로켓 과학 3: 탄도탄의 모든 것

탄도탄에 관한 물리학과

숨겨진 기본적인 과학기술 개념을 소개하다!



'로켓 과학' 시리즈의 마지막 권인 이 책에는 인류의 미래를 좌우하는 탄도탄에 숨겨진 기본적인 과학기술 개념을 소개한다. 저자가 평소 탄도탄에 대해 궁금해하던 문제들을 중심으로 단순화한 궤도모델trajectory model과 간단한 계산으로 탄도탄의 궤도 특성을 추정하고, 탄도탄의 파괴력을 예측할 수 있는 내용으로 채워져 있다. 간단히 말해 ?로켓 과학 Ⅲ?은 탄도탄의 사거리 계산, 표적 지정, 재돌입을 비롯해 탄도탄 방어 시스템에 대한 물리학이라 할 수 있다.

탄도탄이란 무엇일까? 저자는 탄도미사일ballistic missile 또는 탄도탄에서 탄도ballistic trajectory라는 수식어는 미사일 궤도missile trajectory의 대부분이 자유낙하궤도free falling trajectory를 따라 비행하는 것을 의미한다고 정의한다. 따라서 뉴턴이 중력법칙과 운동방정식을 발표하기 훨씬 이전부터 발사된 포탄이 날아가는 길을 탄도라 했고, 표적까지의 거리 대부분을 대기권 밖에서 중력에 의한 자유낙하운동을 하는 유도탄을 탄도탄이라 한다. 현대 군사용어에서 미사일은 자체 동력을 가지고 표적으로 유도되는 무기라는 뜻으로 쓰인다.

이처럼 무기로서의 탄도탄 정의, 특징, 역할에서부터 전략적 의미에 이르기까지 전체 7부로 나누어, 물리학 이론과 더불어 급변하는 시대 상황에 따른 핵강국의 정치적, 전략적 이해관계를 거쳐 탄도탄의 변천 과정을 치밀하게 묘사하고 있다.

1부에서는 탄도탄의 정의와 미국과 구소련의 탄도탄의 기술 변천을 다룬 '탄도탄의 개요', 2부에서는 편평하고 구형의 중력이 없는 지구를 가정하여 '자유낙하궤도'와 람베르트 문제를 다룬 '자유낙하궤도와 람베르트 문제', 3부에서는 탄도탄의 발사 위치와 초기 속도, 탄도탄으로 가장 먼 표적을 공격할 수 있는 '최대사거리궤도' 등을 다룬 '탄도탄 궤도', 4부에서는 탄도탄의 동력 비행궤도와 속도방향, 그리고 기준궤도를 이용한 유도조종에 관한 '크로스 프로덕트 유도조종', 5부에서는 극초음속으로 다시 대기권으로 돌입하는 재돌입체의 충돌속도와 '원추꼴sphere-cone'의 재돌입체가 겪는 압력, 온도, 융제되는 물질의 양 등을 계산하는 '재돌입의 물리학', 6부에서는 핵탄두의 핵폭발 위력과 파괴반경, 이에 따른 살상면적과 사상자 수 추정 등에 관한 '핵탄도탄의 살상면적과 표적 파괴확률', 마지막 7부에서는 진화를 거듭해온 현대식 탄도탄의 특성과 역할을 비롯하여 미국과 구소련/러시아의 ICBM급의 탄도탄 성능 비교와 이동식 ICBM의 생존력을 비교한 '현대식 탄도탄의 전략적 의미'를 다룬다.



핵폭탄과 로켓의 결합으로 이루어진 핵탄도탄,

과연 과학기술의 위대한 발명품일까?



이 책을 펼치면 복잡한 물리학 수식과 더불어 이에 관한 설명이 이어진다. 당연히 표적을 향해 탄도탄을 쏘아올린 뒤 탄두가 움직이는 동력 비행궤도와 자유낙하궤도에 잇따르는 속도와 시간, 방향각, 그에 영향을 미치는 공기마찰력, 대기밀도, 대기온도 등 물리학에 관한 이야기이다. 하지만 살짝 수식과 설명을 거둬내면 곳곳에 읽을거리가 넘친다.

제2차 세계대전 이후 미국과 구소련으로 흩어져 활동했던 독일 과학기술자들의 손에서 비롯된 로켓 개발과 우주개발이 어떤 식으로 진행되고 변형되었는지를 비롯하여, 1950~60년대 군사적 긴장감으로 빚어진 미국과 구소련을 공황상태로 몰아갔던 '미사일 갭 상황' 등을 거쳐 이제는 '상호궤멸MAD: mutual assured destruction'이라는 낭떠러지 앞에서 '공포의 균형BOT: balance of terror'을 그 누구도 먼저 깰 수 없는 지경에까지 이르게 되었다. 다시 말해, 어느 특정 핵무기가 살아남느냐 파괴되느냐의 문제가 아닌, 어느 경우에도 상대방을 견제할 수 있는 보복능력이 생존하느냐 아니냐 하는 문제로, 대립하는 두 국가의 전략무기 생존력에서 균형이 맞으면 전쟁은 일어날 수 없다는 뜻이다. 이런 상황에서 우리는 지금 무엇을 할 수 있을까? 저자의 글로 이를 대신한다.



세계가 실시간으로 연결되어 통신, 방송, TV, 항법, 기상, 인터넷, 교육, 천문학, 행성 과학 등 일상의 모든 분야에서 단시간 안에 우리의 생활이 지금처럼 풍성해진 것은 로켓 덕분이다. 이처럼 민수용 발사체나 위성도 처음에는 모두 미국과 구소련의 군비 경쟁에서 비롯되었다. 1960년대에는 탄도탄으로 개발한 로켓의 탄두를 인공위성으로 대체하고 유도 프로그램을 약간 바꾸어 우주발사체로 사용했다. 1942년 폰 브라운의 A4 로켓은 1톤의 모의탄두를 싣고 200여 km를 비행하는 데 성공함으로써 로켓의 엄청난 잠재력을 확인해주었다.

그로부터 15년 후인 1957년 구소련이 인공위성을 발사하여 인간의 영역을 우주로 확대했으며, 1959년 말에는 수소폭탄을 14,500km까지 운반하는 아틀라스-D가 실전 배치됨으로써 탄도탄 1기가 도시 하나를 없애는 세상이 도래했다. 핵폭탄과 로켓의 결합으로 이루어진 핵탄도탄은 인류를 엄청난 공포로 몰아넣었고, 미?소 간에 이 공포로 추진되는 핵무기 '치킨 게임chicken game'이 시작되었다. ICBM 개발에서 시작된 한계 없는 경쟁이 우주경쟁으로 확대되면서 로켓의 설계/제작기술 및 응용기술이 상상을 초월해 발전했다.

그 결과, 인류는 45억 년 지구 역사상 처음으로 자멸自滅할 수 있는 수단을 확보한 첫 번째 종족이 되었다. 보통은 잊고 살지만 누구나 가끔 "76억 명 지구인의 생일은 다르지만 제삿날이 같을 수 있다"는 현실에 전율하곤 한다.

1부 탄도탄의 개요

제1장 탄도탄의 정의

1. 탄도탄의 정의/ 2. 탄도탄을 유도탄이라고 하는 이유

제2장 탑재질량과 이륙질량

1. 탑재질량과 이륙질량 간의 관계/ 2. 탄두질량, 폭발력 및 피해반경

제3장 사거리별 탄도탄의 필요성

1. 모든 사거리를 커버하는 탄도탄이 없는 이유/ 2. 사거리를 기준으로 한 탄도탄의 분류

제4장 미국과 구소련 탄도탄 DNA의 진화과정

1. 탄도탄의 초라한 출생/ 2. 로켓과 핵폭탄의 상승효과/ 3. 탄도탄 DNA의 돌연변이

제5장 공포에 의해 추진되는 탄도탄의 기술 변천

1. 미사일 갭 아메리칸 스타일/ 2. 미사일 갭 소비에트 스타일/ 3. 탄도탄 DNA의 두 번째 돌연변이: 다탄두 미사일



2부 자유낙하궤도와 람베르트 문제

제1장 역제곱 중력장에서 자유낙하 문제

1. 편평 지구 중력장에서 탄도탄의 자유낙하궤도/ 2. 역제곱 중력장에서 탄도탄의 자유낙하궤도

제2장 람베르트 조준과 요구속도 ?

1. 람베르트 조준/ 2. 케플러 방정식



3부 탄도탄 궤도

제1장 동력 비행궤도와 자유낙하궤도

1. 발사장소의 관성계에 대한 속도/ 2. 동력 비행궤도와 자유낙하궤도

제2장 기준궤도

1. 기준궤도의 정의/ 2. 가상 발사점 L'과 원지점 A 및 표적 T에 의해 결정되는 기준궤도/ 3. 최소에너지 기준궤도: RMET

제3장 동력 비행궤도

1. 동력 비행의 기본방정식/ 2. 대기밀도/ 3. 자전하지 않는 구球형 지구에서의 동력 비행궤도/ 4. 탄도계수/ 5. 로켓의 속도 성능



4부 크로스 프로덕트 유도조종

제1장 개방형 유도

1. 수직 상승궤도/ 2. 저궤도 구간에서 유도조종: 개방형 유도

제2장 폐쇄형 유도

1. 폐쇄형 유도/ 2. 속도 오차

제3장 '크로스 프로덕트' 조종법(CPS)

1. 제로 크로스 프로덕트 조종법(ZCPS)/ 2. 논제로 크로스 프로덕트 조종법(NZCPS)

제4장 기준궤도를 이용한 CPS 유도 및 에너지 소모 조종법

1. 기준궤도를 이용한 크로스 프로덕트 조종법(CPS)/ 2. 에너지 소모 조종법(EMS)/ 3. 회전하는 지구의 영향



5부 재돌입의 물리학

제1장 재돌입궤도의 특성

1. 일정한 중력을 가진 편평 지구에서 재돌입/ 2. 대기저항에 의한 재돌입체 가열

제2장 재돌입의 물리학

1. 재돌입궤도 방정식/ 2. 구-원추형 재돌입체의 탄도계수/ 3. RV에 흡수되는 열량 계산/ 4. 융제현상과 RV의 마찰열 차폐/

5. 열전도로부터 페이로드 보호



6부 핵탄도탄의 살상면적과 표적 파괴확률

제1장 살상면적

1. 핵폭발 효과와 표적 파괴반경/ 2. 살상면적과 사상자 수 추정

제2장 표적 파괴확률

1. 단발 파괴확률/ 2. 다발 파괴확률



7부 현대식 탄도탄의 전략적 의미

제1장 현대식 탄도탄의 특성과 역할

1. 짧은 반응시간/ 2. 탑재질량 대 이륙질량/ 3. 발사대기 상태 유지율

제2장 CEP와 표적 파괴확률

1. CEP가 지배하는 표적 파괴확률/ 2. 미국과 구소련 ICBM/SLBM CEP의 변천

제3장 생존력

1. 미국과 구소련/러시아 ICBM급 탄도탄의 성능/ 2. 이동식 ICBM의 생존력 예측



찾아보기

정규수 서울대학교 문리과대학 물리학과를 졸업하고, 미국 피츠버그대학교 물리학과에서 물리학 박사학위를 받았다. 귀국 후에는 국방과학연구소(Agency for Defence Development: ADD)에 들어가 30여 년을 근무하며 한국의 국방과학기술 선진화에 힘썼으며, 이후 한국항공우주연구원(Korea Aerospace Research Institute)에서 로켓과 우주발사체를 연구했다.

지은 책으로는 로켓이 대륙간탄도미사일(ICBM)과 잠수함발사 탄도미사일(SLBM)로 변모해가는 과정과 기술 발전에 대한 이야기를 ICBM의 종주국인 미국과 소련의 탄도탄 발전 과정을 중심으로 풀어쓴 ?ICBM, 악마의 유혹? 외에 ?로켓, 꿈을 쏘다?를 비롯하여 로켓과 우주개발에 관심이 있는 엔지니어들을 위해 로켓 과학의 두 가지 중요한 응용분야인 우주발사체와 탄도탄의 과학기술을 다룬 '로켓 과학' 시리즈 ?로켓 과학 I_로켓 추진체와 관성유도?, ?로켓 과학 II_위성 궤도와 태양계 탐사?, ?로켓 과학 III_탄도탄의 모든 것?이 있다.