기뢰 매몰률 예측에 대한 기술동향 및 발전방향
세종대학교 대학원
해양시스템융합공학과 이근화 교수
기뢰: 값싼 비대칭 수중전력
기뢰는 선박을 파괴할 목적으로 해양에 설치하는 폭탄이다. 땅에 설치하는 지뢰와 똑같은 기능을 한다. 지뢰(地雷)는 이름에 한자인 땅 지(地)가 들어가는 반면 기뢰(機雷)라는 단어 자체에는 바다를 연상할 수 있는 의미는 없다. 사실 기뢰는 기계수뢰(機械水雷)라는 단어의 약자이다. 조선말 고종때 작성된 훈국신조군기도설(訓局新造軍器圖說)에서 물에서 폭발하는 탄을 일컫는 말로 수뢰(水雷)라는 용어를 사용한 사례로 볼 때, 현대에 사용하는 기뢰라는 단어는 일본의 난학자들이 근대에 만든 단어로 생각된다. 참고로 어뢰는 어형수뢰(魚形水雷)의 약어이며 일본에서는 기뢰와 어리를 통틀어 수뢰라고 한다. 그러나 우리나라에서는 명확하게 용어가 정의되고 사용되고 있지는 않은 듯하다. 초기의 기뢰는 기뢰 자체에 양성부력을 줘서 부유식이나 계류 방식으로 설치를 했으나 요즘에는 기뢰에 음성부력을 주고 해저면에 뿌리는 침저 방식으로 설치를 많이 한다.
<그림 1. 기뢰의 분류 (Szturomski, 2015). 참고로 기뢰의 작동 방식은 직접충격, 자기감응, 전기감응, 압력감응, 음향감응, 음향 trigger에 의한 점화로 분류함>
<그림 2. (a) 해저 기뢰의 예, (b) 계류 기뢰의 예 (출처: 구글 이미지)>
기뢰가 무서운 이유는 가격 대비 효용성에 있다. 기뢰는 원리상 설정에 맞춰서 터지는 폭탄에 불과하기 때문에 가격이 비쌀 수 없다. 보통 한 발에 수백만원 대이며 자항 및 복합센싱 기능을 갖춘 최신 기뢰도 수 억원 대를 넘지 않는다. 하지만 기뢰의 위협을 받는 함정의 가격은 최소 수 천억원대이며 우리 해군의 최신 이지스함인 정조대왕함의 가격은 1조 2천억원이 넘는다. 적이 기뢰를 이용해 주요 군항을 봉쇄하거나 기뢰로 인해 핵심 함정이 타격을 입는다면 그 피해는 어마어마할 것이다. 실제로 1950년 한국 전쟁 당시 북한은 해양통제권을 완전히 상실했음에도 불구하고 강력한 해군력을 보유한 연합군의 원산상륙작전을 항만에 기뢰를 부설하여 상당 기간 지연을 시켰다. 최근 러시아-우크라이나 전쟁에서도 러시아와 우크라이나는 각각 수천 개의 기뢰를 흑해 주변의 주요 군항에 살포했다. 이로 인해 수출입 항로가 봉쇄되고 표류하는 기뢰 때문에 주변국의 화물선 및 군함의 피해가 누적되고 있다.
Hunt when you can, Sweep when you must
기뢰를 제거하는 방법은 크게 탐색처리(minehunting)와 소해처리(minesweeping)로 구분할 수 있다. 탐색처리는 해역에서 기뢰를 수색하고, 탐지하고, 제거하는 과정을 말한다. 반면 소해처리는 기뢰를 수색하고 탐지하는 절차를 생략한다. 기뢰가 매설되었을 것이라 의심되는 해역을 소해장비로 청소하듯이 훑으면서 기뢰를 제거하는 것을 말한다. 미국에서는 전자의 역할을 수행하는 함정은 기뢰탐색함(minehunter)로 분류하고 후자의 역할을 수행하는 함정은 기뢰소해함(minesweeper)로 분류하여 관리한다. 당연히 기뢰탐색함이 첨단 탐색 장비를 많이 싣고 다녀야 해서 함정의 크기가 크고 기뢰소해함은 비교적 작다. 우리나라의 소해함은 일반적으로 미국의 기뢰탐색함의 역할로 탐색처리와 소해처리를 동시에 수행한다고 보면 된다.
기뢰를 어느 방식으로 처리할지는 전적으로 지휘관의 판단에 달려있다. 보통은 기뢰를 탐색하는 것이 너무 어렵다던가(바다는 항상 거칠며 수심 몇 미터만 들어가도 빛이 없다!), 적이 엄청난 수의 기뢰를 살포해서 탐색처리에 걸리는 시간이 말도 안되게 길다면 소해처리방식을 선택한다. 소해처리 방식은 탐색처리보다는 빠르지만 불확실성이 상존한다. 전자기에 반응하는 기뢰에 대해서만 소해를 했는데 혹시 음향에 반응하는 기뢰가 있었다면? 기계식 소해구로 해당 해역을 전부 훏고 다니기는 했는데 혹시 몇 개의 기뢰가 소해구를 빠져나왔다면? 소해처리는 빠르기는 하지만 항상 처리 이후에도 위험이 도사리고 있다. 그렇기 때문에 미해군에서는 기뢰전에 임할 때 항상 ‘Hunt as you can, Sweep as you must’라는 격언을 상기한다.
기뢰탐색: 소나를 이용한 음향 탐지와 한계
수중 기뢰 탐색에는 기본적으로는 음향 탐지를 이용한다. 수중은 탁도가 높아서 빛이 투과하기에는 어려운 환경이며 육상에서는 유용한 전자기파도 물에서는 감쇠율이 높기 때문에 사용이 불가능하다. 음향 탐지에 사용하는 장비는 측면주사소나를 보통 이용한다. 측면주사소나는 모선에 예인되는 수중예인체의 측면에 부착되는 센서 및 신호처리장치이다. 수중예인체의 이동방향을 따라 해저면을 음향으로 스캔하는 역할을 한다. 측면주사소나의 원리는 압전소자를 이용해 음향 빔을 형성하여 해저면에 조사시키고 해저면으로부터 산란되는 음파의 신호강도를 이용해 영상을 만드는 것이다. 최근에는 멀티 빔 측면주사 기술 및 합성개구면소나 기술이 널리 적용되어 음향 영상의 해상도는 4 cm 정도까지 높아진 상황이나, 픽셀의 크기가 0.1 mm이하인 광학 영상의 해상도와 비교하면 눈으로 봤을 때 쨍한 느낌은 여전히 없다. 또한 음파에는 색깔정보가 없기 때문에 음향 영상에 현실감 있게 색깔을 입히고 입체감을 주는 것도 해결해야 할 문제이다. 음향 영상으로 기뢰를 탐색할 때 가장 어려운 부분은 해저면에 깔려있는 해저 기뢰를 탐색할 때이다. 해저면은 콘크리트나 강철처럼 단단하지가 않다. 대부분은 육상이나 화산폭발로 대기에서 기원한 진흙이나 모래와 같은 알알히 부서지는 해저퇴적물로 덮여있다. 이러한 해저퇴적물에 해저기뢰를 공중이나 수중에서 투하하는 경우 낙하의 충격에 의해 해저퇴적물에 박히게 된다. 해저기뢰가 부분적으로 박혀있으면 부분매설기뢰(partially buried mine), 완전히 박혀 버리면 매설기뢰(buried mine)라고 지칭한다. 이러한 매설 형태의 기뢰는 소나 영상에서 뭉개져서 나타나거나 아예 기뢰가 없는 것으로 보이기 때문에, 단순한 측면주사소나로는 탐지 자체가 불가능하다.
<그림 3. 측면주사소나로 얻은 스캔 영상의 예시 (출처:www.edgetech.com). 가운데의 하얀선이 수중예인체의 이동 궤적임.>
<그림 4. 투하된 모의 해저 기뢰 (출처: www.whoi.edu/oceanus/fature)>
기뢰매몰률의 예측: 측정과 물리 모델링
기뢰매몰률은 기뢰가 해저퇴적층에 매설이 된 정도를 정량적으로 나타낸 양으로 기뢰의 전체 부피에 대한 매몰된 부피의 비로 정의된다. 탐지 측면에서 이미 매몰된 기뢰를 발견하기가 쉽지 않지만, 주요 항만이나 항로에 대한 관리 측면에서 보면 이야기가 달라진다. 앞서 이야기 했듯이 기뢰의 매설 여부는 전적으로 해양환경과 기뢰의 투하조건에 달려있는 문제이다. 그렇기 때문에 주요 해역에 대해 미리 기뢰매몰률을 예측할 수 있다면, 기뢰 대항 작전이나 기뢰 소해 작전을 수행할 때 소중한 정보로 활용 될 수 있다. 음향 탐지를 할때도 기뢰 매몰에 대한 사전 정보가 있다면 보다 세심하게 영상을 관찰할 수 있다.
기뢰매몰률을 예측하는 가장 직접적인 방법은 해역마다 돌아다니면서 모의 기뢰를 실제로 떨어뜨려보는 것이다. 문제는 돈이다. 바다에 실험선을 하루 띄우는데 필요한 비용은 보통 수천만원대로 알려져있다. 한반도 근해 전 해역에 대해 조사하는 것은 막대한 비용이 든다. 예산이 확보되었다고 해도 시간도 문제가 된다. 기뢰를 투하시키는 것까지는 쉽게 할 수 있지만 기뢰매몰률도 측정해야 하고 투하 기뢰를 회수도 해야 한다. 단 시간내에 할 수 있는 일은 절대 아니다. 그렇기 때문에 해양에서 수행되는 측정은 설령 시행된다고 해도 시공간적으로 듬성듬성하게 측정될 수 밖에 없다. 사실 이는 해양뿐만 아니라 지구나 우주환경에 대한 연구를 수행하는 모든 연구자들이 겪고 있는 어려움이다.
<그림 5. 세종대학교 수중음향실험실에서 수행된 입수각도 별 모형 낙하시험>
기뢰매몰률을 예측하는 또 다른 방법은 물리 모델을 이용하는 것이다. 해저 기뢰를 부설하는 방법은 헬기, 잠수함, 함정 등에서 기뢰를 물속으로 떨어뜨리는 방식이다. 역학적으로 기뢰 부설은 낙하운동으로 볼 수 있다. 기뢰는 원통형이나 잘려진 원뿔형의 유한한 부피를 갖는 강체이기 때문에 우선 병진운동뿐만 아니라 회전운동도 포함하는 6자유도 운동을 고려해야 한다. 기뢰가 낙하하면서 통과하는 매질은 공기, 물, 해저퇴적물의 최대 3개가 될 수 있다. 그렇기 때문에 운동방정식을 세울 때 3개의 서로 다른 상(phase)의 매질에 대해 외부 매질과 기뢰의 운동간의 동역학적 관계를 반영해야 한다. 연구 결과에 의하면 기뢰의 무게중심 및 초기조건에 따라 기뢰가 여러 거동을 보이며 낙하하는 것을 확인하였으며 물리 모델로도 유사한 모의가 가능하다는 것을 보였다. 물리 모델로 기뢰매몰률을 계산하는 것은 직접 측정과 달리 비용과 시간 측면에서 매우 유리하다. 하지만 물리 모델을 구동하기 위해서는 해저퇴적물 입도, 수심과 같은 해양환경자료가 필수적이며, 물리 모델의 정확도를 높이기 위해서는 실측 자료와의 비교를 통해 모수들의 범위를 제한하고 최신화해야한다.
<그림 6. 모형낙하실험 결과와 물리모델 예측의 비교>
후기 기뢰매몰률: 바다는 늘 변한다
앞서 서술한 기뢰매몰률은 엄밀히 이야기하면 초기 기뢰매몰률이다. 초기 기뢰매몰률은 해저기뢰의 낙하운동으로 인해 발생하는 최초의 기뢰매몰률이다. 기뢰는 부설 이후에 바로 동작하지 않는다. 임무가 완료되기 까지 시간이 필요하다. 유실된 기뢰의 경우 해저면에 침저된 상태로 몇 개월에서 수년간 머물수도 있다. 수중환경은 아쉽게도 정적이지 않다. 해수면에는 파도가 지나가고 해저면에는 저층해류가 흐르며 해류는 해저퇴적물을 끊임없이 이송하는 역할을 한다. 이 때문에 몇몇 해저 기뢰는 최초 투하시에는 해저면 위에 놓여있다가도 시간이 지나며 매설이 되기도 하고, 반대로 매설이 된 기뢰가 다시 모습을 드러내는 일도 발생한다. 이렇게 해양환경의 변화 때문에 달라지는 기뢰매몰률을 후기 기뢰매몰률이라고 지칭한다. 후기 기뢰매몰률과 관련된 주요 물리현상은 세굴(scour), 층면구조 이동(beadform migration), 해저퇴적물 액상화(liquefaction)를 들 수 있다. 세굴은 바다의 저층 해류에 의해 부분 매설 기뢰 주변의 해저 퇴적물이 씻겨나가면서 기뢰 주변이 파이는 현상을 말한다. 세굴현상은 다리나 고정식 해양구조물에서도 많이 발생하는 현상이다. 층면구조 이동은 거시적인 측면에서 해저퇴적물의 언덕이나 굴곡등이 해류에 따라 이동하는 것을 말한다. 사막에서 사구의 이동과 비슷하다고 생각하면 된다. 해저퇴적물 액상화는 파도에 의해 야기되는 반복적인 전단력이나 강한 충격으로 서로 알갱이로 뭉쳐있는 해저퇴적물 내부의 공극수압이 증가하여 전단강도를 상실함에 따라 마치 액체처럼 거동하는 현상을 말한다. 액상화는 주로 접착력이 미약한 모래퇴적물에서 많이 발생한다. 액상화는 기뢰의 침하나 자세변화를 야기할 수 있다.
<그림 7. 해저면에 매설된 물체(초음파 해류계) 주변의 유동에 의한 세굴의 예>
후기 기뢰매몰률을 물리 모델로 예측하는 것은 이론상으로는 가능하나 해양유체에 대한 대규모의 수치해석과 다수의 해양환경 자료가 필요하기 때문에 실용적이지 못하다. 혹시 먼 미래에 양자컴퓨터를 PC로 사용 할 수 있는 시대가 도래한다면 모르겠다. 그래서 대부분 경험식이나 단순한 환경에서 얻어진 해석식으로 후기 기뢰매몰률을 예측한다. 후기 기뢰매몰률은 초기매몰률과는 다르게 시간에 따라 변하는 값으로 표현된다. 이때 변화하는 시간 시케일은 기뢰매몰률을 변화시키는 해양환경의 시간 스케일에 거의 비례한다. 아래 그림은 기하학적인 방법을 이용해 예측한 층면구조 이동에 따른 기뢰매몰률의 변화를 보여준다.
<그림 8. 시간별 사구의 이동에 따른 해저기뢰의 매몰깊이 변화의 예>
기뢰매몰률 예측의 발전 방향: 측정과 물리모델의 정확도 향상
실 해역의 기뢰매몰률을 정확히 예측하는 것은 일기예보를 하는 것과 본질에서 비슷하다. 실제 측정자료의 정확성을 높이고 또한 물리 모델의 정확성도 높여야 각각의 자료를 동화시켰을 때 예측정확도가 높아진다. 전통적으로 실 해역에서 기뢰매몰률을 측정하는 방식은 두 가지였다. 모의기뢰를 투하하고 다이버가 수작업으로 기뢰매몰률을 측정하거나, 해양조사를 통해 얻어진 해저퇴적물 물성을 통해 간접적으로 유추를 하는 방식이다. 정확도도 문제지만 일단 비용이 많이 든다. 위 방식으로는 몇 주에서 몇 달을 관찰할 수도 있는 후기 기뢰매몰률 측정은 엄두도 안 나는 상황이다. 이를 해결하는 한 가지 방법은 모의기뢰에 최신 센싱 기술을 적용하는 것이다. 모의기뢰의 표면에 광학센서나 음향센서를 부착하여 매몰상태에 대한 기하학적인 정보를 얻고 직접 기뢰매몰률을 측정하는 것이다. 또 한 가지 방법은 소나를 이용한 음향 탐지이다. 측면주사소나로부터 얻어진 음향 영상을 분석하면 부분매몰된 기뢰의 기뢰매몰율을 유추할 수 있다. 소나 영상은 육지나 위성에서 얻어진 영상 정보에 비해 해상도가 낮고 지저분하므로 인공지능기술의 적용이 필수적이다. 이론상으로 합성개구방식의 저주파소나는 지층을 투과할 수 있는 저주파를 활용하기 때문에 매몰기뢰도 접촉할 수 있다. 이 자료를 시각화하면 역시 간접적으로 매몰기뢰의 자세 정보와 위치를 얻어낼 수 있을 것이다 (저주파 센서 제작 및 신호 생성 기술 확보는 매우 어렵다). 소나를 이용한 측정은 무인잠수정이나 무인수상정에서도 예인할수도 있기 때문에 비용 측면에서도 이득이다.
위와 같은 측정의 정확도 향상과 더불어 물리 모델을 고도화하는 것도 필요하다. 물리 모델을 기뢰매몰률 예측에 활용할 때 맞닥뜨릴 수 있는 문제는 물리 모델에 사용된 가정의 합리성 여부와 물리 모델에 들어가는 부가질량계수, 항력계수와 같은 동력학적 계수들의 결정이다. 특히 기뢰처럼 시간에 따라 물체의 자세가 달라지는 운동체에 대해서는 유체역학적 계수들의 결정이 무엇보다도 중요하다. 그러므로 다양한 상황에서 수치실험이나 모형/실선 실험을 통해 유체역학적 계수들을 얻어내는 것이 필요하다. 궁극적으로는 실 해역에서의 측정값과 물리 모델의 추정값의 자료 동화를 통해 물리 모델의 예측 정확도를 향상할 수 있을 것이다.
결 언
본 고에서는 기뢰매몰률 예측 모델에 대한 소개와 발전 방향을 살펴보았다. 조금 시각을 넓혀서 기뢰전 전체를 본다면, 최근 기뢰전의 대세는 무인화라고 할 수 있다. 기뢰전은 작전 시작부터 끝까지 기뢰라는 폭발물에 직접적으로 노출된다. 평소 대비를 철저히 해도 불가항력적인 사고로 아군의 피해가 발생할 수 있다. 이러한 위험을 최소화할 수 있는 최고의 묘안은 기뢰전 전력을 무인화하는 것이다. 값비싼 소해함 한 척을 투입하는 것보다 저가의 무인수상정과 무인잠수정을 여러 척 운용하는 것이 위험 분산이나 정보획득 측면에서 훨씬 좋다. 무인화를 효과적으로 구현하기 위해서는 필연적으로 대상 체계의 지능화 수준을 높여야 한다. 무인 선단이 협동으로 자율운항하며 수집된 음향 및 광학 정보 등을 이용해 기뢰를 자동분류하고 식별 및 제거하는 전장이 기뢰전의 미래다.
우리 세종대학교에서도 각 군과 협업하여 미래 무기체계의 무인화와 인공지능기술과 관련된 여러 핵심 연구를 수행하고 있다. 국방 R&D는 융복합 연구의 특성이 있어서 학부 레벨에서는 소화하기 힘들고 대학원 수준에서 연구가 수행된다. 실무 및 연구인력 양성도 대학원이 담당한다. 본교의 많은 우수한 학생들이 각 군의 국방 R&D에 관심을 두기를 바라며, 특히 해군 무기체계 발전에 더욱 각별한 관심을 가진다면 더할 나위 없을 것이다. 본 연구를 함께한 외부연구원들과 세종대학교 수중음향/신호처리그룹 추영민, 홍우영 교수, 자율운항실험실 김세원 교수, 국방시스템공학과 김진황 교수에게 감사드리며 이만 글을 마친다.
참고문헌
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