최근 드론을 통한 위협이 증가하고 있는 상황에서 이러한 드론에 대항할 수 있는 방법으로 HPM 시스템을 소개하여 HPM 기술과 역사, 그리고 현재 진행되고 있는 개발 프로그램에 대해 알아본다.
무인 비행체 시스템 UAS(Unmanned Aerial System)는 최근 중요 이슈이나 항상 좋은 방향의 뉴스만 있는 것은 아니다.
작년 10월 러시아는 우크라이나의 전 지역에 걸친 에너지 및 전력 공급 시설에 드론과 순항 미사일을 이용한 광범위한 공격을 시작하였다.
비록 러시아의 미사일과 loitering 무기(이란제 Shahed-136과 -131 포함)는 초보적인 수준이었지만 한 번에 12발 이상을 발사하며 수백만 발을 발사하여 우크라이나의 방공망 시스템을 압도하였다.
우크라이나는 이 드론과 순항 미상일의 ¾ 이상을 격추하였다고 말하며 주로 RF와 IR 유도 지대공 미사일에 의존하였다.
러시아는 쉽게 우크라이나의 전력 시설에 대한 공격을 포기하지 않을 것으로 보인다.
장기적인 관점에서 2만달러의 드론을 200만 달러의 지대공 미사일로 대응하는 것은 비용측면에서 적합하지 않다.
그러나 더 좋은 수단을 갖추기 전까지는 어쩔 수 없이 갖고 있는 것으로 대응해야 한다.
우크라이나의 시설을 공격한 러시아의 드론과 순항 미사일은 세계의 이목을 집중시켰으나, 이것이 특별한 것은 아니다.
앞으로의 전장에서 많은 나라들은 상대국의 무장화된 드론으로부터 유사한 상황에 놓이게 될 것이다.
우크라이나에서 봤듯이 지대공 미사일과 레이다 유도의 AAA는 이 문제의 완벽한 해결책이 아니다.
이 무기들은 더 먼 거리의 표적에 대한 정확한 타격이 가능하여 전투기나 폭격기를 공격하기 위해 설계되었지 많은 수의 비싸지 않은 드론을 상대하려고 설계된 것이 아니다.
필요한 것은 많이 그리고 빠르게 발사가 가능하고(deep magazine) 저비용이면서(non-kinetic) 빛의 속도로 작동할 수 있는 것이 필요하다.
다른 말로 해서 드론이나 순항 미사일을 대항하기 위한 대공방어 시스템이 필요한 것은 직접적인 에너지 무기(DEW, Directed Energy Weapon)이다.
10여 년 전, 미국과 이스라엘 그리고 유럽의 몇 개 나라는 DEW의 개발에 큰 발전이 있었으며 주로 고 에너지 레이저(HEL, High Energy Laser)와 고출력 마이크로파 시스템(HPM, High Power Microwave)이다.
여기서 우리는 HPM 기술과 역사, 그리고 현재 진행되고 있는 개발 프로그램에 대해 알아보겠다.
HPM 무기는 운동학적, 비운동학적 무기 형태를 넘어 몇 가지의 장점을 가지고 있다.
HPM 시스템은 일반적으로 1초 이내의 발사가 가능하고 최신 세대의 시스템은 deep magazine (즉, 짧은 순간에 다중의 발사가 가능한) 특징을 갖는다.
HPM 무기는 민감한 전자 부품을 파괴하거나 손상을 주는 것부터 성능을 저하시키거나 리부팅시키는 것 등을 할 수 있다.
HPM 시스템은 RF와 마이크로파 에너지를 표적의 마이크로파 안테나나 쉴드되지 않은 와이어, 회로를 통해 프로세서와 다른 로직 부품에 전달한다.
또한 HPM 시스템은 안테나를 통해 송신하기때문에 빔의 형태를 넓게 또는 좁게 조정할 수 있다.
이를 통해 HPM 시스템은 몇 개의 표적을 동시에 공격하거나 하나의 표적에 에너지를 집중시킬 수 있다.
게다가 능동 전자 조향 스캔 어레이를 적용한 HPM 시스템은 필요에 따라 빔의 형태를 매우 빠르게 바꿀 수 있다.
SPARK GAP 송신에서 위상배열 어레이로 진화
HPM 무기는 흥미로운 역사를 가지고 있으며, 1962년 미국이 태평양 해상 250 마일 위에서 핵무기를 폭파시키면서 시작되었다.
2012년 Stuart Moran이 쓴 글에는 다음과 같이 기술되어 있다.
“이 폭발은 대기 상층부에서 전자의 큰 불균형을 일으키고 지구의 자기장과 상호작용하여 태평양 넓은 지역에 걸쳐 전기장의 진동을 만들어냈다.
이는 하와이의 전기적 피해를 줄 만큼 강력했으며 확실한 전자기 펄스(EMP, Electromagnetic Pulse) 영향을 확인할 수 있었다.”
이 발견은 미 펜타곤의 시선을 집중시켰으며 이것이 활용된다면 매우 효과적인 비운동학적 수단이 될것이기 때문이었다.
문제는 어떻게 이를 무기화할 것이냐이며 미터 당 수십만 볼트 이상의 전계 강도를 갖는 필드를 생성할 방법이 필요했다.
여기서 다음을 알아보기 전에 두 가지의 중요한 사실을 고려해야 한다.
첫번째로, 60년 이전의 미 국방부의 의도는 적을 무력화시키기보다는 전멸시키려는 의도가 있었다.
그리고 두 번째로 표적의 거의 모든 부품은 디지털이 아닌 아날로그였으며 이는 작은 반도체 장치보다 높은 레벨의 EM 에너지에 더 강한 내구성을 갖고 있었다는 것이다.
그 결과 매우 큰 RF 에너지는 필수적인것으로 고려되었다.
비록 이는 현재에도 몇몇 경우에 필요하기는 하지만 HPM 무기로 적 시스템을 공격할 때에 엄청난 양의 에너지가 항상 필요한 것은 아니다.
1960년대로 돌아가서 Moran의 기사에는 태평양에서의 폭발 이후에 어떻게 미 해군 소속의 연구원들이 연구를 했는지 설명하고 있으며 그들은 초기의 라디오 통신과 유사한 spark-gap 송신기의 고출력 버전에 집중하였다.
RF 생성기는 Hertzian 오실레이터였으며 spark gap 사이 공기의 고장 전압(breakdown voltage)에 도달할 때까지 캐패시터는 고전압을 충전하고 스위치가 닫히면 회로 내의 전류가 흐르고 저장된 에너지는 캐패시터의 전기장과 인덕터의 자기장 내에서 진동하게 된다.
이 후 전자기파를 전기 진동으로 전달할 수 있게 된다.
HertZian 형태의 장치는 일반적으로 100 MHz나 그 이하의 낮은 주파수의 단순한 형태의 안테나와 연결된다.
이 장치의 출력 필드는 지상 영향으로 인해 측정이 어려우며 그래서 용접 와이어의 100m 접지면은 고전압 생성기와 진단장치가 양 끝단에 연결된 반 지하의 트레일러와 함께 필드 안에 배치된다.
이 소스는 기가와트의 최대 전력과 미터 당 수 킬로볼트의 전계 강도를 표적 사이트에서 생성할 수 있었다.
Moran은 1970년대에 설계되고 시험된 많은 종류의 Hertzian 장치를 기술하고 있다.
예를 들면, cavity 오실레이터는 진동파를 만들어내기 위해 한쪽 끝에서 연결되는 ¼ 파장의 동축 파이프를 사용한다.
또 다른 형태는 frozen-wave 생성기라 불리며 케이블의 내에서 2 주기의 ‘frozen’ 파형을 만들어 내기 위해 케이블의 1/4파 부분을 사용하며 수십 킬로헤르츠의 반복 속도와 메가헤르츠의 주파수 범위에서 다중 킬로와트의 RF 펄스를 생성할 수 있다.
Hertzina 오실레이터를 이용한 대부분의 장치들은 최소 500 kV와 안테나로부터 수백 미터 범위의 넓은 전기장을 만들 수 있었다.
전압을 생성하기 위해 나선형 권선 용량의 플레이트(spiral-wound capacitive plates)를 이용한 벡터 반전 생성기를 포함한 다른 형태의 장치들은 트랜스포머를 사용하지 않아 크게 개선되었다.
Landecker ring 이라 불리는 장치는 파라볼릭 안테나의 초점 부분에 장착되었으며 병렬로 충전되고 직렬로 방전되는 peddle-wheel의 캐패시터와 인덕터를 이용한다.
이 시스템의 원형 배열은 쌍극자로 방사하고 효과적인 안테나를 구성할 수 있다.
또는 저주파 광대역에서 효과가 있는 FCG(Flux Compression Generator)를 고려할 수 있다.
초기의 전기적 시동 전류로 준비된 시스템은 고속의 폭발이 자기장의 기계적인 압축을 위해 사용되고 폭발에서 자기장으로 에너지를 전달한다.
FCG는 강력한 전기적 펄스를 생성하며 3대의 FCG가 연결되면 백배정도의 전력 증폭이 가능하여 수 기가와트의 최대 전력을 만들어 낼 수 있다.
그리고 Vircator(Virtual Cathode Oscillator)가 있으며 이는 변경이 가능한 협대역 주파수에서 높은 전력 수준의 펄스를 쉽게 만들어 낼 수 있다.
Vircator는 FCG에서 생성된 전력을 수백 미터 떨어진 표적에 정확히 집중할 수 있는 정확도를 가능하게 하지만 심각한 피해는 수십 미터 범위 내에서 발생한다.
1973년에는 적 레이다와 미사일 시스템을 한번의 공격으로 불태울 수 있는 고출력 EMP 가능성 확인을 위한 SEW(Special Effects Warhead) 프로그램이 시작되었다.
이 프로그램의 목표 중 하나는 전자기 탄두가 1 마일 밖에 있는 전자기기를 무용지물로 만들 수 있는지 확인하는 것이었다.
이 시기에는 미국이나 다른 나라의 전자기기와 시스템의 취약성에 대해 잘 알려져 있지 않았으며 시험에 사용된 송신기는 Nike Hercules 레이다 시스템과 같은 대형 표적을 시험할 수 있을 만큼의 큰 필드를 생성할 수 없었다.
이 문제를 해결하기 위해 트레일러 기반의 RF 임펄스 시스템이 만들어졌으며 이는 이백만 볼트로 충전된 Marx generator 구동의 L-C 오실레이터를 적용한다.
TOPS(Transportable Oscillating Pulser System)으로 알려진 이 시스템은 대형 bounded-wave 구조와 연결되어 레이다나 미사일을 커버할 수 있을 정도의 넓은 영역에 걸쳐 단일 필드를 생성할 수 있다.
이 시스템의 출력 전기장은 매우 강력하여 방사 구조가 일반적인 대기로 전환될만큼 충분히 커지기 전까지 특별한 절연 가스를 사용하지 않는다면 공기 중에서 아크를 일으킨다고 한다.
더 강력한 파워가 필요하다
시스템의 크기, 무게 그리고 비용은 RF 소스 자체가 아닌 시스템을 구동하는 펄스 형태의 DC 기술에 결정된다는 것이 명백해지기 시작했다.
그 결과 많은 무기 설계 개념에서 전력 전달 기술에 대한 노력이 증가하였다.
펄스 형태의 전력 구성품은 수 초동안 에너지가 저장될 수 있도록 하며 나노초 안에 방출함으로써 최대 전력을 10억배 증가시킨다.
1978년 미 해군은 미래의 무기를 위해 파워 소스, 에너지 저장 시스템, 고전력 스위치, 그리고 전력 조절 시스템 개발을 시작한다.
많은 양의 주 전력을 제공하기 위해 새로운 타입의 회전식 기계가 연구되었으며 여기에는 flywheels, conventional alternators, homopolar 생성기, rotary flux 압축기, 그리고 compensated pulsed alternators가 포함된다.
이러한 기계들은 손실과 와전류를 줄이고 기계적 스트레스를 감소시키기 위해 특별한 재료를 사용하여 빠르며 고전력의 펄스 생성을 시도했다.
1970년에서 1980년대까지 RF 전력 기술은 대학들과 몇몇 DOD 부서들이 연구에 참여함으로써 계속해서 발전을 이루었다.
그러나 냉전시대가 끝나가면서 직접적인 에너지 무기에 대한 관심도 줄어들었다.
Pulsed Power Technology 프로그램과 미 해군의 Charged Particle Beam 프로그램이 취소되었다.
HPM의 귀환
2000년대 중반까지 세계는 아날로그에서 디지털로의 기술 전환이 시작된지 오래되었고 거의 모든 아날로그는 완벽한 디지털로 바뀌었다.
이러한 전자 시스템 중 극히 일부만 HPM 공격에 대한 취약성이 시험되었다.
거대한 EMP 구름을 만들어내는 것은 소련 연방의 붕괴로 그 중요성이 떨어졌으며 이에 따라 전자 부품의 RF 에너지에 대한 보호 기술 역시 중요도가 떨어졌다.
그러나 이러한 상황은 오래가지 않았다.
디지털 전자 제품이 미군 시스템과 전력 공장이나 통신 시스템과 같은 민간 시설 제어 분야에 널리 사용됨에 따라 적의 HPM 무기를 이용한 공격에 대한 걱정이 커지게 되었다.
오늘날 주로 미국 동맹국을 포함한 여러 나라와 러시아, 그리고 중국은 HPM 무기 기술을 개발하고 있다.
그 결과 최근에 HPM 공격에 대한 방어를 하는 기술에 미 국방성은 눈을 돌리기 시작했다.
JPO/STC(Joint Program Office for Special Technology Countermeasures)는 RF 공격에 대한 디지털 시스템의 취약성에 대한 심도 있는 연구를 수행하였고 취약 데이터와 소스 설계, 그리고 RF 효과 정보에 대한 많은 데이터베이스를 구축하였다.
1990년 후반부터 2000년 초반까지 비운동학을 이용한 잠재적인 RF 공격에 관한 프로그램을 시작했고 또한 UAV용 RF 탑재체를 개발하고 그 효과도를 실전 테스트 하였다.
이는 HPM 기술에 대한 DOD의 첫번째 시연이었다.
이 시험을 위해 두 개의 다층 건물을 재구성하여 서로 다른 빌딩 구조와 전자기 차폐를 반영하였다.
이 안에서 대형 전자 단지와 컴퓨터 네트워크, 서버 시스템, 통신 시스템, 보안 시스템, 그리고 다양한 형태의 디지털 제어가 구축되어 준비되었고 공격에 노출되었다.
MOATS(Maginot Open Air Test Site)라 불리는 이 단지는 잠재적인 HPM 무기로부터 전자 장비의 RF 내구성을 시험할 수 있도록 설계되었으며 이뿐만 아니라 다양한 RF 무기 기술을 시험하는 데 사용된다.
현재의 위치는?
이제까지 HPM 시스템은 무기 시스템 내에서 취약한 전자 부품을 파괴하는 것을 목적으로 하였다.
그러나 드론이나 드론 무리, 또는 다른 표적의 경우에는 전자기기를 헷갈리게 하거나 동작 불능으로 만드는 것이 필요하다.
즉, 광대역의 고전력 펄스로 이들을 파괴하는 것은 불필요하며 이는 HPM 시스템이 단일 표적을 파괴하기 위해 기가와트의 전력을 송신할 필요가 없음을 의미하고 단지 무기 시스템의 항법이나 비행 제어에 영향을 주어 센서를 동작불능으로 하는 것이 요구된다.
이러한 기능의 시연은 Raytheon사가 2006년도에 Valiant Eagle 시스템을 개발하고 이후에 BAE Systems사가 BoFors HPM Blackout을 개발한 후 15년이 넘게 지났다.
AFRL은 지난 수 년동안 최소 4개 이상의 HPM 시연 시스템을 개발하고 평가하였다.
여기에는 높은 출력의 RF 에너지를 방사하여 동시에 여러 표적을 파괴할 수 있는 Raytheon사의 Phaser 시스템이 포함된다.
원뿔 형태의 빔은 한번에 한 펄스로 여러 개의 드론을 공격할 수 있음을 의미하며 드론 무리에 대해서 유효하게 사용될 수 있다.
Leidos사와 BAE Systems사 그리고 Versus Research가 공동으로 개발한 THOR(Tactical High Power Operational Responder) HPM 시스템은 한 번에 100대 이상의 드론을 무력화시킬 수 있음을 시연하였다.
AFRL은 또한 THOR의 더욱 발전된 버전의 개발을 진행하고 있으며 차세대 플랫폼의 이름은 신화에 나오는 Thor의 망치에서 오마주한 Mjölnir 이다.
AFRL은 이 Mjölnir 프로토타입을 개발하고 2024년까지 납품받기 위한 2,600만 달러 규모의 계약을 Leidos사와 체결하였다.
마지막으로 AFRL은 Raytheon사와 CHIMERA(Counter-Electronic High Power Microwave Extended Range Air Base Defense) 시스템을 개발하고 있다.
표적과 근거리에서 동작하는 Phaser나 THOR 시스템과는 다르게 이름에서 알 수 있듯이 이 시스템은 공중 표적을 더 먼 거리에서 공격할 수 있도록 설계되었다.
여기서 주목할 것은 THOR과 Phaser를 포함하여 많은 시스템들이 원하는 전력을 만들어내기 위해 진공 튜브 기술을 사용하고 있다는 것이다.
또한 대부분은 크기가 크며 군 시설을 방어하는 고정된 지역에 고정형으로 만들어졌다는 것이다.
AFRL과 NRL은 또 다른 급의 HPM 무기를 개발하였으며 이는 미사일이나 UAV에서 사용할 수 있도록 더 작게 설계되었다.
2012년 Boeing사와 AFRL에서 시연한 CHAMP(Counter-electronics High Power Microwave Advanced Missile Project)에서 Raytheon사가 개발하고 여러 발의 HPM을 발사할 수 있는 HPM 탑재체는 AGM-86 CALCM(Conventional Air Launched Cruise Missile)에 탑재되었다.
HiJENKS(High-powered Joint Electromagnetic Non-Kinetic Strike Weapon)으로 알려진 무기는 적 전자 시스템을 무력화시키기 위해 마이크로파를 이용한다.
HiJENKS는 CHAMP를 계승한 것이며 더 작고 견고한 HPM 기술을 이용하여 더 다양한 탑재체에 통합될 수 있다.
HiJENKS는 지난여름 미 해군의 China Lake에서의 시험을 끝으로 5년간의 프로그램이 종료되었다.
전력 공급원으로서의 GAN의 활용
가장 최근의 HPM 기술 개발은 진동 튜브 대신에 능동 위상 배열과 반도체(질화 갈륨-GaN) 기반의 RF 전력 증폭기를 사용하는 것이다.
Epirus란 이름의 회사가 독립적으로 개발한 Leonidas란 시스템이 있다.
Leonidas는 확장이 가능한 HPM 제품이며 초기에는 트레일러 탑재 형상으로 개발하였고 UAS의 공중 포드용으로도 시험을 수행했다.
지난 10월에는 Stryker vehicle에 통합된 이동형 버전도 발표하였다.
AESA 시스템과 같이 Leonidas는 우군이 계속해서 작전을 할 수 있도록 비행 금지 존을 설정하면서 표적에 에너지를 집중할 수 있도록 빔 조향 기술을 이용한다.
Leonidas는 작은 지상 차량에 탑재가 가능하고 초당 수천 발을 발사할 수 있다.
Leonidas는 개방형 구조와 GaN 기반의 교체 가능한 증폭기 모듈을 적용하였으며 UAS를 취약하게 만드는 주파수를 이용하기 위해 독특한 파형을 빠르게 발사할 수 있다.
Leonidas는 위성 항법의 통신 신호를 방해해서 드론의 디지털 전자장비에 혼돈을 주는 것 대신에 매우 낮은 주파수부터 매우 높은 주파수의 범위까지 전자기 에너지로 커버하는 EMP 생성기로 표현하는 것이 더욱 적합하다.
Epirus의 Andrew Lowery는 다음과 같이 말했다.
“우리는 드론의 운용 주파수를 신경 쓰지 않는다.
우리는 EMP 시스템이기 때문에 주파수는 중요치 않다.
데이터 링크나 GPS를 무력화시키는 것은 비교적 단순하며 많은 회사들이 할 수 있다.
대신에 우리는 동적 거리 밖이나 또는 THOR 보다도 먼 거리에서 표적을 지울 수 있다.”
이 회사는 Leonidas의 거리를 “전술적으로 관련된” 거리로만 정의하고 있지만 일반적으로 10km 정도를 의미한다.
사용되는 빔은 사실 그렇게 좁지 않으며 3dB 빔 폭은 약 6도 정도이다.
드론을 잡아내기 위해 하늘을 스캔할 때에 초당 수천번을 스윕 하기 때문에 이 구역을 비행하는 드론은 에너지 벽을 마주하게 될 것이라고 회사는 말한다.
Leonidas는 회사의 자산인 SmartPower 전력 관리 기술을 이용하여 시스템이 과열되지 않으면서 고출력의 펄스를 위한 RF 성능을 최적화할 수 있다.
하드웨어와 소프트웨어 그리고 머신 인텔리전스 알고리즘의 조합인 SmartPower 기술 플랫폼은 실시간 인공 지능과 기계 학습을 사용하여 전력 소모를 70%까지 줄일 수 있으며 시스템 요구 전력을 낮추고 진공관 기반 시스템보다 더 적은 냉각을 요구한다.
결론
HPM 기술은 빠르게 발전하고 있으며 적의 sensor-to-shooter 네트워크 상에 많은 비 운동학적 소프트 스팟(즉, 쉴드되지 않은 와이어와 보호되지 않은 디지털 부품)을 공격하는 방공 시스템과 공중 무기를 위해 운영 커뮤니티에서 수요의 신호가 증가하고 있다.
우크라이나 군은 HPM 시스템으로부터 많은 이득을 얻을 수 있는 것은 확실해 보인다.
THOR와 PHASER는 계속해서 미국 밖에서 배치되고 있으며 이를 통해 진화하고 있다.
Epirus사는 4대의 견고화된 Leonidas를 만들었으며 2023년에 우크라이나에 배치될 것으로 전망하고 있다.
향후 수개월 동안 드론과 미사일을 이용한 우크라이나에 대한 러시아 공격은 증가될 것으로 보이며 우크라이나의 HPM 무기 필요성은 증가한다.
그들은 다층 대공 방어의 한 부분을 구성할 수 있을 것이다.
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