연재 순서
(1) 레이저란?
(2) 레이저의 응용
(3) 레이저 무기의 역사 I
(4) 레이저 무기의 역사 II
(5) 레이저 무기의 시스템과 원리
(6) 레이저 핵융합

지난 번 포스팅에 이어서 이번엔 스타워즈 계획과 최신 레이저 무기에 대해서 써보겠습니다.
OPN 2009년 2월호 특집기사 "Half a Century of Laser Weapons"와
Laser Weapons : the dawn of a new military age, Anderberg, Wolbarsht, Plenum Press (1992)
를 참고했습니다.

스타워즈 계획 - DARPA에서 SDI로

냉전이 한창이던 1970~1980년대에 핵탄두를 탑재한 대륙간 탄도탄의 위협에 대비하기 위해서 우주를 무대로 한 방어체계의 일환으로 레이저 무기를 사용하는 계획이 새롭게 주목을 받게 됩니다. 레이저 무기 개발의 주축이었던 ARPA는 1972년에 현재의 DARPA로 개명¹합니다. 70년대동안 다양한 고출력 레이저를 연구하는데, X-ray 레이저, 자유전자 레이저 free-electron laser, 엑시머 레이저 excimer laser, 청-녹색 레이저 등을 고려했었다고 합니다. 80년대에 들어 DARPA는 다시 한 번 우주에서 추진 단계의 핵 미사일을 격추하는 방어체계 시험에 집중합니다. 우주에 위성을 띄우는 건 다소 모험이었지만 대기권에서 발생하는 여러 문제를 피할 수 있는 장점이 크게 부각되었습니다.

 이 계획의 중심이 되는 ALPHA라고 불리는 5MW급 2.7 um HF 레이저는 무려 직경 4 m 짜리 반사경(!!)을 이용할 계획이었다고 합니다. (참고로 허블 우주 망원경의 지름은 2.4 m입니다. -_-;) 문제는 이 다음인데..

 록히드 항공의 엔지니어였던 맥스웰 헌터라는 양반이 굉장히 대담한무식, 황당무계한 제안을 내놓습니다. ALPHA형 레이저를 기반으로 한 레이저 스테이션 18개를 궤도에 올려 소련의 핵미사일 기습을 막아내는, 레이저를 이용한 미사일 방어체계를 내놓은 것입니다. 계획을 들여다보면 각 스테이션에는 5 MW급 HF레이저와 4 m 반사경, 목표물 포착, 추적 및 제어 시스템과 5000 km 밖의 대상을 요격하는데 필요한 에너지 1000 샷 분량의 연료²가 탑재되는 것으로 되어 있습니다. 이송은 스페이스 셔틀의 화물칸에 17톤 짜리 위성을 싣고 올라가는 방법으로 계획되었습니다.

이 계획은 79년에 공화당 상원의원인 말콤 월롭에 의해서 제출되었는데 당시 금액으로 100억 달러가 예상되었다고 합니다. 여러 비판 여론(그렇게 강한 레이저를 어떻게 만들거냐, 무슨 돈이 있어서 그걸 쏘아올릴 거냐, 격추 당하면 어쩔거냐 (방어할 방법이 있느냐)는 문제들이 제기되었습니다. 스테이션의 방어문제도 심각한 고려대상이었다고 합니다. 대 위성용 미사일[아래 사진 참고]도 있었으니까요.)에 호되게 두드려 맞고 사장되어버릴버로우할 위기에 처합니다만, 80년에 레이건이 당선된 후에 82년에 펜타곤의 레이저 연구 예산에 5천만 달러의 추가 예산이 편성되는 것으로 계획이 일단 시작됩니다. 결국 83년에 레이건 정부의 전략 방위 구상 Strategic Defense Initiative (SDI)가 DARPA의 우주 레이저 프로젝트를 이어 받습니다. SDI 계획은 당시 유행하던 영화 스타워즈 Star Wars (1977-1981)라는 이름으로 유명하지요. (레이건이 붙인 이름이라는군요) SDI도 X-ray 레이저, 화학 레이저, 자유전자 레이저 등 다양한 분야에 투자를 했는데³, 그 중에는 지상에 자유전자 레이저를 만든 다음 궤도 상의 릴레이 위성으로 우주나 지상에 있는 목표물에 빔을 맞추는 방식도 있었다고 합니다. (아래 그림 참고) 1993년에 클린턴 정부에서는 BMDO (Ballistic Missile Defense Organization)으로 명칭이 변경되는데 SDI 시절의 요격용 미사일 프로젝트 ERINT의 결과물이 패트리어트 미사일 (Patriot Advanced Capability, PAC-3)으로 명명되기도 했습니다. 2001년 부시 정권에서는 NMD (National Missile Defense)라는 이름으로 개명되기도 합니다.



 SDI 계획이 돈 먹는 하마가 되어 연간 수 십 억 달러를 쓰고 있을 때도 고출력 레이저 연구에 배당된 자금은 일부였다고 합니다. 1986년 예산 기준으로 레이저 연구에 쓰인 돈은 5 억 달러로 X-ray, 자유전자 레이저, 화학 레이저, 엑시머 레이저에 나눠져서 투입되었습니다. 거의 20여년에 걸친 프로젝트였지만 결과는 지지부진해서 1991년에 ALPHA가 메가와트를 달성한 것을 제외하고는 이렇다 할 결과를 내놓지 못했습니다. 결국 펜타곤은 90년대에 들어서 엑시머 레이저와 지상에 자유전자 레이저를 만드는 계획을 포기하고 화학 레이저 계획만을 남겨두었으나 발전이 더디다고 판단되어 2000년 이후로 예산이 배당되지 않았다고 합니다.

차세대 레이저 무기들 - THEL 과 JHPSSL

 1991년 12월 31일. 주적으로 삼았던 소련이 해체되고 나자 SDI 계획은 좀 더 손쉬운 쪽으로 방향을 전환합니다. 테러지원국 rogue state에 의한 우발적인 미사일 공격에 대비하는 쪽으로요. 이를 위해서 지난 번 포스팅 말미에 말씀드렸던 보잉 747을 개조해서 메가 와트급 레이저를 탑재한 Airborne 레이저 개발에 착수합니다. 레이저를 탑재한 비행기가 미사일 발사를 준비하는 것으로 의심되는 나라의 국경 근처를 날아다니다가 발사 초기단계 boost phase의 미사일을 수 백 km 밖에서 격추하는 시나리오 입니다. 그동안 많이 연구되었던 HF 레이저 대신 산소-요오드 레이저 COIL(Chemical Oxygen-Iodine Laser)가 이용됩니다.  파장은 1.3 um로 HF 레이저보다 짧습니다.

▲ COIL을 탑재한 보잉 747-400F, YAL-1. 요런 넘이 북한, 이란 등지를 날아다니다가 미사일이 발사되면 지이이잉-하고 격추합니다. -_- ⓒU.S. Military, Department of Defense

 이렇게 기존의 SDI 계획에서 연구하던 목표보다 한층 목표를 하향했음에도 불구하고 연구는 빠르게 진행되진 못했습니다. 당초 2002년으로 예정되었던 시험 일정이 다음 해로 미루어지다가 결국 올해 2009년 하반기에 수행될 예정입니다. 후속기의 제작은 테스트 일정 이후로 잡혀 있다고 합니다.

 공군에서는 보잉 747에 탑재하는 COIL의 소형버전인 ATL Advanced Tactical Laser라는 것을 개발 중입니다. 무게는 약 6톤에 100 kW의 출력을 내는데 기동성이 좋은 C-130H에 탑재되어 공중에서 레이저로 얼마나 정밀한 타격을 할 수 있는지와 기타 임무가 수행가능한지를 테스트하게 됩니다.

 하지만 진정한 다크호스가 있었으니.. 바로 고체 레이저 Solid-state Laser (보통 SSL이라고 부릅니다)입니다. 당시에는 플래쉬 램프로 에너지를 주입했지만 지금은 다이오드 레이저를 이용하기 때문에 효율이 엄청나게 발전한 것 입니다. 플래쉬 램프로 펌핑하는 루비 레이저나 Nd:Glass 시스템을 생각해보면 다이오드 펌핑하는 광섬유 레이저와 슬랩 Slab 레이저는 엄청난 진보입니다.

 게릴라 전에서 흔히 사용되는 구식 무기들, 포탄, 박격포, 로켓을 방어하는 레이저가 근래에 운용되고 있습니다. 2000년부터 미국과 이스라엘은 THEL (Tactical High Energy Laser)을 이용해서 그런 재래식 무기의 연속적인 공격을 방어하는 시험을 수행했습니다. 결과는 괜찮았지만 화학 레이저의 특성 상, 쓰이는 화학물질을 공급하려면 전체 시스템의 부피가 커질 수 밖에 없고 관리 문제도 따르게 된다는 단점이 지적되었습니다.

▲ 차량에 탑재했다고 해서 MTHEL(mobile THEL)이라고 불립니다. 요게 보기보다 덩치가 큽니다.. 제작사인 TRW의 간지로고가 보입니다. 차세대 다크호스는 JHPSSL!

 그래서 디젤 연료를 이용하는 군용 차량 혹은 장갑차량의 발전기로도 운용가능한 고체레이저에 주목하게 됩니다. JHPSSL(Joint High Power Solid-state Laser : 합동 고출력 고체 레이저)  계획⁵이 바로 그것인데, 다이오드 레이저로 펌핑되는 슬랩 레이저인 JHPSSL은 이미 25 kW의 평균 출력을 시범으로 보였고 2009년 내로 100 kW를 달성할 계획이라고 합니다. 장기 목표는 400 kW급에 적응 광학계 adaptive optics를 포함시킬 예정이라고 합니다.

 그 외의 문제들은 어느 정도 해결의 비전이 보이는 것들인데, 반사경과 레이저의 열 문제 해결이나 광학계에 대한 것들입니다. 이미 40여년이라는 경험이 있다보니 개발자들은 몇 년만 있으면 해결할 수 있다는 낙관적인 입장이라는군요. ^^

 다음 포스팅에는 레이저 무기를 만드는 데 필요한 시스템들과 작동 원리를 알아보겠습니다.