DEFENCE KOREA - 세계와 미래를 향한 군사/안보 커뮤니케이션

소나

왼쪽부터 ①對潛艦에서 저주파 견인형 소나를 사용하여 잠수함을 탐지하고 있는 모습. ② Active Side Looking Sonar(ASLS), ③ Expendable Mine Destructor (EMD)의 모습이다.

　

1912년 초호화 유람선 타이타닉호가 대서양 북쪽 빙하에 부딪혀 침몰했다. 당시만해도 민간선박은 물론 함정에 장치한 수중음향탐지기인 소나(sonar)의 탐지수준은 그야말로 초보적이었다. 타이타닉호가 침몰하자 수중에서 음향탐지기술 개발에 대한 요구가 빗발쳤다. 소나기술은 타이타닉호에 이어 1,2차 세계대전에서 독일의 잠수함 U-보트에 연합군 함정과 민간 화물선이 공격을 받아 대서양 바다속에 가라앉으면서 빠른 속도로 개발되기 시작했다.

소나는 물속에서 들려오는 음파를 전기신호로 바꿔 음파의 특성을 분석, 물체의 종류와 거리 및 방향 등을 알아내는 장치다. 잠수함과 수상함이 물속을 들여다보는 눈의 역할을 한다. 소나의 탐지능력은 나라마다 기술수준에 따라 차이가 있지만 대략 4~5km정도로 알려져 있으며, 물속의 온도 조건 등에 따라 성능이 급격히 떨어지기도 한다. 해수 온도가 낮은 겨울철에 탐지성능이 좋아지며, 여름이나 한류와 난류가 함께 흐르는 동해같은 바다는 최악이다. 가끔은 주위 온도가 다른 물덩어리(수괴)를 잠수함으로 오해하기도 한다. 온도가 다르면 소나가 보낸 음파가 물덩어리에 전반사되어 돌아오는 경우가 생겨 마치 물덩어리가 큰 물체로 착각되는 것이다.
각국의 해군 함정에 장착된 소나의 성능은 함정의 능력과 직결되기 때문에 공표하지 않는게 상례다. 선진국들은 물속에서 들리는 소리의 음파특성을 수집해 데이타베이스로 만들어 활용하고 있으며 아무리 친한 동맹국 사이라도 알려주지 않는다. 미해군은 함정이나 잠수함 등 물체마다 고유하게 내는 소리특성을 수십년간 수집해 데이타데이스로 만들어 잠수함이나 구축함 등의 컴퓨터에 저장해놓고, 물속에서 이상한 소리가 들리면 즉각 컴퓨터로 분석하여 상대방을 파악한다.

소나에는 능동형과 수동형이 있다. 수동소나는 음파를 수신만 하는 소나로 상대방이 내놓은 소음을 듣고 물체 방위와 특성을 파악하며, 저주파용과 고주파용이 있다.
소나에 사용되는 장치가 음파를 전기적 신호로 바꾸는 하이드로폰(hydrophone)이다. 마치 전화의 수화기가 음성을 전기적 신호로 바꾸어 전화선으로 전달하는 것과 같은 원리다. 능동형 소나는 송수신이 모두 가능한 것으로 상대방의 소음도 듣지만 스스로도 음파를 내보내 상대방에게 부딪혀 돌아오는 음파를 다시 잡아 방위와 거리, 물체의 특성을 파악하는 수중탐지기다.
이같이 전기적 신호를 음파로 바꾸어 물속에 내보내기도 하고 그 받대 기능도 하는 장치가 트랜스듀서 (transducer)다. 트랜스듀스에 사용되는 출력은 수kHz다. 최근에는 디지탈 신호처리기술이 발달돼 반사음이 상대물체에 부딪힐 때의 입사각과 다시 돌아오는 반사각을 분석하여 상대물체의 형태를 영상으로 나타는 기술도 개발중이다. 소나는 반도체기술과 함께 발달돼 왔다. 50년대말 진공관이 개발되자 넓은 각도를 탐지할 수 있는 스캐닝소나가 발전했으며, 60년대에 들어서서 360도 전방향을 탐지하는 소나가 선을 보이기 시작했다. 잠수함 속에 장치된 진공관식 소나시스템을 기억용량 256메가짜리 반도체가 나오는 요즘과 비교해보라. 소나는 70년대 들어 반도체를 이용한 컴퓨터가 본격화되면서 급속히 발전했다. 360도 동시탐색, 방위 분해능력 향상에 의한 식별능력 강화, 다중표적 동시추적능력 등이다. 최근에는 잠수함과 함정이 점점 스텔스화 되고 있어 이것에 대한 탐색기능도 보완되고 있다.

이같은 소나는 구축함과 같은 수상함과 잠수함, 헬기 및 대잠초계기 등에 따라 구조가 다르다. 수상함에는 부착형을 기본으로 더 멀리 탐지하기 위해 함정아래에 길게 늘여뜨려 끌고 다니는 예인형 저주파소나(TASS: Towed Array Sonar System)가 많이 사용됐으며, 최근에는 작전에 편리하게 길다란 소나의 길이를 조정할 수 있는 능동형 저주파소나(ATAS)가 개발됐다. 미군은 AN/SQQ를 프랑스는 CAPTAS를 개발, 사용중이다.
또 잠수함에는 1~100kHz급의 강력한 통합소나시스템이 사용되고 있다. 잠수함용 예인형 저주파소나(STASS) 등이 미해군의 로스엔젤레스급 핵추진잠수함에서 사용되고 있다. 이같은 잠수함 소나시스템은 잠수함의 전투체계 즉, 어뢰 등 공격무기와 통합돼 있어 적을 발견하면 곧바로 전투태세에 들어갈 수 있도록 돼 있다.
P-3C 대잠초계기 등 고정익 항공기에는 주로 소노부이가 많이 사용되고 있다. 소노부이는 항공기에 의해 적 잠수함이 발견된 해상에 뿌려지며, 여러개의 소노부이(sonobuoy)가 잠수함의 음파를 추적해 항공기에 중계해준다. 수동형인 DIFAR와 능동형 DICASS가 주로 사용된다. 최근에는 소노부이에 하이드로폰을 수직 선배열한 광하이드로폰과 같은 고감도 센서를 적용해 디지탈로 신호를 처리하는 방법이 개발되고 있다.
대잠헬기에 사용되는 디핑(dipping)소나는 헬기에 매달린채 물속에 들어가서 잠수함을 추적한다. 대잠헬기는 디핑소나를 이용하여 적 잠수함을 추적한뒤 어뢰나 폭뢰로 곧바로 재공격하게 된다.
이페이지의 위 왼쪽의 사진은 레이디온社의 AN/SQQ32 수뢰 탐지용 소나이며, 그 아래 오른쪽사진은 역시 레이디온社의 AN/SQS-56DE//1160 수상함정 예인형 소나이다.

--- 윗글은 중앙일보 전문기자인 김민석님의 '현대전과 첨단무기' 칼럼중 '물속의 레이다, 소나 시스템'을 그대로 옮긴 것입니다. 기타 사진자료는 미국의 레이디온社 싸이트에서 가져온 것입니다.

--- 1998년 7월 27일 오전 12시 15분 작성됨.

소나의 콘솔部(左)와 소나를 이용하여 수중물체를 탐지한 것을 보여주는 디스플레이(右)의 모습.

1999년 8월 27일 추가된 내용
아래는 '국방과학연구소' 홈페이지의 '무기체계의 모든것'에 나온 내용이다.

함수부 장착 소나의 모습.

소나란 Sound Navigation and Ranging의 약어로서 음파에 의해 수중목표의 방위 및 거리를 알아내는 장비를 의미하며 음향탐지장비 혹은 음탐기로도 불리운다.
공기중에서는 음파보다 전자파(Electromagnetic Wave)가 보다 빠르고 멀리 전달되기 때문에 이를 이용하여 공중, 지상 및 해상의 물표를 탐지할 수 있는 것이 레이더(RADAR)이며 이에 대응되는 수중용 장비가 바로 소나이다.
소나에 적용되는 음파는 초속 약 1천5백m 되는 압력파로서 수중에서 잘 전달되는 성질을 갖고 있다. 그러므로 현재까지 수중에 존재하는 여러 가지 목표를 능동 및 수동 방식으로 탐지하는 유일한 수단으로 활용되며 목적 및 용도에 따라 여러 가지 형태의 소나들이 개발되어 운용되고 있다.
소나의 역사는 15세기에 레오나르도다빈치(Leonardoda Vinci)가 「튜브 막대기를 물에 꽂고 귀로 들으면 먼거리 배에서 나는 소리를 들을 수 있다」고 한데서 시작되며 이것이 수동소나의 기원이 된다. 소나의 발달과정은 수중음파 특성의 이해, 센서의 개발, 전자장비의 발달등과 밀접한 관계가 있다.
1827년 스위스의 물리학자 다니엘 콜라돈(Daniel Colladon)과 프랑스의 수학자 찰스 스트름(Charles Sturm)에 의해 전등 불빛과 수중의 종소리와의 시간차로 수중음파의 속도를 측정한 것을 시초로 오늘날 온도, 염분도 및 압력에 의해 음속이 변함을 알게 되었으며 1880년 자크(Jacques)와 피에르 쿠리(Pierre Curie)가 크리스탈에 기계적인 힘(압력)을 가하면 크리스탈 양단에 전하가 발생된다는 압전효과(Piezoelectricity)와 이 무렵 제임스 쥴(James Joule)이 어떤 물질에 자장을 걸면 모양(부피)의 변형을 일으킨다는 자왜현상(Magnetostrictive Phenomena)과 같은 변환현상을 발견한 것이 현재의 압전 세라믹 소재를 이용한 음향센서의 효시가 된다.
음향탐지가 이루어지기 위해서는 탐지 목표물이 방사하는 소음을 일방적으로 듣고 방위를 알아내는 방법과 적절한 음향을 방사하고 수중의 물체에 부딪혀 돌아오는 반향음(Echo)을 잡아 방위와 거리를 알아내는 방법으로 구분된다. 이 두가지 방법의 주요요소는 음파, 센서 및 변환된 신호를 운용자가 알 수 있는 방법으로 표출해 내는 신호처리기, 즉 전자 장비인데 진공관이 발명되기 전까지는 소나로서 이렇다할 발전이 없었다. 그러나 1912년에 타이타닉호가 야간 항해중 빙산에 충돌하여 침몰된 대참사는 육안으로 볼 수 없는 수중의 장애물을 에코레인징(Echo Ranging)에 의해 알아낼 수 있는 능동소나의 필요성을 고조시킨 결정적 계기가 되었으며 제1차 세계대전 발발후 독일의 U-보트에 의한 피해가 급격히 증가함에 따라 이에 대처하기 위한 소나의 연구가 활발해졌다.
예로써 1914년 미국의 R.A. 페센든(Fessenden)이 가동 선륜형 트랜스듀서(Moving Coil Transducer)를 고안하여 약 1마일 떨어진 빙산을 탐지하는데 성공하였으며 1918년 프랑스의 랑개빈(Langevin)이 자신이 고안한 트랜스듀서와 진공관 증폭기를 이용하여 1천5백m 떨어진 잠수함을 탐지하는데 성공한 것을 들 수 있다. 이때까지가 소나의 역사에서 볼 때 여명기에 해당한다.

사진은 노르웨이 콩스베르그社의기뢰탐지용 소나이다.

제1차 세계대전과 제2차 세계대전 사이는 전쟁에서 얻어진 경험을 바탕으로 여러 가지 문제점을 해결하기 위한 노력이 집중되어 상당한 진전을 본 시기이다.
두드러진 성과로는 음파전달 매질에 관한 특성의 이해, 센서의 발달 및 전자공학의 발달에 힘입어 탐지 자료를 전시할 수 있는 혁신적인 지시방식의 출현이다. 그럼에도 불구하고 당시의 소나성능은 매우 미흡한게 사실이었다. 그러나 더 큰 문제는 성능이 지역에 따라, 시간에 따라 매우 불규칙하게 변하는데 그 원인조차 규명되지 못한데 있었다. 1938년 미국의 스필한스(Spilhans)가 고안해 낸 수직수온측정기(일명 BT : Bathyhermograph)를 이용하여 깊이에 따른 온도 측정과 더불어 깊이에 따른 온도 기울기가 음의 전달특성을 좌우하게 되어 탐지 불능대가 생김을 알아낸 것이 이 문제를 해결하는 결정적인 계기가 되었다.
이와 같이 수중의 음파전달 특성이 매우 난해하고 전달과정의 환경에 크게 지배를 받는 것을 알게 되어 미국의 경우 여러분야의 과학자들로 대단위 연구팀을 구성하고 이론정립은 물론 이에 대한 이용법 등을 연구하게 되었다.
제2차 세계대전 기간 중에 잠수함의 위협이 크게 증대되어 이에 따른 소나의 의존도가 크게 높아졌으며 아울러 기술도, 한단계 높아졌다.
레이더와 같이 지향성 빔을 만들어 3백60도 소인하면서 탐지하는 소나가 개발되었는가 하면, 소나의 이론 및 실제상 중요한 센서 감도의 정의 및 교정법 개발, 표적반사 강도, 수중잔향소음과 같은 음향적인자 등이 규명되었으며 요즈음 스텔스(Stealth)화로 일컬어지는 음파반사 억제 재질의 개발 등이 이에 해당된다. 이때야 비로소 소나의 형식을 갖추게 되었으며 「SONAR」란 용어가 탄생되었다.
제2차 세계대전이 끝난 후에 PZT 계열의 압전소자 적용으로 감도가 향상된 센서가 적용되고 전자공학의 발달에 힘입어 다양하고 복잡한 배열센서의 신호를 실시간으로 처리할 수 있는 현대 소나의 면모를 갖추어 발전을 거듭하고 있다.
1970년대까지가 아날로그 회로에 기반을 둔 것이라면 1980년대 이후는 특히 디지털 기술의 급속한 발전과 더불어 시·공간적 신호처리를 가능하게 함으로써 다양한 용도의 소나가 출현하였음은 물론 보다 많은 정보를 수집·분석하고 이에 대응하는 사격통제가 이루어질 수 있도록 장비 구성이 복잡화됨과 동시에 통합체계화 되고 있다.
육상이나 공중에서는 육안, 레이더, 레이저 또는 적외선등으로 표적을 탐지하나 수중에 있는 표적을 탐지할 때는 소나를 사용한다. 소나(SONAR : Sond Navigation And Ranging)는 함정이 안전한 항해를 하게 하고 위협이 되는 적의 수중 물체를 찾아내는 역할을 하는 해군의 필수 음향 장비다. 소나의 작동 원리는 퀴리부인이 발견한 압전현상을 이용하는 것이다.
압전현상을 나타내는 결정이나 세라믹에 흐르는 전류의 세기를 일정한 주파수로 변화시켜주면 이들이 진동하면서 같은 주파수의 음파를 발생한다. 반대로 외부에서 음파를 받으면 전기에너지를 발생시키므로 이 전기신호를 분석하면 음파의 성분을 찾아낼 수 있다. 이렇게 음파를 송·수신 할 수 있는 장비를 소나라 부른다. 수상함정에서 발생한 음파가 표적에서 반사되어 되돌아 오는 신호로서 적 잠수함이나 기뢰 등을 탐지하는 장비를 능동소나라 부르며 표적의 방향과 거리를 알 수 있다. 잠수함이 항해할 때 엔진이나 프로펠러에서 내는 소음을 먼 거리에서 수신하여 잠수함을 찾아내는 수동소나는 표적의 종류를 식별할 수 있다.
소나의 성능을 결정하는 요소는 출력, 주파수 및 지향성 등이다. 출력을 높이기 위해서는 압전효과가 큰 음향소자를 사용하고 전기적으로 신호를 크게 증폭시키는 방법이 있으나 이 방법은 여러 가지 물리적 제한이 따른다. 낮은 주파수를 사용하면 음파가 멀리까지 전달되므로 소나의 탐지거리를 증가시킬 수 있으나 해상도가 저하되어 표적 식별이 어렵고 소나의 크기가 커지므로 무게가 증가되어 함정에서 운용할 때 기동성이 제한된다. 부설된 기뢰나 공격해 오는 어뢰와 같이 수백미터 이내의 가까운 거리에 있는 표적을 탐지할 때는 100Khz 이상의 고주파소나를 사용하고, 잠수함과 같은 원거리의 큰 표적은 5Khz∼20Khz 사이의 저주파 소나를 사용한다.
소나의 크기가 크고 고주파를 사용하면 음파를 집속하여 송·수신하는 지향성이 좋아져서 표적의 위치를 정확히 찾을 수 있다.

좌측 3개는 Hermes Electronics, Inc.에서 제작되는 소너부이 제품으로 좌로부터 AN/SSQ-53D(2) (패시브형), AN/SSQ-53E(패시브형-미해군의 차세대형으로 채택), AN/SSQ-62D(액티브형)이며, 맨 오른쪽은 L-3 Communications社의 Helicopter Long Range Active Sonar (HELRAS)의 상상도로 헬리콥터에서 투하되는 디핑소나이다.

Towed array의 전형적인 작전 구성 모습(上)과 Towed array의 모습(下).
아래의 Towed array는 현재 카나다 해군에서 사용하는 것으로 Hermes Electronics, Inc.社製이다.

RESON社에서 제작되는 각종 하이드로폰(左)과 RESON社의 Towed Array 소나 콘솔(右)

능동소나는 함정 앞부분에 설치하여 운용하는 함정소나, 함정 뒷부분에서 케이블로 예인하면서 사용깊이를 조절할 수 있는 가변심도 소나(VDS)가 있고 수동소나는 항공기에서 투하하는 음향부표(Sonobuoy), 함정에서 케이블로 예인하는 예인선배열(TASS), 함정의 선체 주위에 부착하는 선체 부착소나(Flank Array)와 해저 수 백킬로미터에 걸쳐 부설하는 해역감시음향체계(SOSUS)등이 있다.

그러면 소나는 수중에 있는 모든 표적을 쉽게 찾아낼 수 있는가? 음파는 해양에서 전달될 때 전달속도가 달라져서 굴절이 일어나며 흡수, 반사에 의해 전달과정에서 많은 에너지를 잃게 된다. 따라서 소나 자체의 성능이 우수할 경우에도 해역의 음파전달조건이 나쁘면 탐지거리가 짧아지며 특히 음파가 통과하지 않는 음영구역이 나타날 경우에는 가까운 거리에서도 표적탐지가 어렵다. 잠수함의 추진소음이 작아지거나 선체표면에 음파를 흡수하는 코팅을 했을 경우에도 탐지거리는 현격하게 줄어든다.
소나의 탐지능력 강화와 이를 회피하기 위한 창과 방패의 경쟁은 끝없이 계속될 것이다.