 소나 체계(SQQ-89A 15), HMS(SQS-53C), 다기능 예인 선배열 소나(SQR-20) 등을 운용 중이다.

　이와 함께 가변 심도 저주파 능동 소나(LFATS VDS-100), 디핑소나(HELRAS DS-100) 등을 보유하고 있으며 다중 상태 소나 체계 구현도 가능하다.

　미국은 해군연구청(ONR)을 중심으로 많은 연구비를 대학 등의 기초연구 분야에 투자하고 있으며, 필요한 기술은 이미 투자를 통해 개발된 연구결과들을 조합해 개발하는 방식을 적용하는데 성공률이 높고 기술수준도 세계 최고다.

　이외에도 미국은 대잠전 작전을 연안전투함(LCS) 개념으로 전환해 다양한 소나 체계를 개발 운용하고 있다.

국방기술품질원 제공