제8회 국방과학기술대제전 - 1

고충격 가속도센서

강화 콘크리트를 사용한 견고표적(벙커, 갱도진지 등)을 정밀 타격하여 효과적으로 무력화하기 위해서는 침투탄두의 관통자가 관통한 이후 내부 공간과 층을 감지하여 적절한 시점에 기폭신호를 생성할 수 있는 지능형 신관과 고충격 가속도센서가 필요하다. 일반적인 가속도센서는 1,000G 이하에서 작동하지만, 침투탄두에 탑재되는 고충격용 가속도센서는 10,000G 이상에서도 작동하는 성능이 요구되며 항공우주 또는 국방 분야에서 특수목적용으로 설계·제작된다. 고충격용 MEMS 가속도센서를 상용화하여 판매하는 업체는 매우 한정적이며, E/L(Export License) 부품으로 지정되어 수입이 제한될 가능성도 있다.

국내에서도 극초음속 무기체계 개발이 진행됨에 따라, 마하 3 이상의 초음속으로 탄착하는 침투탄두 개발에 소요되는 지능형 신관의 핵심부품인 고충격 MEMS 가속도센서 설계기술을 개발했다. "극초음속 유도무기체계용 고충격 가속도센서 설계기술('20.10~'23.09)" 선행핵심 과제를 통해 최대 측정범위 150kG, 내고충격 200kG의 성능을 확보한 고충격 가속도센서 개발을 완료했으며, 고충격 가속도센서 개발을 위한 설계/제작/공정기술에 대한 100% 기술 자립도를 달성했다고 한다. 이를 통해 수입품 조달에 소요되는 비용(현재 465만원/조)을 감소시키고 공급망을 안정화할 수 있을 것으로 기대된다.

레이저 ISL 통신기술

레이저를 이용한 위성 간 통신(ISL, Inter-Satellite Links) 기술은 기존 RF 통신기술에 비해 넓은 대역폭을 확보할 수 있어 Gbps급 대용량 고속 데이터 전송이 가능하며, 재밍과 도청에 대한 보안성이 우수하고, 지상에서와 달리 대기 환경에 의한 감쇄 효과가 발생하지 않아 위성 간 안정적인 통신링크를 확보할 수 있다. 또한, RF 통신탑재체 대비 소형화 및 경량화가 가능하고, 주파수 간섭을 고려할 필요가 없다는 장점을 갖는다. 그러나 레이저 빔 폭은 매우 협소한 반면, 저궤도 위성은 7.5km/s 이상의 빠른 속도로 움직이므로 수천 km 이상 떨어진 상대 위성을 찾고 추적하여 통신링크를 형성하기 위해서는 매우 높은 수준의 자세 정밀도와 제어성능이 요구된다.

"저궤도 위성용 레이저 통신 기술('20.11~'23.12)" 과제는 저궤도 전술위성군 프로그램에 소요되는 위성간 레이저통신 단말기와 위성-지상간 레이저 통신을 지원하는 지상 레이저통신 단말기를 개발하는 것을 목표로 진행되었다. 시제 개발에는 한화시스템이 참여하였다. 위성용 단말기는 LCT135급 성능으로, 이종 위성군 및 지상-위성 간 레이저 통신을 지원하기 위해 2자유도의 회전축을 갖는 구조로 설계되었으며 전송속도 1Gbps, 전송거리 2,000km를 만족한다. 지상용 단말기는 1Gbps의 전송속도와 전송거리 500km, 비트오류율 10^-6 이하를 달성하였다.

최종적으로, 야외 환경에서 모의시험을 통해 PAT(Pointing, Acquistion, Tracking) 기술과 고속 광 Transceiver 기술을 레이저통신단말(LCT)의 양방향 통신을 확인했다고 한다. 이번 과제에서 제작된 단말기는 DM(Development Model)급 시제로써, 향후 2단계 과제에서 EQM(Engineering Qualification Model)급 시제를 제작하고 미래도전국방기술 가교 연구로 추진 중인 "저궤도 전술위성군 통신 시험위성 개발('23.04~'28.03)" 및 "저궤도 전술위성군 조기경보 시험위성 개발('23.04~'28.03)" 과제의 시험위성에 탑재할 예정이다.

통합형 전파고도계

국방과학연구소는 "간섭계 레이더 고도계 기술('13.~'17.)", "3차원 지형기반 복합항법 시스템('15.10~'19.09)" 과제를 통해 10km 이하의 고도에서 정밀한 3차원 지형고도 정보를 획득할 수 있는 간섭계 레이다 고도계(IRA, Interferometric Radar Altimeter)를 개발하였다. 그러나, IRA는 탑재장비의 크기가 크고 무거워서 무인기의 전파고도계(RA, Radar Altimeter)와 동시에 적용하는 것이 제한되는 문제가 있었다.

후속 과제로 진행된 "지형 DB 기반 IRA/RA 통합 소형 전파고도계 개발('20.07~'23.06)"은 지형대조항법(TRN, Terrain Referenced Navigation) 센서인 IRA를 RA와 통합하여, 고도별로 선택적/지능적으로 운용할 수 있는 지형 데이터베이스(DB) 기반의 무인기용 소형 전파고도계 기술을 개발하는 과제이다. 국방과학연구소 미사일연구원 주관으로 진행되었으며, 한화시스템과 엘트로닉스가 개발에 참여했다.

통합 전파고도계 안테나는 3×10 슬롯배열 안테나 3개(1개 송·수신 안테나, 2개 수신 안테나)로 구성된다. Ku-Band 주파수를 사용하며, 고도 1.5km 이하에서는 RA 모드로 FMCW 신호를 송신하고 1.5~7km에서는 IRA 모드로 고출력증폭기와 결합하여 LFM(Linear Frequency Modulation) 펄스 신호를 송신하는 통합 송수신기로 개발하였다. 기존 IRA는 본체와 안테나가 분리된 구조로 개발되어 본체 중량이 16.1kg, 안테나 중량이 16.6kg였으나, 본 과제를 통해 개발한 IRA/RA 통합형 시스템은 본체와 안테나가 일체화되어 기존 IRA 시스템 대비 부피는 13.9%(220×140×130㎣), 무게는 21.1%(6.87kg) 수준으로 크게 감소했다고 한다.

40mm CTA 다목적고폭탄

40mm CTA 기관포는 기존 K40 기관포에 비해 탄 부피를 30% 감소시켜 더 많은 탄약을 적재할 수 있고, 회전식 약실 구조를 채택하여 클립형 급탄장치에 비해 탄피 방출이 용이하다. 또한, 장전 및 추출 사이클과 관련된 부품수를 50% 수준으로 감소시킴으로써 신뢰성 및 정비성을 크게 향상시킬 수 있다는 장점을 갖는다. 국내에서도 40mm CTA 기관포와 날개안정분리철갑탄(APFSDS), 연습탄(TP)을 개발하였으며, 현재 풍산에서 "탄두내장형 다목적 고폭탄 설계기술('21.12~'24.12)" 응용연구 과제를 통해 다목적고폭탄(HE-MP)을 개발하고 있다.

40mm CTA 다목적고폭탄의 탄 체적은 전장 255mm, 외경 65mm이며, 탄 중량은 2.5kg, 포구속도는 900m/s이다. 시한정보는 0.1~20초(0.01초 단위)로 장입할 수 있다. CTA 연습탄과 형상은 유사하지만 탄두중량이 증가하고 추진제를 충전할 수 있는 공간이 감소하므로, 충전율과 에너지량을 증가시킬 수 있는 새로운 추진제를 개발하여 적용했다고 한다. M&S 해석 결과 유효살상반경 9.68m, 유효살상면적 294.22㎡로 CTAI社의 GPR-AB-T와 비교해 각각 1.7배 이상, 2.9배 이상 증가하는 것으로 분석되었으며, 철판 관통시험 결과에서는 유효살상반경 10m 이상, 유효살상면적 331㎡ 이상을 기록했다.

다목적고폭탄은 전자식 탄저신관과 신관장입기를 통해 시한/충격모드로 운용이 가능하고, 인마 및 은/엄폐 표적, 참호 및 밀집부대, 벙커, 장갑차량 등의 다양한 위협에 효과적으로 대응할 수 있다. '24년 7월부터 10월까지 시험평가를 진행하여 11월에 최종평가를 마무리한다는 계획이며, 향후 개발이 완료되면 KAAV-II, 기갑수색용 보병전투차량, 차세대 보병전투차량 등의 지상전투체계에 CTA 기관포와 함께 도입될 것으로 기대된다.