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| 타이콘데로가급 순양함에 장착된 Mk.41 VLS 수직발사 시스템 |
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| 수직발사 시스템을 최초로 대량으로 장비한 키로프급 핵추진 순양함의 모습 |
| USS Stethem (DDG 63) SM-2 미사일의 '핫 런치' |
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Vertical Launching System
수직 발사 시스템, 수직 발사관, 수직 발사대
1. 개요
수직 발사 장치(VLS, Vertical Launching System)는 함정과 잠수함에서 유도탄을 보관하고 발사하기 위한 장치이다. 수직 발사 장치부에는 셀 형태의 발사관이 내장되어 있으며, 발사관 내부에 유도탄이 다양한 지지 방식으로 장입, 보관되어 있다가 수직 방향으로 발사된 후, 표적 방향으로 제어가 이루어진다.
- 수상함에서 발사된 수직 발사 유도탄 초기 거동의 통계적 해석, 한국소음진동공학회
- 수상함에서 발사된 수직 발사 유도탄 초기 거동의 통계적 해석, 한국소음진동공학회
해군의 함선 또는 잠수함에서 미사일을 격납고에서부터 직접 발사하는 시스템으로, 구축함이나 순양함에 사각형이 다닥다닥 붙어 있는 것이 바로 VLS이다.
2. 개발 배경 및 역사
| 미해군 Mk.26 2연장 미사일 발사대 |
당대 소련의 주전술은 적측 방공 능력을 초과하는 양의 초음속, 아음속 대함미사일을 일시 투입하여 함정 방공망을 무력화시키는 것이었다. 터렛 런처 방식은 목표물을 발견 후 공격까지 대응시간이 길어, 이 전술에 대응하기 어려웠다. 당대에서 현대까지 적 미사일이나 전투기, 함선 등이 스텔스화, 고속화가 되는 과정이었기에 이는 심각한 문제였다. 또한 적재 미사일이 많더라도 런처의 발사 수는 제한적이다. 재장전이 필연적이라 유도시스템의 여유가 있어도 동시 및 지속 전투능력에 한계가 있었다.
그리하여 미사일 격납고를 런처로 동시에 활용하는 방식을 고안한다. 이것이 VLS이다. 일반적으로 미사일을 수직으로 발사하고, 추력 모터 등으로 방위를 조절하여 즉응성을 가지게 한다. 따라서 적의 방위에 구애받지 않으며 사각도 없다. 탄약고에 재장전 장비에 런처, 회전기구가 장비된 회전식 런처보다 공간효율도 높다. 재장전이 없고 각개 런처 고장에도 따로 작동하므로 발사 실패 위험이 덜하다. 또한 화력의 연속성도 뛰어난데, 다수의 목표 등 위급상황에 전탄발사등으로 대응할 수도 있다.
리볼버처럼 생긴 둥글둥글한 수직발사기도 있다. 주로 구소련 계열 함선이나 구형 중국 함선에서 쓰였다. 복잡한 기계장비가 필요하고 발사속도가 느리고 고장나면 장전된 미사일 전부를 못 쓰게 된다는 단점이 있어서 사장되었다. 이러한 형식을 만들었던 이유는, S-300 미사일 등을 가능한 개조 없이 해상용으로 쓰기 위해서였다고 보인다. 현재 러시아와 중국의 VLS는 사각형 VLS를 사용중이나 과거 수입한 구형함을 현대화할 여력이 없는 구소련 위성국, 친중국가는 여전히 이런 둥근 VLS를 사용중이다.
'수직'이 아닌 VLS도 있다. 최초의 수상함용 VLS 중 하나인 키로프급 핵추진 순양함의 P-700 발사대는 미사일이 워낙 커서 60도 각도로 기울어져 있다. 콜드런처 VLS 일부도 미사일을 튕겨낸 뒤 고장으로 점화가 안 되어 미사일이 배에 다시 떨어지는 것을 피하기 위해 배 바깥쪽으로 약간 기울어 있다. 이러면 점화가 안 돼도 일단 띄운 미사일은 바다에 떨어진다.
시스패로우 등 일부 VLS 용 단거리 방공 미사일은 회전식 런처보다 일부 상황에서 대응이 느릴 수도 있다. 다만 사각이 없고 런처의 고장 여부에 구애받지 않으므로 장단이 있었다. 현재는 대다수의 방공 미사일에 측추력 모터가 고기동 능력이 부여되므로 거의 모든 면에서 회전식 런처보다 월등하다.
미국은 Mk.41의 보다 한층 큰 Mk.57 수직발사기와 이에 호환되는 미사일 체계를 개발 중이다. 공격수단이 고도화됨에 따라, 미사일에 더 큰 체적이 요구되었기 때문이다. Mk.57 수직발사기는 Mk.41용 미사일도 탑재 가능하다.
단점도 있다. 첫째, VLS 캐니스터 개발에는 높은 기술력이 필요하다. 로켓의 고온 고압의 화염을 견디면서도, 비행특성을 유지할 수 있는 적절한 유체역학적 고려가 필요하다. 콜드런칭, 핫런칭 양쪽에는 각기 다른 기술적 난점들이 있다.
둘째, 미사일에 자세 제어 모터가 필요할 때가 많다. 모든 형태에서 이를 요구하진 않으나, 현대 미사일에는 고기동성, 고반응성이 요구될 때가 많다. 이때 미사일 사출 직후 목표를 향해 각도를 조절하며 즉응성을 높이는 역할은 거의 자세 제어 모터가 한다. 이는 따로 공간과 무게를 차지하며 생산비용과 설계의 어려움까지 증가시킨다. 탑재 탄두와 연료도 상대적으로 줄어들게 된다. 만약 이런 자세제어 모터를 따로 넣지 않는다면 최소사거리에서 큰 손해를 본다.[2] 이 때문에 근거리 대응을 목표로 하는 CIWS장비는 여전히 회전식 발사대를 사용한다.
셋째, 해상에서 재장전이 어렵다. MK29발사기 같은 장비가 해상에서 수동으로 장전하기도 하며 미 해군이 기존에 쓰던 MK13,26발사대는 발사기 그 자체가 장전기도 겸하는 반면에[3] VLS 기반 미사일들은 보통 캐니스터 째로 재장전된다. 이때 부피나 길이의 문제로 해상에서는 재장전이 위험하다. 미국은 Mk.41에 쓰이는 VLS 수납형 재장전용 크레인을 고려했지만 여러가지 이유로 포기하였다.
네번째로 부피를 상당히 차지하는 편이다. 일반 회전식 발사대는 그냥 발사 화염을 후방으로 보내서 처리가 가능하지만 VLS는 핫런칭일 경우 화염 처리 시설이 필요하고 콜드 런칭일 경우 가스 제네레이터 등이 필요하다. 이런 부가장비 때문에 단순 경사발사대나 회전식 발사대 보다 더 많은 공간을 요구하는 경우가 많은 관계로 소형함에 장착하기는 힘든 경우가 많고 장착 가능한 미사일이 길 경우 그만큼 장착할 플랫폼의 높이 또한 높아져야하는 문제도 있어 아래의 문제의 원흉이 되기도 한다.
마지막으로 위험하다. 그 자체가 탄약고를 겸하는 만큼 유폭 가능성이 높기도 한건 어쩔수 없지만 다른 발사대 보다도 위험한 편이고[4] 더 큰 문제는 VLS를 설치 가능한 공간이 제약되기 때문에 보통 VLS가 설치되는 함선 전방 포지션은 수직으로 함내 공간 확보가 그나마 가능한 함교 바로 앞 포지션으로 제한된다. 이때문에 VLS로 발사하던 미사일이 잘못되면 위의 작센급의 발사실패 영상처럼 함교에 있던 사람들이 위험해진다.
한국 해군은 광개토대왕급에서 최초로 시스패로우가 탑재된 소형 Mk.48 VLS를 도입했다. 이후 충무공이순신급에서 Mk.41을 도입해 현대적인 전투함을 확보하였으며, 국산화도 진행하여 선체 전방의 Mk.41 64셀 공간[5]에 32셀만 박아놨다가 옆으로 밀고 한국형 VLS 24문[6]을 추가하는 개장을 진행했고, 이에 한국형 함대공 미사일이나 대잠미사일, 순항미사일 등 다양한 국산 무장을 사용할 수 있게 되었다. 제원은 같지만 미제 장비인 Mk.41에 한국산 무장을 장착하려면 미국에 각종 정보를 게시하고 허락을 받아야 하기 때문. 하부 공간을 절감하기 위해작은 VLS도 개발하였다. 이는 4셀 단위인데 각자 해궁 대공미사일이 4발씩 들어가니 공간 약간만 있으면 16발을 탑재할 수 있다.
3. 운용방법
VLS의 운용방법은 다음과 같다.- 항구에서 크레인을 이용해, 또는 항해중 함내 컨베이어벨트, 와이어 등을 이용해 미사일을 캐니스터[7] 째로 VLS에 장전한다. 초기형 이지스함은 VLS 64셀 중 3셀 어치 접이식 크레인이 장비되어 있었지만 해상 재장전은 위험이 커서 현재는 치우고 3발 늘렸다. 그냥 항구에서부터 각각 다른 미사일을 장전하고 필요에 따라 선택하여 사용한다.
- 적 함선, 항공기, 미사일 등 목표를 발견하고 공격을 결심한다.
- 미사일의 셀의 상부가 열리고, 캐니스터 내에서 점화되어 미사일의 자체 추진력으로 발사되거나(핫 런칭), 미사일 또는 함선의 압축공기/가스로 함선을 벗어난 후 허공에서 점화된다(콜드 런칭)
- 미사일이 탑재한 자체 시커나 모함의 유도에 따라 목표물로 날아간다.
- 쾅!!
4. 발사 방식
발사대에서 미사일이 빠져나오는 방식에 따라 핫런칭(Hot Launching)과 콜드런칭(Cold Launching)으로 나뉜다.4.1. 핫런칭
핫런칭(Hot Launching)은 이름 그대로 Hot한 발사 방식이다. 핫런칭은 미사일이 발사대를 빠져나가는 힘을 미사일 자체의 추진력으로 해결하게 된다. 발사대 안에서 미사일을 점화시켜서 사출. 발사 순간 배가 폭발한다 싶을 정도의 화염이 뿜어진다.
이 방식의 장점은 미사일의 로켓 점화장치 등에 이상이 생겨 불발이 된다고 해도 발사관 안에 미사일이 얌전히 있을 뿐이라는 것이다. 또한 발사관 자체의 구조적인 형태는 단순해지고, 가동하는 부위가 없다.
따라서 만들기 간단하고, 고장이 적어 신뢰성도 높다. 이처럼 간단하고 신뢰성이 높아 제작도 용이해 최초의 수상함용 VLS를 장착한 키로프급 순양함의 P-700도 핫런칭 VLS다.
하지만 미사일의 강한 화염이 발사관 아래를 향해 뿜어져 나오므로 지상 땅바닥에 바로 미사일 발사대를 내려 놓게 되면 주변으로 엄청난 기세의 후폭풍이 퍼져나가게 된다. 이는 강력한 먼지구름을 만들어 발사대의 위치가 적에게 쉽게 노출되는 문제점이 될 수 있다.
또, 배에 탑재하는 VLS는 애당초 미사일 발사대만 물 위에 띄워 놓을 수도 없고, 화염을 배 안쪽으로 뿜어버릴 수도 없고... 그래서 대부분의 경우 핫런칭 VLS는 로켓화염이 위로 향하도록 화염배출구를 만들어 놓는다. 이 때문에 보통의 수직 발사대는 공간활용등을 위해 두 개 이상의 미사일 발사대가 하나의 화염배출구를 쓰도록 되어 있는데, 이때 한쪽 미사일의 화염이 화염배출구 쪽으로만 나가는 것이 아니라 역류하여 반대편 미사일 쪽까지 영향을 미치지 않도록 잘 설계해야 한다. 그리고 이 화염배출구 덕분에 같은 규모의 콜드런칭 VLS 보다 미사일을 덜 싣는다.
또한 잘 발사 되었어도 미사일 발사대 바닥 부분은 화염에 직빵으로 노출되므로 심각한 고열, 고압, 고속 가스에 노출되므로 변형이나 삭마되기 쉬워서 이 점도 고민해야 할 부분이다.
그리고 미사일이 점화가 되었는데 발사구가 열리지 않았다든가 미사일 모터가 점화 중 이상이 생겨 폭발한다든지 등 문제가 발생하면 콜드런칭 실패보다 더 큰 참사가 날 수도 있다. 콜드런칭은 발사 실패 시 발사대 부분만 좀 깨지고 끝나지만 핫런칭은 실패 했는데 미사일이 이미 점화된 상태면 내부에서 폭발해 VLS 전체 뿐만 아니라 주변 장비까지 못쓰게 되는 대참사가 나는 수도 있다. 심할 경우 탄약들이 유폭하여 대파 또는 침몰할 위험성도 있다.
SM-2가 작센급 네임쉽 작센에 설치된 Mk.41 발사대에서 발사 중 폭발한 사례. 단 이 사고는 그나마 다행스럽게 완전히 VLS 내부에서 폭발한 것이 아니라 상승과정에서 발사대를 중간 쯤 빠져나온 후 폭발한 것이다. 완전히 VLS 내부에서 폭발했다면 피해가 더 컸을 것이다.(내부유폭 및 연쇄폭발)
4.2. 콜드런칭
이쪽은 Cold라고는 하는데... 사실 이쪽도 화약을 쓰는 경우가 많다. 미사일이 자신의 로켓을 써서 발사되는 게 아니라 외부동력으로 발사대가 미사일을 던져주는 방식이다.
어찌보면 총알이 나가는 원리와 비슷한데, 약실에 화약을 터뜨려 그 압력으로 발사체를 발사하는것이기 때문. 다만 그 발사체가 미사일로 바뀌었고, 포구초속이 좀 느려졌을 뿐이다. 미사일은 일단 발사대에서 빠져나온 다음 공중에서 로켓에 불을 붙여 날아간다. 미사일을 바깥쪽으로 튕겨내기 위해서 미사일을 받치고 있는 바닥판이 순간적으로 위로 튀어오르는데, 소형 미사일이라면 압축공기 등을 쓸 수 있지만 중, 장거리 대공 미사일 같은 덩치 좀 있는 미사일들은 가스 발생기를 사용한다. 이게 뭐냐면 결국 화약 카트리지다. 그래서 사실은 아주 '콜드' 하진 않다.
이 방식의 최대 장점은 미사일의 로켓 화염에 발사대가 직접 노출되지 않는 터라 고온이나 삭마 등에 대한 신경을 덜 써도 된다.
또한 핫런칭과 다르게 화염 배출구가 없어 공간효율이 더 좋아서 같은 크기의 VLS이면 콜드런칭이 더 많은 미사일을 수용할 수 있다.[8]
잠수함의 경우 수중발사가 매우 용이하기 때문에 잠수함 발사 탄도탄은 대부분 콜드런칭 후 수면 위에서 점화하는 방식을 사용한다. 핫 런칭이 기술적으로 아예 불가능한 것은 아니지만 수중발사를 위해서는 발사관 상부 씰이 제거되고 난 직후 미사일이 발사관을 빠져나가기 전까지 물이 들어오지 못하게 압력을 유지하고 그 동안 가속시키기 위해서 가스발생기가 반드시 필요해지기 때문에 가스발생기를 별도로 구비하면서까지 내부 삭마의 단점도 가지는 핫런칭을 할 이유가 없다. 이럴 거면 차라리 수면에 부상해서 하는게 나은데, 이건 잠수함의 생명인 은밀성을 포기하는 행위라서 의미가 없다.
그리고 후폭풍 처리 배기구를 만들기 쉽지 않은 차량용 VLS에는 대다수가 콜드 런칭을 사용한다.
미사일의 연료효율이나 피탐성은 콜드런칭이 약간 좋다고 하나 사실상 무시할 정도로 거의 차이가 없다. 애초 미사일을 발사대 밖으로 밀어내는데 소모되는 에너지는 발사체가 사거리와 속도를 얻기 위해 필요로 하는 에너지에 비해선 그리 많지 않다. 지상발사와 공중발사처럼 초기 에너지 차이가 많이 나는 것도 아니고 지상발사에서 콜드런칭해서 핫런칭과 비고해서 얻는 추가적인 에너지는 고작 10~20m 높이에 수 m/s 정도로 이것이 사거리에 미치는 영향은 사실상 전혀 없다. 피탐성 역시 마찬가지로 수 m~ 십수m 정도의 부스터 점화지점 차이뿐인지라 알루미늄 첨가 여부나 액체연료, 고체연료 처럼 부스터나 주 모터의 연료가 무엇이냐가 영향을 미치지 콜드런칭 여부가 피탐성에 영향을 미치진 않는다.
단점으로는 콜드런칭 방식은 좀 더 복잡한데다 발사과정에서 복합적인 작동이 연계되는 것을 전제하기 때문에 발사대와 미사일 양쪽의 기계적인 신뢰성이 꽤 중요하다. 예를 들어 로켓이 점화되지 않는 상황이 각각의 방식에서 발생했다고 가정하면 핫런칭은 그냥 불발이지만 콜드런칭은 미사일이 다시 낙하해
그러니까 이런 문제가 생길 수도 있는 것이다.
최악의 경우엔 미사일이 떨어지면서 충격으로 점화되는 경우도 있다.
특히 이 문제는 배에 탑재될 경우 좁은 선박이 자기가 쏜 미사일에 자기가 들이 받히는 참사로[9] 이어질 수 있기에 배에 탑재되는 콜드런칭 발사대는 약간 기울여서 설치돼서, 미사일 로켓이 불발 되어도 일단은 배 바깥쪽으로 떨어지도록 설계되기도 한다.
사실 이러한 발사시 부스터 점화 문제로 인한 발사 실패는 콜드런칭/핫런칭 VLS가 아니라도 발생하기는 하지만 VLS가 아닌 경우 기울어진 발사대 때문에 탄두는 함선 밖으로 떨어지는 경우가 대부분이라 유폭 위험성은 낮아진다. 다만 영상처럼 일부 잔해가 함선에 남아 화재위험을 줄 수도 있고 아예 바로 폭발해버리는 경우도 있을 수는 있기에 그 차이가 절대적이진 않고 어디까지나 상대적이다. 본 영상의 경우 다트 미사일의 부스터 부분이 폭발 한 후, 분리돼서 남은 잔여 고체연료가 계속 연소되고 있지만 미사일 본체와 탄두는 바다로 떨어져 나갔다.
북한에서는 단어 그대로 '랭(冷)발사(기술)'이라고 한다. 장창하의 현무-IV-4 논평에서 확인할 수 있다.
5. 확대
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| 사격중인 9K330 토르 |
6. VLS 일람
- 미국
- 러시아
- 대한민국
- 영국
- 프랑스
- SYLVER
- 튀르키예
- 대만
- 화양
- 중국
- GJB 5860-2006 :중국의 최신 VLS로 055, 052D급 구축함에 탑재된다. 콜드런치, 핫런치 겸용이며 850mm 구경에 깊이 9m, 7m, 3.3m로 71cm인 mk57, 63.5cm인 mk41보다 크다. YJ-18 AShM, YJ-21 ASBM, HHQ-9 SAM, Cj-10 LACM,및 CY-5 Yu-08 ASROC 등의 장비를 탑재한다
- H/AJK03 : 052C에 탑재되는 6셀이 원형으로 모듈을 이루는 VLS, 콜드런치 형식이고, HHQ-9 함대공 미사일 탑재를 위해 설계되었다. 외견상 리볼버식 소련제 VLS와 유사하지만 각 셀마다 도어가 있어서 리볼버 시스템 고장 우려가 없다. 모든 중국 VLS를 개발한 정저우의 713연구소에서 개발되어 97년 12월에 평가를 통과, 98년 실험함 891에 설치, 98년 89월에 해상 테스트와 실사격을 거쳤다.
- H/AJK16 : 054A, 051B, 소브레멘니급에 탑재되는 핫런치 방식의 VLS. HHQ-16 SAM(캐니스터 길이 5.2m)과 Yu-8 ASROC(캐니스터 길이 5.8m)을 발사할 수 있다.
7. VLS에서 발사할 수 있는 무기 일람
7.1. 서방, 대한민국
7.2. 러시아
7.3. 중국
8. VLS를 탑재하고 있는 군함
8.1. 수상함정
- 대한민국
- 미국
- 러시아
- 순양함
- 구축함
- 우달로이급 - 개량을 통해 일부함선이 장착중
- 호위함
- 네우스트라시미급
- 어드미럴 고르쉬코프급 - 러시아의 구형 구축함 교체용
- 어드미럴 그리고로비치급 - 러시아의 구형 구축함 교체용
- 프로젝트 22350M형
- 초계함
- 항공모함
- 어드미럴 쿠즈네초프급 - 러시아에선 중항공순양함으로 분류한다.
- 영국
- 호주
- 뉴질랜드
- 캐나다
- 프랑스
- 이탈리아
- 독일
- 스페인
- 덴마크
- 노르웨이
- 네덜란드
- 핀란드
- 일본
- 중국
- 인도
- 튀르키예
- 그리스
- 태국
- 싱가포르
- 인도네시아
- 사우디아라비아
- 아랍에미리트
- 카타르
- 이스라엘
- 이집트
- 알제리
- 남아프리카 공화국
8.2. 잠수함
9. 관련 문서
- 발사대
- 이동형 미사일 발사대(Transporter Erector Launcher): 수평으로 미사일을 옮긴 뒤 직립(erecting)[10] 시킨다는 점에서 애초에 수직인 상태로 발사하는 VLS와 차이점이 있다.
[1] 물론 하푼등의 고정식 발사관을 특정 각도로 고정한 형태도 있긴 하지만 발사각이 크게 제한되었다.[2] VLS 특성상 방향을 바꾸는 과정이 필요해진다. 미사일 발사 초기에는 아직 가속이 덜되어서 방향을 바꾸는 것에 시간이 걸려서 최소사정거리가 길어진다. 이 최소 사정거리가 길어진다는 문제 때문에 RIM-116 RAM 등 CIWS목적의 미사일들은 회전형 포탑을 사용하였으나, 한국 해군의 경우 2010년대 이후 수직발사로도 충분하다고 보고 대구급 이후 RAM 대신 수직발사형인 해궁 미사일을 장비하였다. 대함미사일의 위력과 속력이 발전해 가까이에서는 요격해도 큰 의미 없다는 이유도 있었다.[3] 많은 사람들이 Mk13,26에서 미사일을 발사하다 폭발하는 영상등을 보고 착각하지만 MK13,26발사대는 레일에 올라간 미사일을 마음껏 바꿀수 있다 덕분에 다양한 미사일을 취급 가능하기도 하다.[4] 단적으로 말해 발사하던 미사일 1발이 내부에서 폭발을 일으킬 경우 MK29 발사대는 바로 옆의 미사일만 영향을 주고 MK13,26 발사대는 레일에 발사 대기중이던 미사일만 영향받는다. 하지만 VLS에 있던 미사일은 VLS캐니스터 전체에 영향을 주게되고 잘못하면 전부 유폭될수있다.[5] 다만 이는 한국 해군이 무장을 과적하기 때문이고, 일반적으로 5천톤급 구축함이면 VLS는 32셀, 많아도 48셀 정도다.[6] 차후 오버홀하면서 32셀로 늘린다는 설도 있다.[7] 미사일 본체, 부속 전자장치, 격발장치 등을 모두 장치해둔 격납 상자.[8] 다만 차이가 크게 나지는 않는다. 콜드런칭 VLS의 경우 가스발생기 등 들어가는 부품이 많아 핫런칭보다 직경이 좀 커지는 경향이 있다.[9] 보통은 안전장치 등이 있으므로 탄두까지 폭발하진 않지만.[10] S-350나 천궁처럼 수직으로 기립시키기도 하고, 화살-1처럼 45도 정도로 기립시키기도 한다.