고출력 고주파 무기인 전자기 펄스탄 소개
개 요
전자기펄스(EMP: Electro-Magnetic Pulse) 무기는 일명 전자폭탄(electro-magnetic bomb 또는 electronic bomb 또는 E-bomb), 고출력 고주파 무기(HPRF: High Power Radio Frequency Weapon), 고에너지 고주파 무기(HERF: High Energy Radio Frequency Weapon), 고출력 마이크로파 무기(HPM: High Power Microwave Weapon) 등으로도 불 리는 것으로,
재래식 총알,탄, 미사일 탄두 대신에 1기가와트(GW) 이상의 고출력을 갖는 펄스 형태의 고주파 에너지를 이용하여 광속으로 표적을 공격 또는 방어함으로써 레이저무기와
함께 ‘지향성 에너지 무기(DEW: Directed Energy Weapon)’에
속해 있다.
이EMP 탄은 미사일(적외선-유도미사일 포함), 통신체계, 방공체계, 지휘통제센터등에 장착된 제반 컴퓨터/전자장치에 대해서만 광속으로 타격을 가하여 영구적 파괴 또는 일시적 기능장애를 일으키지만, 인명에 피해를 결코 주지 않고 부차적인 피해도 최소화시킴 으로써 ‘비살상 무기(NLW: Non-Lethal Weapon)’에도 속해 있다.
EMP/HPM 무기는 전자기
스펙트럼 상에서의 고주파(RF) 영역은 3kHz∼300GHz로 그 범위가 매우 넓지만, 통상적으로 100MHz∼35GHz의 마이크로파 대역으로 제한하여 연구되고 있다. 그 이유는 이 주파수
범위에서 대기 속의 습기로 인한 신호 감쇄현상이 크게 문제시되지 않을 뿐만 아니라, 통신장비, 항법장치 및 레이더도 대부분 이 마이크로파(일명,
초고주파) 대역에서 작동하기 때문이다.
그림 1. 전자기(電磁氣) 스펙트럼
일반적으로 고주파 무기는 주파수 대역에 따라 크게 광대역(WB:
Wide Band)과 협대역(NB: Narrow Band)으로 구분한다. 광대역 HPRF은 대개 10MHz∼1GHz의 범위에서 동작하고,매우 짧은 펄스[1∼100나노초(ns)]를 발생시키며, 따라서
중심 주파수의 50∼100% 정도 또는 그 이상 되는 광대역 폭을 갖는다.
이것을 ‘초광대역(UWB:
Ultra Wide Band) HPRF’ 무기라 부른다. 협대역
HPRF는 1마이크로초(㎲) 정도 되는 펄스를 발생시키고, 1∼35GHz의 범위에 있는 단일 주파수를 가진 고주파(일명, 마이크로파)를 방사시키며, 그 주파수의 1% 정도 되는 협대역폭을 갖는다. 이 협대역 HPRF는 통상적으로 ‘HPM
무기’라 불리며, 동일조건 하에서는 UWB HPRF보다 더 큰 출력을 방사한다.
본고는 금번 이라크 전쟁(2003년 3월 20일에 발발)에서 현존 재래식 정밀유도탄에 의해서는 도저히 파괴
불가능한 핵심표적으로서, 지하 깊숙이 위치해 있는 이라크의 견고한 지휘통제센터(후세인대통령 지하궁궐), 무기공장을 물리적으로 파괴할 목적으로 정밀유도무기(정밀유도폭탄 또는 순항미사일)의 탄두부에 탑재하여 시험 발사된 것으로
보도된 EMP탄의 역사와 원리, 효과, 방어수단 등에 관해 기술적으로 자세히 살펴보고자 한다.
그림 2. HEMP, Lighting stroke, UWB, narrow HPM과의 주파수
특성비교
역 사
미국은 1962년 7월 9일 한밤에 해발 약 9.1㎞(3만 피트)의 상공에서 ‘Starfish Prime’이라는 고공 핵실험을실시하였다. 핵폭발에 의해 발생된 버섯구름 모양의 거대 섬광은 일순간에 1,287㎞나 떨어져 있는 하와이 섬의 밤하늘을 대낮같이 환하게 비추었으며, 또한 순간전력을 엄청나게 급상승시켜 그 당시 하와이에 설치되었던 각종 회로 차단기와 도난 경보기들을 대부분 오동작 상태로 만들었을 뿐만 아니라 가로등과 전화교환기 시스템들도 대부분 작동불능 상태로 되었다.
미국은 이 기이한 현상을 조사 연구한 결과, 대형사고의 주범이 바로 핵폭발 과정에서 생긴 EMP 파였고, 이 EMP 파의 에너지는 대부분 10kHz∼100MHz의 범위에서 분포되었으며, 약 50나노초(ns)의 길이를 갖는 초광대역의 단일펄스였음을 밝혔다. 그 이후 미국은 실전 배치되어 있는 자국의 무기체계를 대상으로 ‘핵에 의한 전자기 펄스(NEMP: Nuclear EMP)’ 무기의 미치는 영향과 전자파 방어책에 관한 연구를 활발히 진행시켜 왔다. 구소련과 핵 확산금지 조약을 체결한 이후, 미국은 세계 최고의 레이더 기술과 펄스전력(pulse power) 기술을 바탕으로 1980년대초반에 ‘비핵(非核) EMP(NNEMP: Non- Nuclear EMP)’ 무기 연구를 착수하게 되었다. 현재 미국이 적 방공망제압(SEAD) 공격과 대공방어 목적으로 연구/개발하고 있는 NNEMP 무기는 크게 화약에너지에 의한 펄스전력을 이용하는 단발성(one-shot) 협대역/초광대역EMP 탄/탄두, 축전기(capacitor; 일명, 커패시터) 등의 전기에너지에 의한 반복적 펄스전력을 이용하는 다발성(multi-shot) 협대역 HPM 무기 등이다.
이 반복적 펄스를 이용하는 HPM 무기는 항공기, 함정, 차량에
탑재되는 1기가와트(GW) 이상의 ‘초강력 전자전재밍 장비(super jammer)’로서 현존 원격지원
재머의 100∼1,000배 정도의 고출력을 갖는 미래의 전자전(EW) 시스템이다. 오늘날 미국을 포함하여 러시아, 중국, 영국, 프랑스, 독일, 일본 등의 국방과학연구소와 방산업체들은 NEMP가 아닌 NNEMP 무기 연구 개발을 극비리에 추진하고 있는
중이다.
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3. 전자기파의 위력을 발하고 있는 고공에서의 핵탄두 폭발 장면
스타피쉬 프라임(Starfish Prime) 핵실험
앞에서 언급한 바와 같이, 미국은 1962년 7월에 계획명 ‘스타피쉬’라는 고고도 핵실험을통해 전자장치에 영향을 끼치는 ‘고고도 핵폭발에 의한 전자기펄스(HEMP: High-altitudeEMP)’를 우연히 발견하게 되었는데, 이것이 곧 EMP 무기를 개발하는 계기가 되었다.
미국, 소련과 영국이 공동으로 1963년에 체결한 제한적 핵 실험 금지
조약이 발효되기 바로 직전이기 때문에, 미국은 도미니크 작전으로 이름 붙여진 일련의 핵 실험을 시급하게
실험한 성격이 짙었다(미국은 1959∼60년에는 자주적으로 핵실험을 정지하였다).
36회의 핵실험한 가운데,
29회까지는 B-52폭격기로부터 핵폭탄이 공중 투하되었지만,일부는 폴라리스 잠수함발사 탄도미사일 또는 나이키허큘리스 지대공미사일에 핵탄두가장착되어 시험발사 되었다. 이외에도 대기권 밖 우주를 무대로 하는 핵실험도 수회 정도계획되어 있었다.
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4. NEMP, Lighting stroke 및 FCG와의 펄스 파형 비교
도미니크 작전의 거점은 하와이 서방 약 500㎞ 지점의 죤스톤 섬과 하와이 남쪽 적도바로 아래에 있는 크리스마스섬이었다. 1962년 6월 20일, 핵탄두를 장착한 중거리 탄도미사일(IBRM)은 대기권 밖으로 쏘아 올리기 위해 발사된 지 59초 경과후, 제1단 로켓모터의 고장으로 지령에 의해 자체 폭발되었다.
그 이후 1962년 7월 9일 미국은 계획명스타피쉬 프라임’을 성공시켰다. 죤스톤 섬으로부터 쏘아 올려진 IRBM은 위력이 TNT폭약 1.45메가톤에 상당하는
W49핵탄두 1발을 지상으로부터 고도 400㎞까지
쏘아 올려폭발시킨 것이다.
하와이 시간으로 한밤중에 일어난 이 폭발은 어두운 하늘을 환하게 비추었으며, 수분간에 걸쳐
오로라와 같은 발광현상이 하와이에서도 목격되었다. 그러나 더욱 하와이 주민들을 놀라게 한 것은 핵폭발과
동시에 가정이나 공장의 전기퓨즈가 끊어지거나, 전기차단기가 떨어지거나,
가로등이 일제히 꺼지거나, 화재경보기가 제멋대로 울리거나 하는이 기이한 현상이 핵폭발지점으로부터
무려 1,287㎞나 떨어져 있는 하와이에서 발생되었다는 점이다. 바로
이것이 핵폭발에 의한 최초의 EMP 피해였던 것으로 파악된다.
또한 미국이 대기권 밖에서 핵실험을 한 것은 도미니크(스타피쉬) 작전이 최초가 아니라 1958년
8∼9월 ‘아거스(Argus)’라는 계획명으로 남대서양 상공에서 3회에 걸쳐 핵실험을
하였다. 아거스 핵실험은 3회에 걸쳐 탄도미사일 방위에 관련한
것으로 비밀리에 실시되었다. 지상으로부터 약 500㎞에서 1킬로톤 급의 핵탄두를 폭발시키면 일종의 방사선대[인공적인 ‘반 알렌 대(Van Allen Belt)’]가 발생한다고 하는 가설을
실증하기 위해서였다.
인공 방사선대를 핵탄두가 통과하면 위력을 잃게 되는 것은 아닐까하고 예상되었지만 방사선대는 실제로 생겼으나 기대했던 정도로 장시간 유지되지
않아, 이 구상은 도중에 중단된 것으로 보인다.
핵폭발과 EMP
지하나 수중이 아닌 고공에서의 핵폭발은 EMP 파를 발생시키는데, 대기권내와 대기권외에서의 발생구조는 근본적으로 다르다. 핵폭발로 인해 생긴 방사에너지 전체에서 극히 일부분만이 감마선(파장이 매우 짧은 전자파)이지만, 대기권내에서 발생된 고에너지의 감마선은 ‘컴프턴[compton; 미국 물리학자(1892∼1962)] 효과’에 의해 대기 속에 있는 원자번호가 낮은 원자(산소, 질소 등)들과 충돌하여 전자를 분리해 냄으로써 대기를 이온화(電離)시킨다.
대기밀도는 고도에따라 차이가 있으므로 대기 중의 전하(電荷)는 불안정하여 상하방향으로 전계(電界)가 형성된다. 바로 이 전계에 의해 EMP 파가 발생되는 것이며, 한여름에 소나기가 쏟아지기직전에 있는 번개의 발생원리와 유사하다.
대기권내 핵폭발에서, 일단 분리되어 폭발의 중심으로부터 멀어진 전자 및 대기의 양이온과의 사이에
형성된 전계는 오래 동안 지속되는 전자파를 발생시킨다. 또한 전자가 대기 중의 산소분자와 결합하여 생긴
음이온은 양이온과 서로 혼합하여 플라즈마(plasma)를 형성시키게 되는데, 이 플라즈마에 의해서도 전자파가 방출된다.
이러한 과정을 통해 생기는 대기권내 ‘핵폭발에 의한
EMP(NEMP)’ 파는 전계강도가 최대 500 kV/m 정도 되며, 작동 시작시간은 수나노초(ns)로 극히 순간적이다. NEMP와벼락에 의해 생긴 EMP는 펄스의 작동 시작시간, 형태, 폭이 서로 다르다. 이
순간출력에 뒤이어 산(山) 능선 모양의 파형으로 나타나는
전계강도는 50kV/m 정도로 수백 마이크로초(㎲) 동안 지속된다. EMP의 에너지는 광대역에 걸쳐 분포되어 있으며, 0.1∼10kHz의주파수 범위에서 에너지의 90%를 차지하고 있다.
대기권 밖 핵폭발에 의한 EMP도 감마선에 의한 것이지만, 폭발 방사중심으로부터 멀리 있는 감마선의 일부분만이 대기 상층부에 쏟아지게 된다. 이 감마선도 컴프턴 효과에의해 공기가 희박한 고도 20∼40㎞의 대기층으로부터 전자를 분리해 내는데, 이 전자는 지구의 자기장에 이끌려 자력선(자속)을 따라 나선(spiral) 운동을 하게 된다.
이 나선모양으로 운동하는 전자에 의해서도 전자기 펄스가 방사되는데, 펄스의
작동시작은 수나노초(ns)이며, 전계 강도는 최대 50kV/m 정도 된다. 대기권내
NEMP와는 달리, 펄스의 지속시간은 0.1마이크로초(㎲) 정도에 지나지 않으며, 또한
에너지의 90%는 0.1~10MHz의 주파수 대역에 분포되어
있다.
그림 5. 6volts, 20mA에서 정상 작동하는 IC 칩에 엄청난 피해를 가하는 NEMP
고고도 핵폭발에 의한 HEMP의 피해범위는 매우 넓어, 북미대륙의 중앙부 상공 400∼500㎞에서 메가톤급의 핵폭발을 일으키면 HEMP에 의해 북미 전역의 전자기기를 파괴할 수 있다고 한다.
이에
비해 대기권내 NEMP는 순간출력의 전계강도는 높지만 피해범위는 훨씬 낮아 대개 폭풍이나 열선에 의한
피해가 크다. 전자기펄스(EMP) 파는 광속으로 전파하여 전자파 차폐시설이 완벽하게 갖춰져 있지 않은 전자장치에 피해를 입힌다. 전선이나 안테나 등을 통해 EMP에 의한 강한 전류가 흘러, 퓨즈를 끊어버리거나 회로를 단락(short circuit; 일명, 쇼트)시키거나, 가로등을
파괴하거나 한다. EMP는 건물이나 차량의 여닫는 부분이나 심지어 유리를 통해서도 쉽게 침입하여 내부에
있는 전자장치에 피해를 준다.
EMP의 강력한 전자기장(電磁氣場)에 의해 불꽃방전(spark)이 일어나 비행기나 자동차의 연료탱크가
폭발하는 것도 있을 수 있으며, 폭탄, 미사일, 지뢰에 내장된 신관(특히, 전자식)도 EMP의 영향을 받아 오동작에 의한 폭발도 생각할 수 있다.
EMP의 피해가 미치는 범위는 지상뿐만 아니라 저궤도에서
선회하는 인공위성이나 항공기의 비행조종 시스템도 포함될 수도 있다. EMP의 효과에 특히 취약한 것은
반도체를 사용하는 소자이며, 이 반도체 소자는 큰전류에 매우 약하며,
회로의 도선 굵기도 가늘어 큰 전류에 견딜 수 없다. 최신형 집적회로(IC) 일수록, 집적도가 더욱 더 고밀도화 되어 낮은 유도전압에도
쉽게 EMP의 영향을 받을 수 있기 때문이다.
전자회로 소자를 파괴시키는 에너지는 진공관의 경우 1Joule(1W·Sec) 정도이며, 오디오용 트랜지스터의 경우 0.04Joule, 반도체 스위칭회로에서는 0.008Joule, IC의
경우는0.00008Joule, 마이크로파용 다이오드에서는
0.0000001Joule이다. 상기한 바와 같이, 집적회로라도
집적도가 높아져 회로가 더욱 가늘게 되며, 따라서 더욱 낮은 EMP 에너지에의해서도
전자회로는 작동기능을 상실하게 된다.
오늘날의 정보화 시대에서 민·군의 모든 분야는 컴퓨터/전자장치에 크게 의존하고 있는 추세이다. 만약 초강력 NEMP 파가 방사되면 컴퓨터, 팩스장비, 텔레비전, 휴대전화,자동차 항법장치, 라디오, 냉장고, 컴퓨터를 포함해 완벽한 전자파 차폐조치[금속상자 또는 패러데이 상자(Faraday cage)] 를 취하지 않은 전기/전자제품은 대부분
물리적으로 파괴되거나 기능장애를 일으키게 되며, 통신이나 방송은 도중에 끊어지고, 또한 자동차나 비행기, 배 등도 작동불능 상태에 빠지게 되는 것이
허다할 것이다.
그림. 6. 유입되는 마이크로파 에너지에 따른 전자소자의 민감도
테이블이(가) 표시된 사진 자동 생성된 설명
그림 7. 거리와 전력에 따른 HPM의 영향
EMP에 의해 컴퓨터/전자장치의 내부가 파괴되어 작동할 수 없게 되는 것도 곤란하지만, 외관상 피해도 없는 것 같은데 이상한 작동을 하거나, 데이터가 흩어지거나 변경되거나 하여 신뢰도가 급격히 떨어지는 것도 업무상 매우 곤란한 일이다.
EMP는 직접적으로는 사람을 죽이지 않지만, 어떤 의미에서는 대지진이나 태풍에 의한 피해보다도 더 크며, 더구나
단 한번으로 가해지는 피해의 범위는 자연적인 재해보다훨씬 더 넓다. 단 1발의 대기권외 핵폭발에 의해 미국이나 중국과 같이 영토가 넓은 국가도 일순간에 초토화 될 가능성이 매우 높다고
한다.
비핵(非核) EMP(NNEMP: Non-Nuclear
EMP)
핵폭발 이외에도 EMP를 발생시키는 자연적인 요소로는 벼락이 있다. 그러나 벼락에 의한 EMP는 작동 시작시간이 핵폭탄에 의한 EMP보다 훨씬 늦는 대신, 지속시간은 이보다 더 길다. 벼락에 직접 맞지 않아도 가까이에 떨어진 낙뢰만으로도 컴퓨터/전기장치가 피해를 받는 현상은 벼락 서지(surge)로서 예전부터 알려져 온 사실이다.
벼락이 심할 때 사용자는퍼스널컴퓨터(PC)의 전원을 꺼야 될 뿐만 아니라 전원코드도 콘센트에서 빼고, 데이터모뎀에서도 전화 케이블(잭)을 빼두어야 하는 조치가 바로 이 때문이다. 벼락 서지에 대해서는 회로를 순간적으로 차단하거나 흡수소자(배리스터)를 통해 전류를 우회(bypass)적으로 흐르게 하는 전자파 방어책이 있다.
그러나 NEMP의 펄스작동 시작시간은 매우 빠르므로 차단할 틈도 없이 전자장비 내부로 큰 전류가 침입한다. 즉 우리가 알고 있는 벼락에 대한 방어책은 NEMP에는 아무런 쓸모가
없다. 핵무기이외의 수단으로, ‘인공적으로 EMP(NNEMP)’ 파를 발생시키는 방법은 적어도 1970년대부터
구소련에서 최초 연구되어 왔다. EMP의 파괴력이 크다고 하여도 전기에너지(전력) 그 자체는 대규모적인 전력량이 아니다. 문제의 핵심은 순간적으로 대전류를 흐르게 하여 수 나노초(ns) 이하로
매우 짧은 펄스 형태의 전자파를 발생시키는 방법이다.
표 1. EMP 무기와 HPM 무기의 비교
고출력 고주파(HPRF) 무기
고출력 고주파 무기는 크게 1차 전원을 포함한 펄스전력 공급장치, 고주파/마이크로파 발생장치 및 안테나로 구성되어 있다.
펄스전력 공급장치
- 막스(Marx) 발전기
전기를 축적하여 순간적으로 방출시키는 소자로는 커패시터(콘덴서)가 있는데, 다수의 커패시터를 연결한 ‘막스 발전기(Marx Generator)’는 순간적으로 큰 전압을 발생시킬 수 있다.막스 발전기(일명, 다단식 순간-고전압 발생장치)에서는 다수의 커패시터를 병렬로 연결하여 전기를 축적한 후, 방전시킬 때는 직렬 연결로 바꾸어 큰 전압을 발생시킨다.
커패시터의 전원은 배터리로도, 발전기로도 좋으며, 강력한 전원이 없어도 긴 충전시간을 통해 충분한 전력을 축적할 수 있다.
병렬에서 직렬로 바꾸는(switching) 방법에는 레이저를 광전자 트리거 단자에 공급하여 트리거 시키는 것과 ‘스파크 갭(spark gap)’ 스위치의 간극을 적절히 설정하여 한쪽 끝에서 트리거 시키면 순차적으로 회로가 연결되어 자동적으로 직렬을 실현시키는 것도 있다.
이 막스 발전기를 클라이스트론(klystron), 가정용 전자레인지에
쓰이는 마그네트론(magnetron), 리플렉스 트라이오드(reflex
triode), 버캐이터(Vircator; Virtual Cathode Oscillator의
약어; 소위, 가상음극 발진기) 등의 마이크로파 발생장치에 직접 연결하면 강력한 협대역 마이크로파(HPM)를
발생시키며, 발생된 마이크로파는 안테나를 통해 표적에 지향된다. 더욱
간단한 구조로서 고주파 발생장치를 사용하지 않고 오직 스파크 갭을 사용하는 경우에도 광대역 전자기펄스가 발생될 수 있다는 점이다.
- 전자 유체형 발전기
또한 전자 유체형 발전기(MHD: Magneto- Hydrodynamic generator)도
순간적으로 큰 전력을 발생시킬 수 있는 시스템이다. MHD 발전기는 자장 사이에 고온 고속 플라즈마를
통과시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 것으로, EMP 탄/탄두에서는
폭약 또는 로켓추진제의 연소에 의해 생긴 고온 고압 가스를 이용하여 소량의 전리제(電離劑)를 점화시킨 상태로 자장 사이를 통과시킨다.
- 자속압축(磁束壓縮) 발전기
일명, 자장압축발전기(MCG:
Magneto-Cumulative Generator)로도 호칭하는 자속압축발전기(FCG: Flux
compression Generator)는 막스 발전기나 전자유체형 발전기(MHD)보다
훨씬 더 높은 전자기펄스를 발생시킬 수 있는 첨두전력을 갖는다. 자속압축 발전기는 폭약으로 자장을 순간적으로
고밀도 압축하여 큰 전력을 발생시키는 장치이며, 기하학적 형상에 따라 평판형, 원통형, 구형, 나선코일형
등으로 구분할 수 있다.
일명, 자장압축 변환기로도 불리는 자속압축 발전기(FCG)에 관해서는, 미사일 방어와 관련하여 구소련이 왕성하게 연구하였던 것 같은데, 미국을 포함한 여러 국가에서도 EMP 무기(탄/탄두)용으로 연구되었던 것은 내부 중심에 폭약을 둔 나선코일형 자속압축 변환기이다. 나선코일형 자속압축 발전기는 내부에 폭약을 충전시킨, 구리 등으로 만든 통 모양의전기자 튜브(armature tube)와 그 바깥으로 떨어져서 절연된 상태로 배치되어 있는 도선을 감은 코일 고정자(stator), 코일을 둘러싼 비전도성 재킷(jacket; 일명, 외피), 절연체 등으로 구성되어 있다.
재킷은 콘크리트 등으로 만드는 방법, 유리섬유(glass fiber)나 케블러(Kevlar) 섬유를 감고 에폭시(epoxy) 등으로 고정시키는 방법
등 다양하나, 군사목적에 따라 적합한 무게와 강도를 가진 재료를 이용하는 방법이 바람직하다. 폭약에는 폭발속도가 빠른 것이 적합하며, 콤포지션(composition) B형이나 C형이나 PBX 등의 복합 화약이 사용될 수 있을 것이다.
작동원리는 코일에 전류를 흐르게 하여 자장을 형성하고 나서 전기자 튜브 내부의 폭약의 한쪽 끝에서부터 점화되는 즉시, 폭발이 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 진행하면서 튜브가확장된다. 그러면
절연 상태에 있던 전기자와 고정자가 접촉함으로써 회로가 형성된다.
그림 8. 나선코일형 FCG와 Vircator 및 혼안테나로 구성된 EMP 탄
폭발은 계속적으로 진행하여, 자장은 더욱 더 압축되며 계속적으로 고밀도화 된다. 폭발이 튜브의 오른쪽 끝에 도달하면 압축된 자장은 최대로 되어 고전류를 외부로 내보내게 된다. 최초로 코일에 입력된 초기전류와 출력된 전류와의 비율, 즉 전류증폭율은 60이나 된다. 한마디로, 자장압축
변환기는 고폭화약 에너지를 전기자의 운동에너지로 변환시키고, 전기자의 운동에너지를 자기에너지로 변환시켜
초기에 공급된 전기에너지를 증폭시키는 장치이다.
일본의 한 군사평론가는 자속압축 발전기의 작동원리를 ‘물 대포’에 비유한 적이 있는데, 즉 “파이프에
전기대신 물을 채운 직후, 한쪽 끝에서부터 폭발대신 외부 압력으로 밀어내면 다른 쪽 끝의 구멍으로부터
물이 강력하게 방출되는 것”과 같다고 설명하였다.
그림 9. 나선코일형 폭발 FCG의 동작원리
자장압축 발전기 개발에 필요한 핵심기술에는, 코일에 흐르는 전류의 확보기술로서 외부에서 코일에 공급한 전류가 코일 내에 축적되도록 화약의 점화시기를 조절하는 기술,전기자와 고정자가 초기에 닿는 부분인 Crow-bar 스위치(단락스위치의 일종) 설계기술뿐만 아니라 코일의 형상이 폭발로 인해 찌그러지거나 깨어짐을 방지하기 위한 재킷 설계기술과 전기자 튜브 내에 평면파를 형성하여 유지시켜주는 설계기술 등도 있다.
평면파의 형성을 위해서는 폭약렌즈가 사용되며, 타 분야의 설계에서와 같이 이 분야의 설계에서도 컴퓨터 모델링 및 시뮬레이션 기술이 반드시 필요하다.
NNEMP 무기인, 즉 전자폭탄에서는 대용량의 펄스전력을 얻기 위해 여러 개의 자속압축 발전기를 직렬로 연결하여 사용할 수도 있다.
초기전원
공급장치(1차 전원)인 배터리나소형 발전기의 전력을 먼저
다수 개의 커패시터로 구성된 막스 발전기에 축적하고, 막스발전기를 통해 얻은 전력을 입력받은 제 1단의 자속압축 발전기를 통해 증폭된 전력이 출력되며, 이 전력을
입력받은 제 2단의 자속압축 발전기를 통해 더 큰 대전력이 출력되고,이
대전력이 마이크로파 발생장치인 버케이터를 통해 고출력의 협대역 EMP 파로 변환되며, 이 고출력 마이크로파는 안테나를 통해 표적을 지향하여 방사하는 것이다.
EMP 무기는 1,000파운드(454㎏)∼2,000파운드(907㎏)급의 항공기탑재 가능한 폭탄으로서, 정밀유도장치를 갖추고 있는 폭탄이나 순항미사일의 탄두부에 내장된다.
오늘날의 항공기는 모두 컴퓨터/전자장치를 사용하고 있음을 감안하여 볼 때, 항공기에 영향을 덜 끼칠 수 있는 EMP 무기는 폭탄보다 미사일인 것으로 보인다. 폭탄이든 미사일이든 EMP 탄/탄두는 공중에서 폭발하여 강력한 전자기펄스 파를 나팔 형태로 방사한다. 폭발고도가 높을수록, EMP가 미치는 범위는 넓지만, 그 대신 파괴력은 약하다.
그림 10. 마이크로파 발생장치의 첨두 전력(MW)
EMP의 출력, 표적과의 거리, 주파수 등을 알 수 없는 상황에서 이론적으로 파괴범위를 정확히 계산할 수는 없지만, 대략 반경 200∼300m 범위 내에 있는 전자장치가 파괴되어 사용이 불가능하게 될 것으로 추정된다.
이 정도의 피해범위는 핵폭발에
의한NEMP의 파괴반경과는 비교가 되지 않지만, 인명피해를
주지 않는다는 점에서 볼 때 NNEMP 무기의 장점이기도 하다. 최근에
미국은 초강력 자기장을 발생시켜주는 ‘고온 초전도체(high-temperature
superconductor)’ 연구에 주력하고 있다.
고주파/마이크로파 발생장치인 Vircator
고출력마이크로파(HPM) 발생장치에는 Vircator,
MILO(Magnetically Insulated Line Oscillator), RBWO(Relativistic Backward Wave
Oscillator) 등이 있다. 가상음극 발진기Vircator(Virtual
Cathode Oscillator의 약어)는 수십 기가와트(GW)까지의 고출력 마이크로파를 발생시킬 수 있으며, 다른 여러 발생장치에
비해 구조가 간단하고, 제조단가가 저렴하며, 견고할 뿐만
아니라 단발성으로도 고출력을 갖기 때문에 EMP 탄/탄두에
응용될 수 있는 많은 장점을 갖고 있으나, 효율이 매우 낮은(10% 내외) 것이 큰 단점이다.
그림 11. Vircator의 동작원리
마이크로파 발생원리를 간단히 설명하면, 발진기의 음극(cathode)과
격자망 형태의 양 극(anode)이 가까운 거리를 두고 고정된 상태에서 두 극간에 고전압 펄스를 인가하면, 전자빔의 방출과 함께 가상음극이 형성되고, 전자들의 이동은 마이크로파를
발생시키며, 마이크로파는 도파관을 통해 외부로 전파된다.
고주파/마이크로파 안테나
그림 12. 원편파 마이크로파를 방사하는 Vircator와 Multifilar Conical Helix 안테나와의 결합부
나팔 모양의 혼(horn)안테나, 나선원뿔형(conical helix) 안테나 등은 도파관을 통해 전파된 마이크로파를 표적이 위치한 방향으로 지향시켜 방사한다.
EMP 대책
사실, 원리적으로 EMP의 영향을 방어하는 것이
어려운 일은 아니다. 컴퓨터 또는 전자장치를 전도특성을 갖는 금속도체 판으로 완전 밀봉시킨 다음, 접지(earth)시켜 놓으면 이론적으로는 고출력의 EMP라도 영향을 절대 받지 않는다. 그 이유는 외부에서 오는 전자파는
금속에 닿으면 유도전류로 변환되어 접지 도선을 통해 땅으로 흐르기 때문이다.
그림 13. 고출력 마이크로파를 방사시키는 EMP 폭탄의
공격 개념도
도체 곡면으로 둘러싸인 이 금속상자는 ‘패러데이 상자(Faraday cage)’라고 불린다. 패러데이(1791-1867)는 전자기학(電磁氣學)의 초석을 세우는데 크게 공헌한 영국의 과학자로서, “시간에 따라 변하는 자속이 폐회로를 관통하면 그 폐회로에 기전력이 유도된다”는 전자기 유도법칙’을 1931년에 발견하였다.
따라서 EMP에 대한 방어책은 NEMP에 의해 사고가 났던 해(1962년 7월 9일)보다 백년이나
더 이전에, 그러니까 맥스웰이 1873년에 전자계를 4개의 방정식으로 발표하기 반세기나 이전에 이미 알려졌던 것이 된다.
오늘날 낙뢰에 대한 보호책이 바로 ‘Faraday cage’의 원리를 적용한 것으로서, 벼락의 큰전류가 금속상자의 표면을 흘러도 적절히 설치하고 있는 한, 내부는
등전위(等電位)로 되므로 전위차가 생기지 않아 감전도 발생되지
않고 전자/전기장치의 파괴도 일어나지 않는다.
표 2. 고주파/마이크로파 방어책의 예
■ 전자파 차폐-필터 설치
■ 매우 작은 구멍/틈새 등을 제거
■ 케이블 피복은 부드러운 금속재료로 꼬아 만듦
■ 틈막이(gasketing) 설치
■ 다층 차폐로 구축하여 가시선(LOS: Line of Sight) 침투를 차단
■ 용접 접착구조
■ 금속성 비품 최소화 및 비금속성 구조물 고정시킴
■ 광섬유를 통한 광통신 사용
■ 부엽을 최소화하기 위해 빔 폭이 좁은 안테나 사용
■ 성능개량형 초소형 동축 스파크 갭(간극)[spark
gap] 사용
■ 연결부분에 전도체 박(foil)을 입힘
■ 내부에 광학 연결
전자파를 차폐시키기 위해서는 금속판일 필요도 없고 금속 망(net)이라도 좋다. 전자레인지의 창문의 내면에 금속격자망을 설치하여도 마이크로파가 밖으로 새어 나올 수 없는 것과 같은 것으로, 금속격자의 간격보다 파장이 긴 전자파는 통과할 수 없다.
따라서
가정용 전자레인지의 사용자가 전자파의 영향을 받지 않기 위해서는, 전자레인지에 내장되어 있는 마그네트론(magnetron)에 의해 방사되는 마이크로파의 파장은 창문의 내면에부착되어 있는 금속격자의 폭보다 반드시 길어야
한다.
그러나 현실적으로는 EMP 파를 완전한 방어하기란 그리 쉽지 않다. 건물이나 비행기,차량이나 함정 전체를 금속상자와 같은 도체 특성을
가진 폐곡면으로 덮을 수도 없고, 만약 그렇게 되면 이번에는 레이더 통신장비의 사용이 전혀불가능하게
된다. 레이더나 통신 안테나를 항공기의 기체 밖으로 설치하게 되면 이들을 통해 유기된 유도전류가 배선이나
도파관을 통해 내부로 침입해 버린다. 또한 건물 등의 출입구나 창,공기구멍
등의 개구부(開口部)나 금속 수도관이나 가스관을 통해서도 EMP는 내부로 침입할 수 있다.
모든 전자장치는 도체특성을 가진 폐곡면으로 완전 밀봉되어도 전자장치에 연결된 전기케이블이나 통신 케이블을 통해 EMP가 침입하기 때문에 전자파의 영향을 받는다. 더욱이 전자장치가
전원이 차단되어 작동하지 않은 상태라도 EMP가 고출력일 경우 영향을 받는다.
저출력의 EMP로부터 전자장치를 전자파를 완전히 차폐시키기 위해서는 예를 들면 전자장치가 있는
방을 금속상자로 둘러싼 다음, 출입구는 공기밀폐 식으로 하고, 내외의
문이 결코 동시에 열리지 않도록 한다. 환기구 등에는 금속 그물망을 쳐서 EMP의 침입을막고, 금속상자의 내/외부로
데이터를 송수신하는 케이블은 모두 광섬유를 이용하여 광통신하며, 도선은 일체 금속상자 내부에 있게 한다. 전원이 가장 어려운 문제인데, 금속상자 내부에 전원을 갖추던가 직접
전원을 통과하지 않게 코일을 매개로 하여 전력을 전달 하도록 한다.
실제로는 이러한 대책을 모든 장비에 대해 실시하는 것은 무리가 따르므로 장치의 중요도를 평가한 다음, 시스템
단위의 방어책과 부품 단위의 방어책을 단계적으로 실시하도록 한다. 주목해야 할 점은 템피스트(Tempest) 방어규격과 EMP 방어책이 어느 정도는 공통점이 있다는
것이다. Tempest 방어규격은
전자장치로부터 전자파의 누설을 방지하는 군사규격으로서 컴퓨터나 통신기기로부터의 누설 전자파를 제 3자가
수신함으로써 정보가 유출되는 것을 막기 위하여 제정되었다.
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